量子物理-大学物理-教学课件.ppt

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1、1 19001900年年,著名物理学家开尔文在元旦著名物理学家开尔文在元旦献词中的名言：献词中的名言：“在在在在物物物物理理理理学学学学的的的的天天天天空空空空，一一一一切切切切都都都都已已已已明明明明朗朗朗朗洁洁洁洁净净净净了了了了，只只只只剩剩剩剩下下下下两两两两朵朵朵朵乌乌乌乌云云云云，一一一一朵朵朵朵与与与与迈迈迈迈克克克克耳耳耳耳孙孙孙孙-莫莫莫莫雷雷雷雷实实实实验验验验有有有有关关关关，另另另另一一一一朵与黑体辐射有关。朵与黑体辐射有关。朵与黑体辐射有关。朵与黑体辐射有关。”2这两朵乌云是指什么呢？这两朵乌云是指什么呢？黑体辐射实验辐射实验迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验 后来的

2、事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。量子力学的诞生量子力学的诞生相对论问世相对论问世3经典力学经典力学量子力学量子力学相对论相对论微观领域微观领域高速领域高速领域416-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设1、热辐射：、热辐射：由于物体中分子、原子受到由于物体中分子、原子受到热激发热激发而辐射发射电磁波。而辐射发射电磁波。第十六章第十六章 量量 子子 物物 理理 基基 础础一、黑体、黑体辐射一、黑体、黑体辐射2、黑体：、黑体：设想有一种

3、设想有一种物体，能吸收一切外来的物体，能吸收一切外来的电磁辐射。电磁辐射。7单色辐射本领（单色辐射本领（单色辐出度）：单色辐出度）：单位时间、单位表面积上所辐射出单位时间、单位表面积上所辐射出的，单位波长间隔中的能量。的，单位波长间隔中的能量。3、辐出度：、辐出度：单位时间内，从温度为单位时间内，从温度为T的物体的单位的物体的单位表面积上所辐射出的各种波长电磁波的表面积上所辐射出的各种波长电磁波的能量总和。能量总和。8 实验表明实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强越强.此称基尔霍夫此称基尔霍夫“窗户定律窗户定律”。黑体黑体 能完全吸收照射到它上面的各种

4、频率的电磁辐能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体射的物体称为黑体 .（黑体是理想模型）（黑体是理想模型）10黑体的辐射出射度黑体的辐射出射度二、二、斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 维恩位移维恩位移定律定律11太阳辐射光谱分布太阳辐射光谱分布紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线波长范围波长范围(m mm)00.38 0.380.78 0.78占能量占能量(%)7.00 47.29 45.71辐射能量辐射能量(W/m2)95 640 618紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线波长范围波长范围(m mm)00.38 0.78 占能量占能量(%)7.00 辐射能量辐射能量(

5、W/m2)95 640 618(数据来源数据来源:美国国家航空航天局美国国家航空航天局)bTm=l l维恩位移定律应用于工程维恩位移定律应用于工程:辐射高温计辐射高温计13三、三、经典物理遇到的困难：经典物理遇到的困难：瑞利瑞利-琼斯琼斯维恩维恩1、维恩公式：维恩公式：2、瑞利和琼斯公式、瑞利和琼斯公式只适于长波，有所谓的只适于长波，有所谓的“紫外灾难紫外灾难”。实验实验T=1646k1516*振子只能一份一份地按不连续方式辐振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量。射或吸收能量。2、普朗克假设普朗克假设*辐射物体中的分子或原子可看成作谐振动的辐射物体中的分子或原子可看成作谐振动的带电粒子

6、，其能量只能取某最小能量带电粒子，其能量只能取某最小能量 的整数倍。的整数倍。*频率为频率为 的的谐振子的谐振子的最小能量即能量子最小能量即能量子，=h h，h=6.63 10-34焦耳焦耳planck常数常数二十世纪二十世纪1900年即将开始时，柏林的德国物理学会在圣年即将开始时，柏林的德国物理学会在圣诞节晚会上举办了讲演，诞节晚会上举办了讲演，planck谨慎的宣布了这个量子假谨慎的宣布了这个量子假设，作为献给二十世纪的一份珍贵礼物。设，作为献给二十世纪的一份珍贵礼物。18M.V.普朗克普朗克 研究辐射的量子理论，研究辐射的量子理论，发现基本量子，提出发现基本量子，提出 能量量子化的假设能

7、量量子化的假设1918诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖(內插公式）內插公式）193、意义、意义 普朗克能量子假说突破经典能量连续普朗克能量子假说突破经典能量连续分布概念，不仅圆满地解释了绝对黑体的分布概念，不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，还解释了固体的比热问题等等。辐射问题，还解释了固体的比热问题等等。它成为现代理论的重要组成部分。它成为现代理论的重要组成部分。人们称人们称planckplanck为量子之父。为量子之父。20 20002000年年1212月月1414日世界各国隆重纪念量日世界各国隆重纪念量子论创立百年，中国数百名科学家聚会，子论创立百年，中国数百名科学家聚会，周光召、路甬祥、彭

8、桓武、冯端、何祚庥周光召、路甬祥、彭桓武、冯端、何祚庥等作了专题报告。等作了专题报告。普朗克是德国人普朗克是德国人,爱因斯坦也爱因斯坦也是德国人是德国人.1905年年爱爱因斯坦发表了因斯坦发表了5篇论文，从根本上改变了物理学的篇论文，从根本上改变了物理学的面貌，其中面貌，其中论运动物体的电动力学论运动物体的电动力学就是上学期就是上学期介绍的狭义相对论介绍的狭义相对论.另一篇另一篇从光的发射与吸收所从光的发射与吸收所得到的启示得到的启示利用利用普朗克的量子论解释光电效应普朗克的量子论解释光电效应,为为量子力学作了前期铺垫量子力学作了前期铺垫.相对论和相对论和量子力学是现代物量子力学是现代物理学的

9、两大支柱理学的两大支柱.21 19551955年年4 4月月1818日，百年科学巨匠、物理日，百年科学巨匠、物理“至尊至尊”爱因斯坦溘然长逝；爱因斯坦溘然长逝；5050年后的这一天年后的这一天一项最重要的纪念活动一项最重要的纪念活动 全球全球“物理照亮物理照亮世界世界”光束传递光束传递 从从新泽西州普林斯顿新泽西州普林斯顿开开始，然后遍及世界。在这项活动中始，然后遍及世界。在这项活动中,上海崇明上海崇明岛成为岛成为“光传递光传递”中国区首站。中国区首站。在这一在这一“奇迹年奇迹年”100周年和爱因斯坦逝周年和爱因斯坦逝世世50周年之际，周年之际，联合国于联合国于20042004年年6月将月将2

10、0052005年年命名为命名为“世界物理年世界物理年”，这是联合国首次为一这是联合国首次为一个学科确定全球规模的纪念活动，个学科确定全球规模的纪念活动，“光传递光传递”正是此次活动的高潮之一。正是此次活动的高潮之一。22一、一、光电效应的实验规律：光电效应的实验规律：1、饱和光电流与入射光强度成正比。饱和光电流与入射光强度成正比。&饱和光电流强度饱和光电流强度ISISUI0（频率不变）（频率不变）光强强光强强光强弱光强弱UGKA&遏止电压遏止电压242 2、遏止电压与入射光频率有线性关系。遏止电压与入射光频率有线性关系。光电子的最大初动能与入射光的频率呈线光电子的最大初动能与入射光的频率呈线性

11、关系；而与入射光的强度无关。性关系；而与入射光的强度无关。0 0 0 0 0 0CuKCs Ua0254、光电效应具有瞬时性，或说响应速度很光电效应具有瞬时性，或说响应速度很快，快，1010-9-9 秒。秒。3、如果入射光的频率小于某一频率，无、如果入射光的频率小于某一频率，无论光强如何，都不会发生光电效应。这一论光强如何，都不会发生光电效应。这一频率称截止频率（红限）。频率称截止频率（红限）。光的波动说缺陷光的波动说缺陷1 1、初动能与光强是否有关、初动能与光强是否有关2 2、有关红限问题、有关红限问题3、光电效应所需的时间、光电效应所需的时间26&一个频率为一个频率为 的光子具有能量的光子

12、具有能量&能流密度（即光强）：能流密度（即光强）：2、爱因斯坦方程：、爱因斯坦方程：A 称为称为逸出功逸出功，只与金属性质有关。，只与金属性质有关。单位时间、单单位时间、单位面积上接收位面积上接收的光子数的光子数 n n单位时间、通过单位时间、通过单位面积的光能单位面积的光能28例：光电管阴极逸出功例：光电管阴极逸出功A=2.2ev。用一单用一单色光照射，测得遏止电势差：色光照射，测得遏止电势差：求（求（1）阴极红限波长）阴极红限波长.（2 2）入射光波长。入射光波长。解解:（1）（2）29三、光电效应的应用三、光电效应的应用:（1）光电继电器：用于自动控制、计）光电继电器：用于自动控制、计数

13、、报警、跟踪等。数、报警、跟踪等。（2）光电倍增管等）光电倍增管等31光电倍增管光电倍增管光电倍增管原理简介光电倍增管原理简介 光照微弱时常用倍增管使光照微弱时常用倍增管使电流放大电流放大(如电影机如电影机)。倍增管的阴极由倍增管的阴极由银镁合银镁合金金等材料制成，等材料制成，光照时产生光光照时产生光电子电子,电子轰击另一阴极时产生电子轰击另一阴极时产生次级电子次级电子，连同原来电子使光，连同原来电子使光电流放大。电流放大。倍增阴极有很多，光电流倍增阴极有很多，光电流可以增大到可以增大到 倍。倍。321921诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖A 爱因斯坦爱因斯坦 对现代物理方面对现代物理方面的贡献，

14、特别是的贡献，特别是阐明光电效应的阐明光电效应的规律规律(1879-1955)33四、光的波粒二象性四、光的波粒二象性1、光子、光子能量能量2、光子、光子质量质量3、光子动量、光子动量描述光的粒子性的量描述光的粒子性的量（E和和p）与描述光的与描述光的波动性的量（波动性的量（,),)通过通过普朗克常数联系在一普朗克常数联系在一起。起。光既具有波动性，又具有粒子性，即光光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。具有波粒二象性。34五、光子论的实验证明五、光子论的实验证明1、1916年（美）：密立根实验，测得年（美）：密立根实验，测得 h=6.57 10-34 焦耳焦耳秒。秒。2、1923

15、年（美）：康普顿效应年（美）：康普顿效应35一、一、康普顿效应康普顿效应I f f=0o If f=45oI f f=90oI f f=135o 0正常散射正常散射波长变长的散射波长变长的散射称为康普顿散射称为康普顿散射六、康普顿效应六、康普顿效应 X射线射线7.1nm 探测器探测器CA1 A2WBS 石墨晶体石墨晶体 准直系统准直系统 散射角散射角36*波长的增加量波长的增加量 与散射角与散射角 有关。有关。*当散射角当散射角 确定时，波长的增加量确定时，波长的增加量 与与 散射物质的性质无关。散射物质的性质无关。*康普顿散射的强度与散射物质有关。康普顿散射的强度与散射物质有关。原子量小的散

16、射物质，康普顿散射较强，原子量小的散射物质，康普顿散射较强，即正常峰较低。反之相反。即正常峰较低。反之相反。实验结果：实验结果：37二、光子学说对康普顿散射的定性解释二、光子学说对康普顿散射的定性解释1 1、入射光子与、入射光子与外层外层自由电子发生弹性碰自由电子发生弹性碰撞，则光子能量减小，撞，则光子能量减小，2、若光子与原子中束缚很紧的、若光子与原子中束缚很紧的内层内层电子碰电子碰撞，散射时光子能量几乎不变。撞，散射时光子能量几乎不变。3、轻原子中的电子一般束缚较弱，、轻原子中的电子一般束缚较弱，康康 普顿普顿 效应较显著。效应较显著。38系统能量守恒：系统能量守恒：系统动量守恒系统动量守

17、恒：自由自由电子电子m0三、光子学说对康普顿散射的定量解释；三、光子学说对康普顿散射的定量解释；39能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒 康普顿波长康普顿波长该式说明了该式说明了 与散射物质无关。与散射物质无关。康普顿散射进一步证实了光子论，证明了光子能量、康普顿散射进一步证实了光子论，证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒二象性。另动量表示式的正确性，光确实具有波粒二象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。量守恒定律。401927诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖A.H.康普顿康普顿 发现了发现了X射线通过射线通过物质散射

18、时，波长物质散射时，波长发生变化的现象发生变化的现象41例：用例：用 的的X射线和射线和 的可的可见光分别作康普顿实验，当它们的散射角均为见光分别作康普顿实验，当它们的散射角均为 时，求（时，求（1）（2）光子与电子碰撞时损失的能量有多大？）光子与电子碰撞时损失的能量有多大？解：解：X射线：射线：可见光：可见光：42例：波长为例：波长为=1.00=1.00A A的的x射线与自由电子碰撞，射线与自由电子碰撞，散射角散射角f=90f=900 0 ，问：问：(1)波长改变量波长改变量=?=?(2)反冲电子获得的动能？反冲电子获得的动能？(3)光子能量损失光子能量损失 E=?解：解：4316-4 实物

19、粒子的波粒二象性实物粒子的波粒二象性德布罗意：德布罗意：在在量子力学上跨出革命性第一步的人，法国贵量子力学上跨出革命性第一步的人，法国贵族。族。18岁获历史学硕士，其后受其兄莫里斯岁获历史学硕士，其后受其兄莫里斯德德布罗意的影响，布罗意的影响，26岁攻读巴黎大学物理学，岁攻读巴黎大学物理学，31岁岁获博士学位。其博士论文获博士学位。其博士论文量子理论的研究于量子理论的研究于1929年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。对他影响最深的书是科学对他影响最深的书是科学的价值，科学的假设，由其兄与庞加莱等的价值，科学的假设，由其兄与庞加莱等著。著。在他的博士论文中，他在他的博士论文中，他大胆地提出物质波假设大胆

20、地提出物质波假设。59L.V.L.V.德布罗意德布罗意 电子波动性的理论研究电子波动性的理论研究$1929诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 “实物粒子有质量，实物粒子有质量，质量就是能量，质量就是能量，能量含有频率，能量含有频率，频率即为脉动，频率即为脉动，脉动好象光子，脉动好象光子，光子伴有光波，光子伴有光波，必有实物波存在。必有实物波存在。”美美 霍夫曼量子史话霍夫曼量子史话60一、德布罗意假设：德布罗意假设：一个质量为一个质量为m、速度为速度为V的实物粒子，既具的实物粒子，既具有能量有能量E和动量和动量p所描述的所描述的粒子性粒子性，又具有频，又具有频率率 和波长和波长 所描述的所描述的波动

21、性波动性。核外电子：核外电子：v=106m/s,则则 =1,与与x射线相当。射线相当。实物粒子：实物粒子：当当61自由粒子速度较小时：自由粒子速度较小时：电子的德布罗意波长为：电子的德布罗意波长为：例如例如：电子在加速电场：电子在加速电场U加速后：加速后：62例：子弹例：子弹m=10-2 kg，速度速度v=5.0 102m/s ,对应的德布罗意波长：对应的德布罗意波长：太小测不到！太小测不到！若若U150V，电子，电子对应的德布罗意波长：对应的德布罗意波长：电子在电压电子在电压U的加速下：的加速下：63G镍单晶镍单晶集集电电器器二、二、德布德布罗意波罗意波实验证明：实验证明：AU2 1 dIU

22、=500541 1、戴维逊和革末的电子衍射、戴维逊和革末的电子衍射将将 代入代入 64 电子不仅在反射时有衍射现象，电子不仅在反射时有衍射现象，汤姆汤姆逊实验逊实验证明了电子在穿过金属片后也象证明了电子在穿过金属片后也象X 射线一样产生衍射现象。射线一样产生衍射现象。戴维逊和汤姆逊因验证电子的波动戴维逊和汤姆逊因验证电子的波动性分享性分享1937年的物理学诺贝尔奖金。年的物理学诺贝尔奖金。电子的衍射实验证明了德布罗意关系的正确性。电子的衍射实验证明了德布罗意关系的正确性。65 德布德布罗意指出：氢原子中电子的圆轨道运动，罗意指出：氢原子中电子的圆轨道运动，它所对应的物质波形成驻波，圆周长应等于

23、波它所对应的物质波形成驻波，圆周长应等于波长的整数倍。长的整数倍。当当n=1：例、从例、从德布德布罗意波导出玻尔理论中角动量罗意波导出玻尔理论中角动量量子化条件量子化条件66由由德布德布罗意波：罗意波：得出角动量量子化条件：得出角动量量子化条件：n=6电子驻波电子驻波67例：若中子的德布例：若中子的德布罗意波长罗意波长为为1，则它的动则它的动能是多少？（中子的质量能是多少？（中子的质量m=1.67*10-27Kg)解：解：例：若玻尔半径为例：若玻尔半径为r1，则氢原子中第则氢原子中第n轨道轨道的电子的的电子的德布德布罗意波长为多大？罗意波长为多大？解：解：68四、德布罗意波的统计解释：四、德布

24、罗意波的统计解释：在某处德布罗意波的强度是与粒子在该处邻近在某处德布罗意波的强度是与粒子在该处邻近出现的几率成正比。出现的几率成正比。光光电磁波：衍射图样亮处，强度大，电磁波：衍射图样亮处，强度大，光子：某处光的强度大，光子数多。光子：某处光的强度大，光子数多。统计解释：亮处，光子到达的概率大。统计解释：亮处，光子到达的概率大。电子波电子波电子到达屏上的概率不同，衍射图样亮处，电子到达屏上的概率不同，衍射图样亮处，电子到达该处的概率大，波的强度也大。电子到达该处的概率大，波的强度也大。统计解释：统计解释：69电子波长比可见光波长小电子波长比可见光波长小10-310-5数量级，数量级，从而可大大

25、提高电子显微镜的分辨率。从而可大大提高电子显微镜的分辨率。我国已制成我国已制成80万倍的电子显微镜，分辨率为万倍的电子显微镜，分辨率为1.44 ，能分辨大个分子。能分辨大个分子。三、应用：三、应用：1、电子显微镜：电子显微镜：2、扫描隧道显微镜：扫描隧道显微镜：7016-5 不不 确确 定定 关关 系系一、由电子的一、由电子的单缝衍射看不确定关系单缝衍射看不确定关系PxPypapYX电子通过狭缝位电子通过狭缝位置不确定范围：置不确定范围：对于一级衍射对于一级衍射动量沿动量沿x方向的不确定方向的不确定范围：范围：73 表明：表明：对于微观粒子，不可能同时用确对于微观粒子，不可能同时用确定的坐标和

26、确定的动量来描述。定的坐标和确定的动量来描述。因此，因此，由德布罗意公式：由德布罗意公式：考虑到在两个一级极小值之外还有电子出现：考虑到在两个一级极小值之外还有电子出现：此称海森伯不此称海森伯不 确定关系。确定关系。不确定关系不确定关系是实物粒子具有波动性的必然是实物粒子具有波动性的必然反映反映,不是测量技术和主观能力的问题。不是测量技术和主观能力的问题。74例：小球质量例：小球质量m=10-3千克，速度千克，速度V=10-1米米/秒，秒，x=10-6米，则速率的不确定范米，则速率的不确定范围为多大？围为多大？不确定关系对宏观物体来说，实际上不确定关系对宏观物体来说，实际上是不起作用的。是不起

27、作用的。解：解：75例如：一电子具有例如：一电子具有200ms-1的速率，动量的不的速率，动量的不确定范围为动量的确定范围为动量的0.01%，则该电子的位置不，则该电子的位置不确定范围有多大？确定范围有多大？解：解：电子的动量：电子的动量：动量的不确定范围：动量的不确定范围：电子的不确定范围：电子的不确定范围：电子位置的不确定范围甚至比原子的大电子位置的不确定范围甚至比原子的大小还要大几亿倍。小还要大几亿倍。76例：电视显象管中电子的加速电压为例：电视显象管中电子的加速电压为9kV，电子电子枪枪口直径为枪枪口直径为0.1mm，求：出枪口之后电子的横向速度，并加以讨论。求：出枪口之后电子的横向速度，并加以讨论。解：解：电子经电子经9kV加速后的速度为：加速后的速度为：讨论：由于讨论：由于 ，电子的波动性无法观测，图象，电子的波动性无法观测，图象清晰。清晰。77*能量和时间的不确定关系：能量和时间的不确定关系：可解释原子激发态能级宽度可解释原子激发态能级宽度EE和它在激发和它在激发态的平均寿命态的平均寿命 t呈反比。呈反比。设原子在激发态的时间为设原子在激发态的时间为激发态能级的宽度激发态能级的宽度说明原子光谱的谱线必有一定的宽度。说明原子光谱的谱线必有一定的宽度。781、一维自由粒子含时薛定谔方程一维自由粒子含时薛定谔方程自由粒子自由粒子二、二、薛定谔方程薛定谔方程83