早期量子论讲稿.ppt

关于早期量子论第一页，讲稿共五十一页哦量子力学的诞生与发展量子力学的诞生与发展普朗克普朗克能量子假说能量子假说爱因斯坦爱因斯坦光量子假说光量子假说1918 Nobel Price1921Nobel Price1922Nobel Price康普顿康普顿康普顿效应康普顿效应 量子概念的形成量子概念的形成玻尔玻尔原子结构原子结构1927Nobel Price第二页，讲稿共五十一页哦量子力学的诞生量子力学的诞生海森堡创立量子力学海森堡创立量子力学1932 Nobel Price1933 Nobel Price薛定谔、狄拉克引入量子力学波动方程薛定谔、狄拉克引入量子力学波动方程波恩统计解释波恩统计解释1954 Nobel Price第三页，讲稿共五十一页哦爱因爱因斯坦斯坦朗之朗之万万洛仑洛仑兹兹居里居里夫人夫人普朗普朗克克德德拜拜埃伦埃伦费斯费斯特特布喇布喇格格狄拉狄拉克克薛定薛定谔谔康普康普顿顿泡泡利利海森海森堡堡玻玻尔尔玻玻恩恩1927年第五届索尔维会议（29人中先后获诺奖17人）第四页，讲稿共五十一页哦第第14章章 早期量子论早期量子论第第15章章 量子力学基础量子力学基础第第16章章 半导体和激光简介半导体和激光简介第六篇第六篇 量子物理量子物理第第17章章 原子核物理简介原子核物理简介(重点重点)第五页，讲稿共五十一页哦第六篇第六篇量子物理第第14章章 早期量子论早期量子论第六页，讲稿共五十一页哦第第14章章 早期量子论早期量子论 The early Quantum Theory第第1节节 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子普朗克能量子第第2节节 光电效应光电效应第第3节节 康普顿效应康普顿效应第第4节节 玻尔量子理论玻尔量子理论第七页，讲稿共五十一页哦一、热辐射一、热辐射 1热辐射热辐射 实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波，实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波，这种能量按波长（或频率）的分布随温度而不同的电磁辐射这种能量按波长（或频率）的分布随温度而不同的电磁辐射叫做叫做热辐射热辐射.2单色辐射出射度单色辐射出射度 单位时间内从物体单位表面积发单位时间内从物体单位表面积发出的波长在出的波长在 附近单位波长区间（或频率在附近单位波长区间（或频率在 附近单位频附近单位频率区间）的电磁波的能量率区间）的电磁波的能量 .单色辐射出射度单色辐射出射度 ，单位：，单位：M(T)是辐射体的辐射波长是辐射体的辐射波长 和热力学温度和热力学温度 T 的函数，的函数，且与物体的材料及表面粗糙程度有关且与物体的材料及表面粗糙程度有关第第1节节 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子普朗克能量子Radiation of Black Body Quantum Theory of Planck第八页，讲稿共五十一页哦3.辐射出射度辐射出射度(辐出度辐出度)在单位时间内，在单位时间内，从温度为从温度为T 的物体表面上，的物体表面上，单位面积所单位面积所发射发射的各种波长（或各种频率）的电磁波的能量总和的各种波长（或各种频率）的电磁波的能量总和.单位：单位：实验表明实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.4.黑体黑体 能完全吸收照射到它上能完全吸收照射到它上面的各种波长的电磁辐射而不反面的各种波长的电磁辐射而不反射的物体称为射的物体称为黑体。黑体。2000K1750K1500K第九页，讲稿共五十一页哦理想模型理想模型黑体的辐射黑体的辐射第十页，讲稿共五十一页哦0 1000 20001.00.5 可可见见光光区区3000K3000K6000K6000K1.斯特藩斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律斯特藩斯特藩玻尔兹曼常量玻尔兹曼常量2.维恩位移定律维恩位移定律常量常量峰值波长二、黑体辐射定律二、黑体辐射定律第十一页，讲稿共五十一页哦 例例1 太阳的单色辐出度的峰值波太阳的单色辐出度的峰值波 ，试，试由此估算太阳表面的温度由此估算太阳表面的温度.解：解：由维恩位移定律由维恩位移定律 对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法进行推测进行推测第十二页，讲稿共五十一页哦3.经典物理论的经典物理论的“紫外灾难紫外灾难”（2）瑞利）瑞利-琼斯琼斯 用能量均分定理和电磁理论得出：用能量均分定理和电磁理论得出：T=1646 K只适于长波只适于长波（1）维恩）维恩(Wien)根据经典热力学得出：根据经典热力学得出：短波短波“紫外灾难紫外灾难”只适于短波只适于短波在黑体辐射研究中经典物理面临不可克服的困难在黑体辐射研究中经典物理面临不可克服的困难!实测实测瑞利瑞利-琼斯琼斯维恩理论值维恩理论值第十三页，讲稿共五十一页哦三、普朗克假设三、普朗克假设 普朗克公式普朗克公式1.普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说 =h h=6.626176 10 34 Js 普朗克常数普朗克常数(1)组成黑体腔壁的分子或原子视为带电的线性谐振子组成黑体腔壁的分子或原子视为带电的线性谐振子(2)这些谐振子和空腔中的辐射场相互作用过程中吸收这些谐振子和空腔中的辐射场相互作用过程中吸收 和发射的能量是量子化的，只能取一些分立值：和发射的能量是量子化的，只能取一些分立值：，2，3，n(3)频率为频率为 的谐振子，吸收和发射能量的最小值称的谐振子，吸收和发射能量的最小值称 为能量子简称为能量子简称量子量子 2.普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式在全波段与实验结在全波段与实验结果惊人符合果惊人符合!第十四页，讲稿共五十一页哦第第2节节 光电效应光电效应 Photoelectric Effect一、光电效应实验一、光电效应实验1.实验装置见右图实验装置见右图2.实验规律实验规律(2)饱和光电流强度与入射饱和光电流强度与入射 光强度成正比；光强度成正比；(1)对一定光强，对一定光强，光电流强度光电流强度i 随电压随电压 U 增加；增加；(3)i=0 时时 U=Ua,Ua:遏止电压；遏止电压；VGAK光电流随光电流随U 增加增加第十五页，讲稿共五十一页哦(5)光电子的初动能与光电子的初动能与入射光强度无关，而随入射光入射光强度无关，而随入射光 的频率线性增加。只有当入射光频率的频率线性增加。只有当入射光频率 大于一定大于一定 的频率的频率 0（红限频率）时，才会产生光电效应。（红限频率）时，才会产生光电效应。(4)遏止电压的大小反映光电子初动能的大小遏止电压的大小反映光电子初动能的大小,光电子的最大初动能为：光电子的最大初动能为：(6)光电效应具有瞬时性，光电效应具有瞬时性，响应速度很快响应速度很快,延迟延迟 时间不超过时间不超过10 9 s。相同频率不同入射光强度相同频率不同入射光强度第十六页，讲稿共五十一页哦二、光子二、光子 爱因斯坦光电方程爱因斯坦光电方程 爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论：爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论：一束光，是一束以光速一束光，是一束以光速 运动的粒子流，这些粒子称运动的粒子流，这些粒子称为光量子为光量子(光子光子)。光的能量不是均匀地分布在波阵面上，而。光的能量不是均匀地分布在波阵面上，而是集中在微粒上每个频率为是集中在微粒上每个频率为 的单个光子的能量为：的单个光子的能量为：=h 1.光子光子光量子具有光量子具有“整体性整体性”2.光子假说对光电效应的解释光子假说对光电效应的解释（1）入射光强度越大，光子数越多，光子与电子相互作）入射光强度越大，光子数越多，光子与电子相互作用的数目越多，逸出的光电子数目多用的数目越多，逸出的光电子数目多 饱和光电流与饱和光电流与入射光强度成正比。入射光强度成正比。第十八页，讲稿共五十一页哦（3）当光照射金属时，电子吸收能量是一次性的，当光照射金属时，电子吸收能量是一次性的，不需要能量积累，电子逸出是瞬间，无时间延迟。不需要能量积累，电子逸出是瞬间，无时间延迟。所以当所以当 0 的射线；的射线；(2)散射光波长的改变量散射光波长的改变量 0 随散射角随散射角 的增加而增加；的增加而增加；(3)对同一散射角对同一散射角 ，波长的增加波长的增加 量量 相同，与散射物质无关；相同，与散射物质无关；(4)康普顿散射的强度与散射物康普顿散射的强度与散射物 质有关。原子量小的散射物质有关。原子量小的散射物 质，康普顿散射质，康普顿散射(波强波强)较强，较强，反之康普顿散射反之康普顿散射(波强波强)较弱。较弱。I =0 I =45I =90I =135 0第二十三页，讲稿共五十一页哦二、康普顿散射的理论解释二、康普顿散射的理论解释系统能量守恒：系统能量守恒：系统动量守恒系统动量守恒：其中其中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 由于物质中的外层电子的动能远小于入射光子的动能，碰撞前电子由于物质中的外层电子的动能远小于入射光子的动能，碰撞前电子可以看作是静止的。碰撞过程中，光子的一部分能量传递给电子，能可以看作是静止的。碰撞过程中，光子的一部分能量传递给电子，能量减小，频率减小，因而波长增大。量减小，频率减小，因而波长增大。第二十四页，讲稿共五十一页哦相对论能量和动量关系相对论能量和动量关系（3）将将(3)式代入式代入(1)式得式得（4）将将(2)式平方减去式平方减去(4)式得式得能量守恒变形能量守恒变形（2）应用余弦定理应用余弦定理（1）第二十五页，讲稿共五十一页哦Compton波长波长1 只与散射角只与散射角 有关有关,；康普顿公式康普顿公式 结论：结论：但散射效应的强弱与散射物质有关？但散射效应的强弱与散射物质有关？2 与与入射波长入射波长 0无关；无关；3 与散射物质无关；与散射物质无关；第二十六页，讲稿共五十一页哦1 康普顿散射进一步证实了光具有波粒二象性，康普顿散射进一步证实了光具有波粒二象性，证明了光子能量、动量表示式的正确性。证明了光子能量、动量表示式的正确性。2 另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能另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、动量守恒定律。所以所以X 射线光子与束缚很紧的电子碰撞射线光子与束缚很紧的电子碰撞:光子与内层电子的碰撞可看作是与原子的碰撞。由于光子与内层电子的碰撞可看作是与原子的碰撞。由于原子的质量远大于光子，碰撞过程中光子的能量几乎不原子的质量远大于光子，碰撞过程中光子的能量几乎不变，因而波长保持不变。变，因而波长保持不变。意义：意义：第二十七页，讲稿共五十一页哦光子光子电子电子康普顿效应？康普顿效应？光电效应光电效应？第二十八页，讲稿共五十一页哦康普顿效应与光电效应的异同康普顿效应与光电效应的异同 康普顿效应与光电效应都涉及光子与电子的相互作康普顿效应与光电效应都涉及光子与电子的相互作用。用。在光电效应中，入射光为可见光或紫外线，其光子能在光电效应中，入射光为可见光或紫外线，其光子能量为量为eV数量级数量级,与原子中电子的束缚能相差不远，光子能与原子中电子的束缚能相差不远，光子能量全部交给电子使之逸出，并具有初动能。光电效应证实量全部交给电子使之逸出，并具有初动能。光电效应证实了此过程服从能量守恒定律。了此过程服从能量守恒定律。在康普顿效应中，入射光为在康普顿效应中，入射光为X射线或射线或 射线，光子射线，光子能量为能量为10 eV数量级甚至更高数量级甚至更高,远大于散射物质中电远大于散射物质中电子的束缚能子的束缚能,原子中的外层的电子可视为自由电子，原子中的外层的电子可视为自由电子，光子能量只被自由电子吸收了一部分并发生散射。光子能量只被自由电子吸收了一部分并发生散射。康普顿效应证实了此过程可视为弹性碰撞过程，能康普顿效应证实了此过程可视为弹性碰撞过程，能量、动量均守恒，更有力地证实了光的粒子性。量、动量均守恒，更有力地证实了光的粒子性。4第二十九页，讲稿共五十一页哦 用波长为用波长为 200 nm 的光照射铝（的光照射铝（Al 的的 截止频率截止频率为为 9.031014Hz），能否产生光电效应？能否观察到康普），能否产生光电效应？能否观察到康普顿效应（假定所用的仪器不能分辨出小于入射波长的千顿效应（假定所用的仪器不能分辨出小于入射波长的千分之一的波长偏移）？分之一的波长偏移）？0.00243(nm)时（逆向散射）时（逆向散射）maxmax0.00486(nm)max0.00486 nm 200 nm0.00002430.001观察不到康普顿效应观察不到康普顿效应8310（20010 ）91.510 (Hz)15 可产生光电效应可产生光电效应截止频率截止频率第三十页，讲稿共五十一页哦 例例3 波长为波长为 0.2 nm 的的X射线射到碳块上，由于康普顿散射线射到碳块上，由于康普顿散射射，频率改变，频率改变 0.04。求。求：（1）该光子的散射角；该光子的散射角；（2）反反冲电子的动能。冲电子的动能。解：解：（1）（2）0 0.04%第三十一页，讲稿共五十一页哦 一、氢原子光谱的规律性一、氢原子光谱的规律性光谱特点：光谱特点：1 每一谱线有确定位置每一谱线有确定位置,对应一定波长值对应一定波长值;第第4节节 玻尔量子理论玻尔量子理论 Bohrs Quantum Theory2 两谱线的间距两谱线的间距,即波长差是确定的即波长差是确定的;3 谱线间距的大小沿短波方向递减。谱线间距的大小沿短波方向递减。第三十二页，讲稿共五十一页哦 1885 年年瑞士数学家巴耳末发现氢原子光谱可见光部分的瑞士数学家巴耳末发现氢原子光谱可见光部分的规律规律 1890 年年瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式波数波数 1.巴尔末巴尔末(J.J.Balmer)系及公式系及公式里德伯常量里德伯常量 第三十三页，讲稿共五十一页哦2.广义的巴尔末公式：广义的巴尔末公式：(氢原子光谱的其它线系氢原子光谱的其它线系)原子具有线光谱；原子具有线光谱；实验表明：实验表明：各谱线间具有一定的关系；各谱线间具有一定的关系；每一谱线的波数都可表达为两个光谱项之差。每一谱线的波数都可表达为两个光谱项之差。其中：其中：和和称为光谱项称为光谱项波数波数 当当 k 一定时，由不同的一定时，由不同的 n 构成一个谱线系；不同的构成一个谱线系；不同的 k 构成不同的谱线系。构成不同的谱线系。第三十四页，讲稿共五十一页哦巴耳末系巴耳末系可见光可见光赖赖 曼曼 系系紫外紫外(1914)帕帕 邢邢 系系布喇开系布喇开系普芳德系普芳德系汉弗莱系汉弗莱系红外红外(1908)(1922)(1924)第三十五页，讲稿共五十一页哦二、玻尔的基本假设二、玻尔的基本假设1.原子的有核模型原子的有核模型卢瑟福原子卢瑟福原子 粒子是二次电粒子是二次电离的氦原子。离的氦原子。10 14 m 1911年年卢瑟福提卢瑟福提出了原子的核型出了原子的核型模型：原子中心模型：原子中心是一个带正电的是一个带正电的半径约半径约10 14 m左左右的原子核，集右的原子核，集中了原子大部分中了原子大部分的质量，电子在的质量，电子在闭合轨道上绕核闭合轨道上绕核旋转着。旋转着。第三十六页，讲稿共五十一页哦辐射电磁波辐射电磁波E，r 与实验相矛盾与实验相矛盾?+2.经典模型与光谱规律之间的矛盾经典模型与光谱规律之间的矛盾有核模型原子发出的是连续光谱有核模型原子发出的是连续光谱?电子作变速运动，其能量以电电子作变速运动，其能量以电磁波的形式向外辐射，能量逐渐磁波的形式向外辐射，能量逐渐减少，轨道半径越来越小，电子减少，轨道半径越来越小，电子最终将落到原子核上，而不可能最终将落到原子核上，而不可能稳定绕核运动。稳定绕核运动。第三十七页，讲稿共五十一页哦 1913年年玻尔将普朗克、玻尔将普朗克、爱因斯坦的量子理论推爱因斯坦的量子理论推广到卢瑟福的原子有核广到卢瑟福的原子有核模型中，并结合原子光模型中，并结合原子光谱的实验规律，提出他谱的实验规律，提出他的氢原子理论，奠定了的氢原子理论，奠定了原子结构的量子理论基原子结构的量子理论基础。为此他获得础。为此他获得1922年年诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。第三十八页，讲稿共五十一页哦 玻尔是卢瑟福的学生，在其影响下具有玻尔是卢瑟福的学生，在其影响下具有严谨的科学态度，勤奋好学，平易近人，严谨的科学态度，勤奋好学，平易近人，后来很多的科学家都有纷纷来到他身边工后来很多的科学家都有纷纷来到他身边工作。当有人问他，为什么能吸引那么多科作。当有人问他，为什么能吸引那么多科学家来到他身边工作时，他回答说：学家来到他身边工作时，他回答说：“因因为我不怕在青年面前暴露自已的愚蠢为我不怕在青年面前暴露自已的愚蠢”。这种坦率和实事求是的态度是使当时他领这种坦率和实事求是的态度是使当时他领导的哥本哈根理论研究所永远充满活力，导的哥本哈根理论研究所永远充满活力，兴旺发达的原因。爱因斯坦评价说：兴旺发达的原因。爱因斯坦评价说：“作为一个科学的思想家玻尔具有那么惊人的吸引力；作为一个科学的思想家玻尔具有那么惊人的吸引力；在于他具有大胆和谦逊两种品德难得的结合在于他具有大胆和谦逊两种品德难得的结合”玻尔其人玻尔其人第三十九页，讲稿共五十一页哦广义的巴尔末公式：广义的巴尔末公式：光子的能量光子的能量=能量之差。能量之差。不连续的值不连续的值1913年年 哲学杂志哲学杂志 原子构造与分子构造原子构造与分子构造质疑质疑原子的稳定性问题原子的稳定性问题(模型模型)？原子分立的线状光谱？原子分立的线状光谱？3.原子内部特殊本质的分析原子内部特殊本质的分析第四十页，讲稿共五十一页哦(1)定态假设：定态假设：原子存在着一系列具有确定能量的稳定原子存在着一系列具有确定能量的稳定状态状态(定态定态)，处于定态的原子不辐射能量。，处于定态的原子不辐射能量。原子处于原子处于一系列不连续的稳定态一系列不连续的稳定态:(3)轨道角动量量子化条件轨道角动量量子化条件(2)跃迁假设跃迁假设(频率假设频率假设)：原子从一个定态原子从一个定态(En)跃迁到另一跃迁到另一个定态个定态(Ek)时，会发射或吸收一个频率为时，会发射或吸收一个频率为 的光子，光子频的光子，光子频率：率：电子的轨道角动量为电子的轨道角动量为4.玻尔的基本假设玻尔的基本假设玻尔原子模型玻尔原子模型满足该条件的运动轨道才是稳定的。满足该条件的运动轨道才是稳定的。第四十一页，讲稿共五十一页哦轨道半径是量子化的！轨道半径是量子化的！1.氢原子的轨道半径、轨道速度与轨道能量氢原子的轨道半径、轨道速度与轨道能量电子运动的能量电子运动的能量:三、玻尔对氢原子的成功解释三、玻尔对氢原子的成功解释轨道速度是量子化的！轨道速度是量子化的！轨道能量是量子化的！轨道能量是量子化的！第四十二页，讲稿共五十一页哦2.里德伯常数的理论值里德伯常数的理论值 当原子由较高能级当原子由较高能级En跃迁到较低能级跃迁到较低能级Ek时，会发射时，会发射一个光子，其频率为：一个光子，其频率为：广义的巴尔末公式！广义的巴尔末公式！由此公式计算出由此公式计算出的里德伯常数与的里德伯常数与实验值完全符合实验值完全符合令令得得实验值实验值每一个光谱项都对应一个确定能级每一个光谱项都对应一个确定能级:第四十三页，讲稿共五十一页哦其它可能的轨道其它可能的轨道:第一玻尔轨道半径第一玻尔轨道半径n=1,r1=0.053 nm光谱精细结构常数3.氢原子结构的定量研究氢原子结构的定量研究 原子线度能级与能级图原子线度能级与能级图在在r1的轨道上的速度的轨道上的速度:（1）氢原子中电子运动的速度）氢原子中电子运动的速度电子运动的速度电子运动的速度:第四十四页，讲稿共五十一页哦 电子在半径为电子在半径为rn 的轨道上运动时，原子系统的总能量的轨道上运动时，原子系统的总能量是：是：（第一玻尔轨道）（第一玻尔轨道）激发态激发态基态能量（2）氢原子的能量）氢原子的能量第四十五页，讲稿共五十一页哦345 一个能级将对应一一个能级将对应一条圆轨道条圆轨道!第四十六页，讲稿共五十一页哦（3）能级图）能级图 氢原子能级图氢原子能级图 因能级不连续，所以因能级不连续，所以 不连续。不同的不连续。不同的 对应对应不同的谱线。不同的谱线。赖曼系赖曼系(紫外区紫外区)巴耳末巴耳末(可见光区可见光区)帕邢系帕邢系(红外区红外区)每一横线代表一个每一横线代表一个定态能级值。电子由高定态能级值。电子由高能态跃迁到低能态时产能态跃迁到低能态时产生光子。生光子。第四十七页，讲稿共五十一页哦基态氢原子受到能量为基态氢原子受到能量为E=12.2eV 的电子轰击的电子轰击基态氢原子可能辐射的谱线波长基态氢原子可能辐射的谱线波长(eV)-13.6-3.39-1.51-0.54123458-0.85 基态氢原子吸收基态氢原子吸收 E,从基态从基态 E1 1可可能跃迁至某激发态能跃迁至某激发态 EnE=En E1=E1 nE12=n1+E/E11 3=R(-)1/l1/l3232221321l l3232=6.56410 (m)7可见可见l l2121=1.21610 (m)7=R(-)1/l1/l2121121221紫外紫外l l3131=1.02610 (m)7=R(-)1/l1/l3131121321紫外紫外第四十八页，讲稿共五十一页哦四、玻尔量子理论的局限性玻尔量子理论的局限性（1）成功地解释）成功地解释了原子的稳定性原子的稳定性、大小大小及氢原子光谱及氢原子光谱的规律性。的规律性。（2）为人们）为人们认识微观世界和建立近代量子理论认识微观世界和建立近代量子理论打下了打下了基础。基础。对应原理：对应原理：当量子数当量子数 n 趋于无限大时，量子理论得出的结果与趋于无限大时，量子理论得出的结果与经典理论的结果相一致经典理论的结果相一致.玻尔理论是经典与量子的混合物，它保留了经典的确定性玻尔理论是经典与量子的混合物，它保留了经典的确定性轨道，另一方面又假定量子化条件来限制电子的运动。它轨道，另一方面又假定量子化条件来限制电子的运动。它不能解释稍微复杂的问题，正是这些困难，迎来了物理学不能解释稍微复杂的问题，正是这些困难，迎来了物理学的大革命。的大革命。第四十九页，讲稿共五十一页哦对对立立即即互互补补丹丹麦麦国国王王授授予予玻玻尔尔的的荣荣誉誉勋勋章章第五十页，讲稿共五十一页哦感感谢谢大大家家观观看看第五十一页，讲稿共五十一页哦