早期量子论.ppt

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1、关于早期量子论现在学习的是第1页，共51页量子力学的诞生与发展普朗克能量子假说爱因斯坦光量子假说1918 Nobel Price1921Nobel Price1922Nobel Price康普顿康普顿效应 量子概念的形成玻尔原子结构1927Nobel Price现在学习的是第2页，共51页量子力学的诞生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波恩统计解释1954 Nobel Price现在学习的是第3页，共51页爱因斯坦朗之万洛仑兹居里夫人普朗克德拜埃伦费斯特布喇格狄拉克薛定谔康普顿泡利海森堡玻尔玻恩1927年第五届索

2、尔维会议（29人中先后获诺奖17人）现在学习的是第4页，共51页第14章 早期量子论第15章 量子力学基础第16章 半导体和激光简介第六篇 量子物理第17章 原子核物理简介(重点)现在学习的是第5页，共51页第六篇量子物理第14章 早期量子论现在学习的是第6页，共51页第14章 早期量子论 The early Quantum Theory第1节 黑体辐射 普朗克能量子第2节 光电效应第3节 康普顿效应第4节 玻尔量子理论现在学习的是第7页，共51页一、热辐射 1热辐射 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叫做热辐射.2单色辐射出射度 单

3、位时间内从物体单位表面积发出的波长在 附近单位波长区间（或频率在 附近单位频率区间）的电磁波的能量.单色辐射出射度 ，单位：d)(d)(TMTM 3mW M(T)是辐射体的辐射波长 和热力学温度 T 的函数，且与物体的材料及表面粗糙程度有关第1节 黑体辐射 普朗克能量子Radiation of Black Body Quantum Theory of Planck现在学习的是第8页，共51页3.辐射出射度(辐出度)在单位时间内，从温度为T 的物体表面上，单位面积所发射的各种波长（或各种频率）的电磁波的能量总和.0d)()(TMTM单位：2mW 实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.4

4、.黑体 能完全吸收照射到它上面的各种波长的电磁辐射而不反射的物体称为黑体。),(0TM 2000K1750K1500K现在学习的是第9页，共51页理想模型黑体的辐射现在学习的是第10页，共51页0 1000 20001.00.5 )mW10/()(3140 TM nm/可见光区3000K6000K1.斯特藩玻尔兹曼定律400d)()(TTMTM )K(m/W10670.5428 斯特藩玻尔兹曼常量2.维恩位移定律bT m Km10898.23 b常量峰值波长m二、黑体辐射定律现在学习的是第11页，共51页K 6170K1070.410898.273m bT 例1 太阳的单色辐出度的峰值波 ，试

5、由此估算太阳表面的温度.nm 470m 解：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进行推测现在学习的是第12页，共51页3.经典物理论的“紫外灾难”（2）瑞利-琼斯 用能量均分定理和电磁理论得出：),(0TM T=1646 K只适于长波（1）维恩(Wien)根据经典热力学得出：短波“紫外灾难”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!实测瑞利-琼斯维恩理论值TCCTM 2 510),(e402),(ckTTM 现在学习的是第13页，共51页三、普朗克假设 普朗克公式1.普朗克的能量子假说=h h=6.6261761034 Js 普朗克常数(1)组成黑体腔壁的分

6、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 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 的谐振子，吸收和发射能量的最小值称 为能量子简称量子 112),()/(520 kThchcTM e2.普朗克黑体辐射公式在全波段与实验结果惊人符合!现在学习的是第14页，共51页第2节 光电效应 Photoelectric Effect一、光电效应实验1.实验装置见右图2.实验规律(2)饱和光电流强度与入射 光强度成正比；(1)对一定光强，光电流强度i 随电压 U 增加；(3)i=0 时 U=Ua,Ua:遏止电压；VGAK1I2Iim2ioaU

7、U12II m1i光电流随U 增加现在学习的是第15页，共51页(5)光电子的初动能与入射光强度无关，而随入射光 的频率线性增加。只有当入射光频率大于一定 的频率0（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,光电子的最大初动能为：(6)光电效应具有瞬时性，响应速度很快,延迟 时间不超过109 s。相同频率不同入射光强度1I2Iim2ioaU U12II m1i)(2102maxmaxkUKemEeUa vKU00 现在学习的是第16页，共51页 光波是连续传播的，只要入射光有足够的强度，任何频率的入射光都应产生光电效应。3.经典理论的解释极其困难按照光的经典电

8、磁理论：光电子的最大初动能应决定与入射光的强度而不是频率。光电子需吸收一定的能量才能逸出金属表面，（阴极电子积累能量克服逸出功需要一段时间），光电效应不可能瞬时发生！现在学习的是第17页，共51页二、光子 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：一束光，是一束以光速 运动的粒子流，这些粒子称为光量子(光子)。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 的单个光子的能量为：=h1.光子光量子具有“整体性”2.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，光子与电子相互作用的数目越多，逸出的光电子数目多 饱和光电流与入射光强度成正比。现在学习的是第

9、18页，共51页（3）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。所以当 0 的射线；(2)散射光波长的改变量 0 随散射角 的增加而增加；(3)对同一散射角，波长的增加 量 相同，与散射物质无关；(4)康普顿散射的强度与散射物 质有关。原子量小的散射物 质，康普顿散射(波强)较强，反之康普顿散射(波强)较弱。I=0I=45I=90I=1350现在学习的是第23页，共51页二、康普顿散射的理论解释2200mchcmh vmehehnn 00系统能量守恒：系统动量守恒：220/1cmmv 其中neh h2mcvm0 h00neh )cos1(00 cmhX

10、射线光子与“静止”的“自由电子”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。现在学习的是第24页，共51页202222022)()()(cmmcmEpcE v相对论能量和动量关系（3）cos2022220222022hhhcmcm 将(3)式代入(1)式得（4）)cos1(2)(200200 hhhcm将(2)式平方减去(4)式得 hhcmmc 00能量守恒变形（2）cos2022220222hhhm v应用余弦定理（1）2200mchcmh vmehehnn 00现在学习的是第

11、25页，共51页0 nm 00243.0m1043.2120 cmhC Compton波长1 只与散射角 有关,；2sin2)cos1(2 CC 康普顿公式)cos1(0 cmh2sin220 cmh)cos1(22002000 hchm 结论：但散射效应的强弱与散射物质有关？2 与入射波长0无关；3 与散射物质无关；现在学习的是第26页，共51页1 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。2 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。所以X 射线光子与束缚很紧的电子碰撞:入入散散 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

12、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。意义：现在学习的是第27页，共51页光子电子0 hvm h0m康普顿效应？光电效应？现在学习的是第28页，共51页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用。在光电效应中，入射光为可见光或紫外线，其光子能量为eV数量级,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。光电效应证实了此过程服从能量守恒定律。在康普顿效应中，入射光为X射线或 射线，光子能量为10 eV数量级甚至更高,远大于散射物质中电子的束缚能,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

13、散射。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。4现在学习的是第29页，共51页 用波长为 200 nm 的光照射铝（Al 的 截止频率为 9.031014Hz），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分之一的波长偏移）？0.00243(nm)时（逆向散射）maxmax0.00486(nm)max0.00486 nm 200 nm0.00002430.001观察不到康普顿效应8310（20010 ）91.510 (Hz)15 可产生光电效应截止频率现在学习的是第30页，共51页 例3 波长为 0.2 nm 的

14、X射线射到碳块上，由于康普顿散射，频率改变 0.04。求：（1）该光子的散射角；（2）反冲电子的动能。解：（1）c )(0200 c0%04.0)cos1(C 75.14 9671.0cos （2）202cmmcEk%)04.01(%04.0 200 hcJ 1098.319 000 c0 0.04%20c hhEk 0 000)(hccch c?eV 49.2 现在学习的是第31页，共51页 一、氢原子光谱的规律性光谱特点：1 每一谱线有确定位置,对应一定波长值;第4节 玻尔量子理论 Bohrs Quantum Theory2 两谱线的间距,即波长差是确定的;3 谱线间距的大小沿短波方向递减

15、。现在学习的是第32页，共51页 1885 年瑞士数学家巴耳末发现氢原子光谱可见光部分的规律,5 ,4 ,3,nm25.364222 nnn 1890 年瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式5 ,4 ,3,121122 nnR 波数 1.巴尔末(J.J.Balmer)系及公式里德伯常量 17m100967758.1 R现在学习的是第33页，共51页2.广义的巴尔末公式：(氢原子光谱的其它线系)2,1,3 ,2 ,1 kknk原子具有线光谱；实验表明：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。2kR2nR其中：和称为光谱项 22111nkR 波数 当 k 一定时，由不同的

16、n 构成一个谱线系；不同的 k 构成不同的谱线系。现在学习的是第34页，共51页,4,3,)121(122 nnR 巴耳末系可见光赖 曼 系,3,2,)111(122 nnR 紫外(1914),5,4,)131(122 nnR 帕 邢 系,6,5,)141(122 nnR 布喇开系,7,6,)151(122 nnR 普芳德系,8,7,)161(122 nnR 汉弗莱系红外(1908)(1922)(1924)现在学习的是第35页，共51页二、玻尔的基本假设1.原子的有核模型卢瑟福原子 粒子是二次电离的氦原子。1014 m 1911年卢瑟福提出了原子的核型模型：原子中心是一个带正电的半径约1014

17、 m左右的原子核，集中了原子大部分的质量，电子在闭合轨道上绕核旋转着。现在学习的是第36页，共51页辐射电磁波E，r与实验相矛盾?e+evFree+2.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?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，而不可能稳定绕核运动。现在学习的是第37页，共51页 1913年玻尔将普朗克、爱因斯坦的量子理论推广到卢瑟福的原子有核模型中，并结合原子光谱的实验规律，提出他的氢原子理论，奠定了原子结构的量子理论基础。为此他获得1922年诺贝尔物理学奖。现在学习的是第38页，共51页 玻尔是卢瑟福的学生

18、，在其影响下具有严谨的科学态度，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：“因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：“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”玻尔其人现在学习的是第39页，共51页 2211nkRc 广义的巴尔末公式：22nhcRkhcRh 光子的能量=能量之差。不连续的值1913年 哲学杂志 原子构造与分子构造 22111nkR c 质疑原子的稳定性

19、问题(模型)？原子分立的线状光谱？3.原子内部特殊本质的分析现在学习的是第40页，共51页(1)定态假设：原子存在着一系列具有确定能量的稳定状态(定态)，处于定态的原子不辐射能量。原子处于一系列不连续的稳定态:(3)轨道角动量量子化条件(2)跃迁假设(频率假设)：原子从一个定态(En)跃迁到另一个定态(Ek)时，会发射或吸收一个频率为 的光子，光子频率：nEkE电子的轨道角动量为4.玻尔的基本假设玻尔原子模型 ;,321321EEEEEEEn hEEknkn 2nhnrmL v)2,1,(n满足该条件的运动轨道才是稳定的。现在学习的是第41页，共51页PkEEE 轨道半径是量子化的！1.氢原子

20、的轨道半径、轨道速度与轨道能量电子运动的能量:三、玻尔对氢原子的成功解释,3 ,2 ,1 ,42220 nnmern)4(21022rem v20224rerm v nrmL v,3 ,2 ,1,1402 nnen v轨道速度是量子化的！2220418 nhmeEn 轨道能量是量子化的！re028 现在学习的是第42页，共51页2.里德伯常数的理论值 当原子由较高能级En跃迁到较低能级Ek时，会发射一个光子，其频率为：广义的巴尔末公式！由此公式计算出的里德伯常数与实验值完全符合hEEkn 223204118 nkcchme 令chmeR32048 2211 nkRc 得17m100973731

21、.1 理理R实验值17m100967758.1 实实R 2211 1nkRc 每一个光谱项都对应一个确定能级:hcEnRn 2现在学习的是第43页，共51页其它可能的轨道: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 原子线度能级与能级图在r1的轨道上的速度:（1）氢原子中电子运动的速度,3 ,2 ,1 ,42220 nnmern),9 ,4 ,(,11112rrrrnrn,3 ,2 ,1,1402 nnen v电子运动的速度:13711 cv现在学习的是第44页，共51页 电子在半径为rn 的轨道上运动时，原子系统的总能量是：1 n（第一玻尔轨道）1

22、 n激发态基态能量（2）氢原子的能量(eV)6.138 22041 hmeE(eV)6.132nEn ),16,9 ,4(111EEE)3 ,2 ,1(n2220418 nhmeEn 现在学习的是第45页，共51页 1 n2345 一个能级将对应一条圆轨道!,3,2,1 ,42220 nnmern),9 ,4 ,(,11112rrrrnrn 2220418 nhmeEn (eV)6.132nEn ),9,4 ,(111EEE现在学习的是第46页，共51页（3）能级图1 n5eV 613 2eV 393 氢原子能级图 因能级不连续，所以不连续。不同的 对应不同的谱线。赖曼系(紫外区)巴耳末(可见

23、光区)帕邢系(红外区)每一横线代表一个定态能级值。电子由高能态跃迁到低能态时产生光子。4eV 850 3eV 511 hEEkn 现在学习的是第47页，共51页基态氢原子受到能量为E=12.2eV 的电子轰击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 E,从基态 E1可能跃迁至某激发态 EnE=En E1=E1 nE12=n1+E/E11 3=R(-)1/3222132132=6.56410 (m)7可见21=1.21610 (m)7=R(-)1/21121221紫外31=1.02610 (m)7=R(-)1/31121321紫外现在学习的是第48页，共51页四、玻尔量子理论的局限性（1）成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性。（2）为人们认识微观世界和建立近代量子理论打下了基础。对应原理：当量子数 n 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.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。现在学习的是第49页，共51页对立即互补丹麦国王授予玻尔的荣誉勋章现在学习的是第50页，共51页感谢大家观看现在学习的是第51页，共51页