量子物理第一章.ppt
量量 子子 物物 理理第一章第一章 波粒二象性波粒二象性第二章第二章 薛定谔方程薛定谔方程第三章第三章 原子中的电子原子中的电子第四章第四章 固体中的电子固体中的电子第五章第五章 粒子物理简介粒子物理简介（Quantum Physics）1第一章第一章 波粒二象性波粒二象性 （Wave-particle duality）1.1黑体辐射黑体辐射1.2光电效应光电效应 1.3光子、光的二象性光子、光的二象性1.4 康普顿效应康普顿效应1.5 实物粒子的波动性实物粒子的波动性*1.6 概率波与概率幅概率波与概率幅*1.7不确定关系不确定关系2提高照明效率提高照明效率研究高温测量研究高温测量测星体表面温度测星体表面温度电磁波谱的研究电磁波谱的研究 1.1黑体辐射黑体辐射（Black-body radiation）“热力学热力学和和光学光学已发展到这样的程度，已发展到这样的程度，以至于以至于它们俩它们俩的结合的结合，能够产生一个婴儿，能够产生一个婴儿，引起物理学的最大革命。引起物理学的最大革命。”德国物理学家德国物理学家劳厄劳厄（Laue）当时评论道：当时评论道：它注定会它注定会 理论上出现了矛盾：理论上出现了矛盾：一一.热辐射理论发展的背景热辐射理论发展的背景 科技发展的需要：科技发展的需要：“紫外灾难紫外灾难”3二二.热辐射的基本概念热辐射的基本概念 1.热辐射热辐射（heat radiation）：但是强度不同。但是强度不同。热辐射强度按波长热辐射强度按波长(频率频率)的分布和温度有关，的分布和温度有关，高温物体发出的是高温物体发出的是紫外光。紫外光。炽热物体发出的是炽热物体发出的是可见光，可见光，低温物体发出的是低温物体发出的是红外光，红外光，温度温度 短波长的电磁波的比例短波长的电磁波的比例 。热辐射波谱是热辐射波谱是连续谱，连续谱，各种波长各种波长(频率频率)都有，都有，4 炼钢的热辐射炼钢的热辐射5 3.光谱辐出度（单色辐出度）光谱辐出度（单色辐出度）M 这种这种温度不变温度不变的热辐射称之为的热辐射称之为平衡热辐射。平衡热辐射。（单位时间内）（单位时间内）T单位面积单位面积2.平衡热辐射平衡热辐射则物体的温度恒定。则物体的温度恒定。加热一物体，加热一物体，若物体所吸收的能量等于在若物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，同一时间内辐射的能量，（monochromatic energy density of radiation）M 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,频频率率在在 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。M 取决于取决于T，物物质种类和表面情况质种类和表面情况64.（总）辐出度（总发射本领）（总）辐出度（总发射本领）M(T)（radiant excitance）单位：单位：w/m2（monochromatic absorptance）5.单色吸收比（率）单色吸收比（率）(T)7电磁波电磁波而无反射的物体，而无反射的物体，2.2.维恩设计的黑体维恩设计的黑体三三.黑体黑体 1.黑体黑体（black body）：太阳光的太阳光的 也小于也小于 99%。黑体是理想化模型，黑体是理想化模型，能能完全完全吸收吸收各种波长各种波长 小孔空腔小孔空腔即使是煤黑、黑珐琅对即使是煤黑、黑珐琅对 电磁波射入小孔后，电磁波射入小孔后，很难再从小孔中射出。很难再从小孔中射出。82 2维恩位移律维恩位移律 m=b/Tb=2.89775610-3 mK3 3理论与实验的对比理论与实验的对比1.1.斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律M(T)=T 4 =5.67 10-8 W/m2K4 经典物理学遇到的困难经典物理学遇到的困难四四.黑体辐射的规律黑体辐射的规律9五五.普朗克的能量子假说和黑体辐射公式普朗克的能量子假说和黑体辐射公式2.2.普朗克假定（普朗克假定（19001900）h=6.626075510-34 Js3.3.普朗克公式普朗克公式经典经典能量能量 =h 在全波段在全波段与实验结果惊人符合与实验结果惊人符合 物体物体-振子振子 经典理论：经典理论：振子的能量取振子的能量取“连续值连续值”物体发射或吸收电磁辐射物体发射或吸收电磁辐射:1 1“振子振子”的概念的概念（19001900年以前年以前)量子量子106.2 6.2 光电效应光电效应一一.光电效应的实验规律光电效应的实验规律1.1.光电效应光电效应光电子光电子:光电效应光电效应:2 2实验装置实验装置光照射某些金属时光照射某些金属时,能从表面释放出电子的效应。能从表面释放出电子的效应。光电效应中光电效应中产生的电子称为产生的电子称为“光电子光电子”。11(1)(1)饱和光电流强度饱和光电流强度 im 与入射光强成正比与入射光强成正比3.3.实验规律实验规律4.0 6.08.0 10.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa(2)(2)U Uc c=K=K -U-U0 0截止电压截止电压光电子的最大初动能为光电子的最大初动能为AeKmm=221v12(3)只有当入射光频率只有当入射光频率 v大于一定的频率大于一定的频率v0时时，才会产生光电效应才会产生光电效应 0 称为称为截止频率截止频率或或红限频率红限频率(4)光电效应是瞬时发生的光电效应是瞬时发生的(驰豫时间不超过驰豫时间不超过1010-9-9s)00=KU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：光波的强度与频率无关光波的强度与频率无关,电电子吸收的能量也子吸收的能量也与频率无关与频率无关,更更不存在截止频率！不存在截止频率！光波的能量分布在波面上光波的能量分布在波面上,阴极电子积阴极电子积累累能量克服能量克服 逸出功逸出功需要一段时间需要一段时间,光电效应光电效应不可能瞬时发生！不可能瞬时发生！三三.光电效应的意义光电效应的意义136.3 光子、光的二象性光子、光的二象性一一.爱因斯坦的光子理论爱因斯坦的光子理论光的发射、传播、吸收都是量子化的。光的发射、传播、吸收都是量子化的。光子能量光子能量（不是（不是nh ）当普朗克还在寻找他的能量子的经典理论的当普朗克还在寻找他的能量子的经典理论的根源时，根源时，爱因斯坦却大大发展了能量子的概念。爱因斯坦却大大发展了能量子的概念。爱因斯坦光量子假设（爱因斯坦光量子假设（1905）：）：电磁辐射由以光速电磁辐射由以光速c c运动的运动的,局限于空间某一局限于空间某一 小范围的小范围的光的能量子单元光的能量子单元（光子）（光子）所所组成，组成，光量子具有光量子具有 “整体性整体性”：14二二.光子理论对光电效应的解释光子理论对光电效应的解释(eUc)(eK )(eU0)A：逸出功逸出功光强光强N：光子数光子数一束光就是以速率一束光就是以速率 c 运动的一束光子流。运动的一束光子流。一个光子将全部能量交给一个电子，一个光子将全部能量交给一个电子，电子克服金属对它的束缚，从金属中逸出。电子克服金属对它的束缚，从金属中逸出。I N 单位时间打出光电子多单位时间打出光电子多 im 光子打出光电子光子打出光电子是瞬时发生的是瞬时发生的15光量子光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！假设解释了光电效应的全部实验规律！但是光量子理论在当时并未被物理学界接受！但是光量子理论在当时并未被物理学界接受！h A 时才能产生光电效应，时才能产生光电效应，所以存在：所以存在：红限频率红限频率普朗克在推荐普朗克在推荐爱因斯坦为柏林科学院院士时说：爱因斯坦为柏林科学院院士时说：“光量子假设可能是走得太远了。光量子假设可能是走得太远了。”不发生光电效应，不发生光电效应，当当 入射波长入射波长 0，和散射物质无关。和散射物质无关。波长的偏移波长的偏移 =0 只与散射角只与散射角 有关，有关，实验规律是：实验规律是：23 康普顿用康普顿用光子理论光子理论做了成功的解释：做了成功的解释：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”弹性碰弹性碰撞撞 碰撞过程中能量与动量守恒碰撞过程中能量与动量守恒二二.康普顿效应的理论解释康普顿效应的理论解释 经典电磁理论难解释为什么有经典电磁理论难解释为什么有 0的散射，的散射，碰碰撞撞光子把部分能量光子把部分能量传给电子传给电子外层电子束缚能外层电子束缚能 eV,室温下室温下 kT10-2eV，），）（波长波长1的的X射线射线，其光子能量，其光子能量 104 eV，e自由电子（静止）自由电子（静止）m0h 光子的能量光子的能量 散射散射X射线射线频率频率 波长波长 24三三.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，进一步证实概念，进一步证实了了 首次实验证实了爱因斯坦提出的首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子光量子 具有动量具有动量”的假设的假设 证实了证实了在微观领域的单个碰撞事件中，在微观领域的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿康普顿获得得1927年年诺贝尔物理学物理学奖。p=/c=h /c=h/=h 25光光(波波)具有粒子性具有粒子性一一.德布罗意假设德布罗意假设 那么实物粒子也应具有波动性。那么实物粒子也应具有波动性。实物粒子具有波动性吗实物粒子具有波动性吗?L.V.de Broglie（法，法，1892 1986）从自然界的对称性出发，认为：从自然界的对称性出发，认为：既然光既然光(波波)具有粒子性具有粒子性1924.11.29德布洛意德布洛意把把题为题为“量子理论的研究量子理论的研究”的博士论文提交巴黎大学。的博士论文提交巴黎大学。6.5 实物粒子的波动性实物粒子的波动性26与粒子相联系的波称为与粒子相联系的波称为物质波物质波或或德布罗意波，德布罗意波，一个能量为一个能量为E、动量为动量为 p 的的实物粒子同时实物粒子同时具有波动性，具有波动性，他在论文中指出：他在论文中指出：关系与光子一样关系与光子一样：它的波长它的波长、频率频率 和和 E、p的的 爱因斯坦爱因斯坦 德布罗意关系式德布罗意关系式 德布罗意波长德布罗意波长（de Broglie wavelength）27 物质波的概念可以成功地解释粒子领域中令物质波的概念可以成功地解释粒子领域中令人困惑的人困惑的轨道量子化条件。轨道量子化条件。r（轨道角动量（轨道角动量 量子化条件）量子化条件）朗之万把德布洛意的文章寄给爱因斯坦，朗之万把德布洛意的文章寄给爱因斯坦，爱因斯坦称赞说：爱因斯坦称赞说：“揭开了自然界巨大帷幕的一角揭开了自然界巨大帷幕的一角”“瞧瞧吧，看来疯狂，可真是要站得住脚呢瞧瞧吧，看来疯狂，可真是要站得住脚呢”稳定轨道稳定轨道波长波长论文获得了评委会的高度评价。论文获得了评委会的高度评价。28U=100V 时，时，=1.225经爱因斯坦的推荐，物质波理论受到了关注。经爱因斯坦的推荐，物质波理论受到了关注。答辩会上，佩林问：答辩会上，佩林问：“这种波怎样用实验耒证实呢？这种波怎样用实验耒证实呢？”德布洛意答道：德布洛意答道：“用电子在晶体上的衍射实验可以做到。用电子在晶体上的衍射实验可以做到。”算算电子的波长：算算电子的波长：设加速电压为设加速电压为U（单位为伏特）单位为伏特）X射线波段射线波段（电子电子v px，此情形下，坐标和动量基本此情形下，坐标和动量基本53德国人德国人Werner Karl Heisenberg1901-1976量子力学的创立量子力学的创立1932年诺贝尔物年诺贝尔物理学奖获得者理学奖获得者 海森伯海森伯第一章结束第一章结束54
