wang量子物理1 - 2012.ppt

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1、量量 子子 物物 理理 MM实验实验 黑体辐射黑体辐射 相对论相对论量子论量子论 量子力学量子力学这两这两朵朵乌云开出乌云开出近代物理近代物理的鲜花的鲜花1.1.热辐射热辐射由于分子热运动导致物体辐射由于分子热运动导致物体辐射电磁波电磁波温度不同时温度不同时 辐射的波长分布不同辐射的波长分布不同 例如：铁块例如：铁块 温度温度 从从看不出发光看不出发光到到暗红暗红到到橙色橙色到到黄白色黄白色这种与温度有关这种与温度有关的的辐射辐射 称为称为热辐射热辐射热辐射热辐射 -热能转化为电磁能的过程热能转化为电磁能的过程1 1 黑体辐射和普朗克的能量子假说黑体辐射和普朗克的能量子假说 第一章第一章 波粒

2、二象性波粒二象性温度温度 电磁波的短波成分电磁波的短波成分 1 1 黑体辐射和普朗克的能量子假说黑体辐射和普朗克的能量子假说一一.热辐射及其特点热辐射及其特点1 1 黑体辐射和普朗克的能量子假说黑体辐射和普朗克的能量子假说2.2.对热辐射的初步认识对热辐射的初步认识1 1）任何物体任何温度均存在热辐射）任何物体任何温度均存在热辐射2 2）热辐射谱是连续谱）热辐射谱是连续谱3 3）热辐射谱与温度有关）热辐射谱与温度有关温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波的短波成分电磁波的短波成分 如一个如一个2020瓦的白炽灯和一个瓦的白炽灯和一个200200瓦的白炽灯瓦的白炽灯昏黄色昏黄色贼亮贼亮 刺眼刺眼

3、物体温度升高时的变化物体温度升高时的变化逐渐升温逐渐升温 1)光谱辐射出射度光谱辐射出射度(也称单色辐射本领也称单色辐射本领)3.3.描述热辐射的基本物理量描述热辐射的基本物理量单位时间内从物体单位表面发出的单位时间内从物体单位表面发出的频率在频率在附近单位频率间隔内附近单位频率间隔内的电磁波的能量。的电磁波的能量。单位单位:W/(m:W/(m2 2 Hz)Hz)（单位时间内）（单位时间内）T单位面积单位面积2)总辐出度总辐出度(总辐射本领总辐射本领)单位：单位：w/m2辐射出射度辐射出射度Mv与与T,物质种类，表面情况有关物质种类，表面情况有关或或二、平衡热辐射二、平衡热辐射 物体的温度恒定

4、时物体的温度恒定时物体所吸收的能量等于在同一物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量时间内辐射的能量这时得到的辐射称为这时得到的辐射称为平衡热辐射平衡热辐射讨论讨论 平衡热辐射的规律平衡热辐射的规律 实验表明辐射能力越强的物体，吸收实验表明辐射能力越强的物体，吸收能力也越强能力也越强 三、三、黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律 1.1.研究热辐射的理想模型研究热辐射的理想模型 -黑体黑体 黑体：能黑体：能完全完全吸收吸收各种波长电磁波各种波长电磁波而无反射的而无反射的 18591859年年 基耳霍夫证明：基耳霍夫证明：平衡态时平衡态时 黑体辐射只依赖于物体的温度黑体辐射只依赖于物体的温度

5、与构成黑体的材料与构成黑体的材料 形状无关形状无关 实验和理论均证明：实验和理论均证明：在各种材料中在各种材料中 黑体的光谱辐射度最大且黑体的光谱辐射度最大且只只与温度有关而和材料及表面状态无关与温度有关而和材料及表面状态无关维恩设计的黑体维恩设计的黑体空腔上的小孔空腔上的小孔向向远处观察打开远处观察打开的窗子的窗子近似黑体近似黑体b=2.89775610-3 mK2.黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律1)实验规律一实验规律一 维恩位移定律维恩位移定律或或C =5.8801010 Hz/K =5.67 10-8 W/m2K4 2)实验规律二实验规律二 斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律若视太

6、阳为黑体，测得若视太阳为黑体，测得 估算出太阳表面温度约估算出太阳表面温度约 T表面表面 5000K曲线与横轴围的面曲线与横轴围的面积就是积就是M(T)M黑体全部辐射出射度黑体全部辐射出射度 维恩黑体辐射公式维恩黑体辐射公式瑞利金斯公式瑞利金斯公式维恩公式维恩公式瑞利金斯公式瑞利金斯公式高频符合实验结果高频符合实验结果“紫外灾难紫外灾难”物理学晴朗天空中的一朵乌云物理学晴朗天空中的一朵乌云!三、经典物理学遇到的困难三、经典物理学遇到的困难如何从理论上找到符合实验的如何从理论上找到符合实验的函数式函数式?四、普朗克的能量子假说和黑体辐射公式四、普朗克的能量子假说和黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式普

7、朗克黑体辐射公式1900.10.19 1900.10.19 普朗克在德普朗克在德国物理学会会议上提出一国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式个黑体辐射公式M.Planck M.Planck 德国人德国人 1858185819471947 普朗克公式普朗克公式在在全波段全波段与实验与实验结果惊人符合！结果惊人符合！普朗克假定（普朗克假定（19001900年）：年）：h=6.626075510-34 Js 普朗克常数普朗克常数E=nh n0,1,2,3，谐振子以谐振子以能量子能量子发发射或吸收能量射或吸收能量“量子量子”概念的提出获概念的提出获19181918年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖能量量子

8、化能量量子化 (不连续不连续)!由普朗克公式可导由普朗克公式可导出两条实验定律出两条实验定律v 斯特藩斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律v 维恩位移定律维恩位移定律=5.6710-8 W/m2K4黑体辐射中，光谱辐射出射度最大黑体辐射中，光谱辐射出射度最大的光的频率随温度的变化的光的频率随温度的变化6000K4500K3000K测量高温、遥感和红外测量高温、遥感和红外追踪等的物理基础追踪等的物理基础。红外夜视仪红外夜视仪红外夜视图红外夜视图钢水钢水运动时各部分温度的分布运动时各部分温度的分布 室温下，反射光室温下，反射光 1100K，自身辐射光，自身辐射光一个黑白花盘子的两张照片一个黑白花盘子的两

9、张照片 光电效应是赫兹在光电效应是赫兹在1887年发现的年发现的 1896年汤姆逊发现了电子之后年汤姆逊发现了电子之后勒纳德证明了光电效应中发出的是电子勒纳德证明了光电效应中发出的是电子2 2 光电效应和爱因斯坦的光量子论光电效应和爱因斯坦的光量子论光电效应光电效应:光照射某些金属时能从表面释放出电子的效应光照射某些金属时能从表面释放出电子的效应产生的电子称为产生的电子称为光电子光电子VGOOOOOOBOO照射光照射光.KA光电管光电管一、一、光电效应的实验规律光电效应的实验规律1.饱和电流饱和电流IOU光光 强强 较较 强强光光 强强 较较 弱弱光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线Im饱

10、饱和和电电流流饱和光电流强度饱和光电流强度i im m 入射光强入射光强一、一、光电效应的实验规律光电效应的实验规律2.遏止电压遏止电压UcIOU遏遏止止电电势势差差与入射光的强度无关与入射光的强度无关与入射光的与入射光的频率有关频率有关一、一、光电效应的实验规律光电效应的实验规律3.红限频率红限频率CsCaNa4.06.08.010.0UcVn1014Hz4.02.0U Uc c=K=K -U-U0 0二二.经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难按照光的经典电磁理论：按照光的经典电磁理论：光波的能量分布在波面上，阴极电子积光波的能量分布在波面上，阴极电子积 光波的强度与频率无关，电子吸

11、收的能光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，更不存在量也与频率无关，更不存在截止频率！截止频率！累能量需要一段时间，光电效应累能量需要一段时间，光电效应不可能不可能瞬时发生！瞬时发生！光量子具有光量子具有“整体性整体性”电磁辐射由以光速电磁辐射由以光速c c 运动的局限于空间运动的局限于空间 某一小范围的光量子某一小范围的光量子（光子）（光子）组成组成，E=h 1.1.爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设(1905)(1905)2.2.对光电效应的解释对光电效应的解释逸出功逸出功A A电子逸出金属表面克服阻力所需功电子逸出金属表面克服阻力所需功三三.爱因斯坦的光量子论爱因斯坦的光量

12、子论当当 A/hA/h时，不发生光电效应。时，不发生光电效应。红限频率红限频率光电效应方程光电效应方程光电效应的瞬时性光电效应的瞬时性几种金属的红限及逸出功几种金属的红限及逸出功钯 Pd金 Au汞 Hg钛 Ti铯 Cs12.111.610.99.9248025802750303065201.94.14.54.85.0金金 属属红红 限限逸逸 出出 功功(Hz)(A)c04.8=0（eV)+10140l。光强光强 单位时间打到单位面积上的粒子总能量单位时间打到单位面积上的粒子总能量 I=N h N 粒子流密度粒子流密度一个光子只能整个地被电子吸收一个光子只能整个地被电子吸收 I 光子数光子数N

13、打出光电子多打出光电子多 im 在确定的光强下在确定的光强下 I=N h 打出的最多电子数就是打出的最多电子数就是 N 饱和电流饱和电流1916年密立根实验年密立根实验 h=6.57 10-34 Js证实了爱因斯坦理论证实了爱因斯坦理论4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和光电效应光电效应，特别是通过著名，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验

14、，证明电荷有最小单位。小单位。获得获得19231923年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖。四四.光的波粒二象性光的波粒二象性 近代认为光具有波粒二象性近代认为光具有波粒二象性在有些情况下，光突出显示出波动性；在有些情况下，光突出显示出波动性；而在另一些情况下，则突出显示出粒子性。而在另一些情况下，则突出显示出粒子性。少女？少女？老妇？老妇？两种图像不会同时两种图像不会同时出现在你的视觉中出现在你的视觉中两种两种性质性质虽寓于虽寓于同一体中同一体中 却却不能同时不能同时表现出来表现出来2.2.基本关系式基本关系式粒子性：粒子性：能量能量E E ，动量动量P，质量m波动性：波动性：波长波长 ，频率频

15、率 光子光子描述光的性质的描述光的性质的基本关系式基本关系式例图中所示为在一次光电效应实验中得例图中所示为在一次光电效应实验中得出的曲线出的曲线 （1 1）由图中数据求出普朗克恒量）由图中数据求出普朗克恒量 。（2 2）该金属光电效应的红限频率。）该金属光电效应的红限频率。光电管的阴极用逸出功光电管的阴极用逸出功A=2.2 A=2.2 eVeV的金属制成，的金属制成，今用一单色光照射此光电管，阴极发射出光电今用一单色光照射此光电管，阴极发射出光电子，测得截止电压为子，测得截止电压为5 V5 V，求：，求：（1 1）光电管阴极金属的光电效应红限波长？）光电管阴极金属的光电效应红限波长？（2 2）

16、入射光波长？（普朗克恒量）入射光波长？（普朗克恒量 ）基本电荷基本电荷晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j一、实验规律一、实验规律1922-231922-23年年 康普顿研究了康普顿研究了X X射线在石墨上的散射射线在石墨上的散射 0散射波长散射波长 3.3.康普顿散射康普顿散射 散射中出现散射中出现 0 的现象的现象 称为称为康普顿散射康普顿散射=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj.o（A）0.7000.750波长波长.1.1.除除原原波波长长 0 0外外出出现现了了移移向向长长波波方方面面的的新新的散射波长的散射波长 2

17、.2.新波长新波长 随散射角随散射角的增大而增大的增大而增大准直系统准直系统入射光入射光 0 散射光散射光 探探测测器器石墨石墨散射体散射体二、康普顿的解释二、康普顿的解释 X X射线光子与射线光子与“静止静止”的的“自由电子自由电子”弹性碰撞弹性碰撞 碰撞过程中能量与动量守恒碰撞过程中能量与动量守恒反冲电子反冲电子反冲电子反冲电子 当波长当波长 0 0的射线入射后的射线入射后 使电偶极子使电偶极子受迫振动受迫振动发出散射波的波长在发出散射波的波长在各方各方均是均是 0 0经典散射理论：经典散射理论：波长偏移波长偏移电子的康普顿波长电子的康普顿波长过程讨论过程讨论：光子将一部分能量传给电子，光

18、子将一部分能量传给电子，变小，变小，增加增加 一部分光子波长不变，称为瑞利散射一部分光子波长不变，称为瑞利散射X X射线的康普顿效应明显射线的康普顿效应明显原子序数愈大的散射体原波长的成分愈多原子序数愈大的散射体原波长的成分愈多三三.康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义支持了支持了“光量子光量子”概念概念 进一步证实了进一步证实了首次在实验上证实了爱因斯坦提出的首次在实验上证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量光量子具有动量”的假设的假设证实了证实了在微观的单个碰撞事件中在微观的单个碰撞事件中 动量和能量守恒定律仍然成立动量和能量守恒定律仍然成立康普顿获得康普顿获得19271927年诺贝尔物

19、理学奖年诺贝尔物理学奖P=E/c=h/c=h/=h 康普顿康普顿（A.H.Compton)美国人美国人(1892-1962）康普顿康普顿在做康普顿散射实验在做康普顿散射实验 1925192519261926年年 吴有训用银的吴有训用银的X X射线射线(0 0=5.62nm)=5.62nm)为入射线为入射线 以以1515种轻重不同的元素为散射物质种轻重不同的元素为散射物质四、吴有训对研究康普顿效应的贡献四、吴有训对研究康普顿效应的贡献19231923年年 参加了发现康普顿效应的研究工作参加了发现康普顿效应的研究工作对证实康普顿效应作出了重要贡献对证实康普顿效应作出了重要贡献在同一散射角在同一散射

20、角()测量各种波长的散射光测量各种波长的散射光强度强度 做了大量做了大量 X X 射线散射实验射线散射实验1.与散射物质无关与散射物质无关 仅与散射角有关仅与散射角有关曲线表明曲线表明 轻元素轻元素重元素重元素2.吴有训吴有训的康普的康普顿效应顿效应散射实散射实验曲线验曲线 证实了康普顿效应的普遍性证实了康普顿效应的普遍性 证实了两种散射线的产生机制证实了两种散射线的产生机制 外层电子外层电子(自由电子自由电子)散射散射 0 0内层电子内层电子(整个原子整个原子)散射散射在康普顿的一本著作在康普顿的一本著作“X-Rays in theory and experiment”(1935)中中19处

21、处引用了吴的工作引用了吴的工作 吴有训吴有训 (18971977)意义意义:0例例:波长波长0 00.01nm0.01nm的的X X射线与静止的自由电子碰撞。射线与静止的自由电子碰撞。在与入射方向成在与入射方向成9090角的方向上观察时，散射角的方向上观察时，散射X X射线的射线的波长多大？反冲电子的动能和动量各如何？波长多大？反冲电子的动能和动量各如何？1.1.2.2.3.3.反冲电子获得的最大动能？反冲电子获得的最大动能？光光子子能能量量为为0.5MeV0.5MeV的的X X射射线线，入入射射到到某某种种物物质质上上而而发发生生康康普普顿顿散散射射，若若反反冲冲电电子子的的能能量量为为0.

22、1MeV0.1MeV，则则散散射射光光波波长长的的改改变变量量与与入入射射光光的的波长之比为？波长之比为？一、氢原子光谱实验规律一、氢原子光谱实验规律 n、m：正整数正整数6562.84861.34340.5原原子子光光谱谱是是原原子子内内部部结结构构的的直直接接反反映映，不不同同的的原原子子有有不不同同的的特特征征光谱，定义波数光谱，定义波数任意谱线的波数可以表示为任意谱线的波数可以表示为称为称为Rydberg公式公式，R为为Rydberg恒量恒量，：光谱项光谱项 其中其中 nm(n=m+1，m+2,)m 取不同值时，给出不同光谱系；取不同值时，给出不同光谱系；n 对应于不同谱线对应于不同谱

23、线巴尔末系巴尔末系（Balmer)m=2，可见光可见光 帕邢系帕邢系（Paschen)m=3，红外红外赖曼系赖曼系（Lyman)m=1，紫外光紫外光二、经典原子模型及其困难二、经典原子模型及其困难1.汤姆逊父子的面包夹葡萄干模型（汤姆逊父子的面包夹葡萄干模型（1902-4）-r10-10m整整个个原原子子呈呈胶胶冻冻状状的的球球体体，正正电电荷荷均均匀匀分分布布于于球球体体上上，而而电电子子镶镶嵌嵌在在原原子子球球内内，在在各各自自的的平平衡衡位位置置作作简简谐谐振振动动并发射同频率的电磁波。并发射同频率的电磁波。+-1909年年,卢瑟福卢瑟福(E.Rutherford)的的 粒子散射实验粒子

24、散射实验中发现部分大角度散射事例，中发现部分大角度散射事例，并并又由此提出了原子又由此提出了原子的核结构模型：的核结构模型：2.卢瑟福的卢瑟福的 粒子散射实验和原子的粒子散射实验和原子的核结构模型核结构模型电子绕着原子核转动如同行星绕太阳转动一样满足电子绕着原子核转动如同行星绕太阳转动一样满足开普勒三定律，又称太阳系模型。开普勒三定律，又称太阳系模型。核结构模型很好地解释了核结构模型很好地解释了 粒子散射实验，但却粒子散射实验，但却使经典理论陷入困境：使经典理论陷入困境：（1）原子的稳定性问题）原子的稳定性问题按按照照经经典典电电磁磁理理论论加加速速带带电电粒粒子子一一定定要要辐辐射射电电磁磁

25、波波，使使得得电电子子的的动动能能越越来来越越小小，最最后后电电子子被被吸吸引引到到原原子子核核上上。原原子子是不稳定的。是不稳定的。3.经典原子模型的困难经典原子模型的困难（2）原子光谱的线状光谱问题）原子光谱的线状光谱问题若若电电子子运运动动的的周周期期为为T，发发射射的的电电磁磁波波的的周周期期也也应应该该是是T，电电子子的的周周期期由由于于运运动动半半径径越越来来越越小小是是连连续续变变化化的的，所所以以按按卢卢瑟瑟福福的的的的原原子子模模型型辐射的电磁波应该是连续谱。辐射的电磁波应该是连续谱。1911年年赴赴Cambridge大大学学，在在Cavendish实验室工作实验室工作 19

26、12年年在在Manchester大大学学Rutherford实实验验室室工工作作四四个个月月，参参加加了了“粒粒子子散散射射实实验验”研研究究工工作作1913年年发发表表“原原子子构构造造和和分分子子构构造造”，提提出出他他的的氢氢和类氢原子结构模型和类氢原子结构模型Noels Bohr：1922诺贝尔诺贝尔物理学奖得主物理学奖得主三、三、Bohr 理论理论 n=1，2，3（1）定定态态条条件件：电电子子绕绕核核作作圆圆周周运运动动，但但不不辐辐射射能能量量，是是稳稳定定的的状状态态定定态态。每每一一个个定定态态对对应应于电子的一个能级。于电子的一个能级。（2）频率条件：当原子从某一能量状态）

27、频率条件：当原子从某一能量状态跃迁到另一能量状态产生电磁辐射，跃迁到另一能量状态产生电磁辐射，且电磁波的频率满足条件且电磁波的频率满足条件（3）角动量量子化条件：电子绕核作）角动量量子化条件：电子绕核作圆周运动时角动量是量子化的，圆周运动时角动量是量子化的，取值为取值为1.Bohr 假设：假设：vnEn+e-e mmprn2.氢原子光谱的氢原子光谱的Bohr理论解释理论解释经典理论结合经典理论结合Bohr 理论理论 氢原子的半径和玻尔半径氢原子的半径和玻尔半径Bohr半径半径vnEn+e-e mmprn 氢原子的能量、氢原子的能量、基态能（电离能）基态能（电离能）电子能量电子能量基态能（电离能

28、）基态能（电离能）Rydberg公式：公式：nhnEmE -13.6-3.39-1.51-0.85-0.540En(eV)12354氢原子能级图氢原子能级图赖曼系赖曼系巴尔末系巴尔末系帕邢系帕邢系布喇开系布喇开系普芳德系普芳德系 1)1)成功地揭开了成功地揭开了“巴耳末公式之迷巴耳末公式之迷”2)2)首次打开了人们认识原子结构的大门首次打开了人们认识原子结构的大门 3)3)定态和频率假设在原子结构和分子结构定态和频率假设在原子结构和分子结构 的现代理论中仍是重要概念的现代理论中仍是重要概念 4)4)为量子力学的建立奠定了基础为量子力学的建立奠定了基础 但他的理论是但他的理论是半经典半经典的的

29、仍保留了仍保留了“轨道轨道”概念概念玻尔的贡献玻尔的贡献 能级分立的实验验证能级分立的实验验证 -夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验 1)1)原理原理 利用电子碰撞基态水银原子利用电子碰撞基态水银原子 若原子能量是一份一份的若原子能量是一份一份的(能级能级)则电子损失能量也是一份一份的则电子损失能量也是一份一份的激发态激发态基态基态 2)2)物理图像物理图像若电子动能若电子动能 EKE2-E1 则电子损失则电子损失一部分一部分能量能量 电子将走得慢些电子将走得慢些若电子动能若电子动能 EKE2-E1 则电子可能会则电子可能会 连续损失几个的连续损失几个的E2-E1能量能量3)3)实验装置及实验结果

30、实验装置及实验结果4)4)实验过程实验过程 观察电流变化观察电流变化 如果电流下降如果电流下降 说明电子损失能量说明电子损失能量 所以要所以要单调地升电压单调地升电压 观察全过程观察全过程 中电压在什么中电压在什么值值时电流下降时电流下降(电子损失能量电子损失能量)发现电流下降对应的相邻电压值差为发现电流下降对应的相邻电压值差为4.9V4.9V根据发光的频率条件可知根据发光的频率条件可知水银原子的基态和第水银原子的基态和第1 1激发态的能量差是激发态的能量差是从而证明了能级分立从而证明了能级分立 玻尔理论在人们认识原子结构的进程中有很玻尔理论在人们认识原子结构的进程中有很大的贡献大的贡献-1922年玻尔获诺贝尔物理奖年玻尔获诺贝尔物理奖玻尔正在讲解他的玻尔正在讲解他的互补原理互补原理 玻尔（左）和玻尔（左）和 海森伯（中）海森伯（中）泡利（右）在一起泡利（右）在一起例例 如用能量为如用能量为12.6 eV的电子轰击氢原子，将产的电子轰击氢原子，将产生那些生那些光光谱线？谱线？解：解：可取可取 n=3可能的能级跃迁：可能的能级跃迁：31，32，21