量子力学的诞生课件.ppt

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1、量子力学的诞生1第1页，此课件共38页哦 1.什么是量子力学 研究微观粒子（原子、分子、基本粒子等）运动规律的科学用用STM所做的所做的“量子围栏量子围栏”48个铁原子排个铁原子排列在铜表面列在铜表面证明电子的波证明电子的波动性动性第一章 量子力学的诞生2第2页，此课件共38页哦 2.量子力学与经典力学的关系 1）近代物理学的两大支柱 相对论和量子力学 相对论：狭义相对论：局限于惯性参考系的理论两个基本原理：相对性原理和光速不变原理广义相对论推广到一般参考系和包括引力场在内的理论标志相对论效应的特征量是光速C3第3页，此课件共38页哦 2）物质世界的层次与量子力学 宏观、低速物体（10-6m，

2、布朗颗粒）-牛顿力学 微观物体（原子尺度10-10m=1）-量子力学 介观物体（分子团簇10-710-9m）-量子力学效应明显 纳米技术 标志量子效应的特征量 hPlanck常数 量纲=能量时间=动量长度=角动量4第4页，此课件共38页哦 3.量子力学发展的动力 1）十九世纪末经典物理学的成功 2）经典物理学上空所漂浮的两朵乌云 电动力学中的“以太”问题 物体的比热容 3）旧量子论的形成(冲破经典 量子假说)1900 Planck 振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化5第5页，此课件共38页哦 4）量子力学诞生 1923 de

3、Broglie 电子具有波动性 1926-27 Davisson,G.P.Thomson 电子衍射实验 1925 Heisenberg 矩阵力学 1926 Schroedinger 波动方程 1928 Dirac 相对论波动方程6第6页，此课件共38页哦 5）量子力学的进一步发展 （应用、发展）量子力学原子、分子、原子核、固体 量子电动力学(QED)电磁场 量子场论原子核和粒子 量子化学，量子生物 进一步认识的问题7第7页，此课件共38页哦4.本课程的主要教学内容：量子理论的基本概念量子力学解决问题的基本思路和方法5.研究对象的特点：1)微观：对象线度小,活动范围小 2)粒子除了具有粒子性,还

4、具有明显的波动性 3)粒子的能量,角动量等物理量取值分立 完全脱离了经典物理的模式8第8页，此课件共38页哦 6.为何学习量子力学 1）继续学习的需要 2）近代物理学的支柱 3）现代自然科学的基础9第9页，此课件共38页哦7.如何学好量子力学 1)自觉摆脱经典的束缚 注重实验事实 2)处理好形象与抽象的关系 3)对应关系 新理论是在原有的理论基础上发展起来的，所以在极限情况下可以回到原有的理论，但量子范围内的很多概念找不到经典的对应，是一个全新的领域。10第10页，此课件共38页哦1.1 黑体辐射与Planck能量子假设 1、黑体：在任何温度下能够全部吸收其上的所有频率 的电磁波的物体。维恩设

5、计的黑体维恩设计的黑体-空腔上的小孔空腔上的小孔其理想模型是开有小孔的空腔（见下图）11第11页，此课件共38页哦近似黑体：向远处观察打开的窗子时看不见窗子里的任何东西，可以近似地认为是黑体。为啥研究黑体？1859年基耳霍夫证明：平衡态时黑体辐射只依赖于物体的温度，与构成黑体的材料形状无关。实验和理论均证明：在各种材料中，黑体的光谱辐射度(单位时间内从物体单位表面吸收和发出的电磁波能量)最大.辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强。12第12页，此课件共38页哦两个基本概念：单位体积,频率在 范围内的能量，用 表示。当空腔与内部的辐射场处于 平衡，即腔壁单位面积所发射出的能量 和它所吸收的能量相

6、等时，此时腔内的 场称为平衡辐射场。平衡辐射场：电磁波能量密度：13第13页，此课件共38页哦2、Rayleigh-Jeans公式（1900，1905）在热平衡态下的辐射场被认识以后，人们想知道辐射能量密度与频率之间有什么关系。但非常遗憾的是，上述公式在低频范围与实验结果不符。1896年,W.Wien (Germany,1864-1928)根据热力学理论再加上几个基本假设首先得出了空腔辐射中的一个半经验公式，即14第14页，此课件共38页哦 J.Rayleigh (UK,1842-1919)和 J.H.Jeans (UK,1877-1946)把空腔内的辐射场看作光子气体处理了这个问题（处理方法

7、同热统中的电子气）。光子的自旋量子数为1。自旋在动量方向的投影可取 两个可能值，相当于左、右旋偏振。15第15页，此课件共38页哦代入得频率范围在 内的态密度为将德布罗意关系和光子的能量动量关系 根据热统理论，体积V内，在 动量范围内，光子的量子态数为16第16页，此课件共38页哦 把每个量子态看作一种振动方式，由能量均分定理，每一种振动方式的平均能量为kT，则能量密度为 其中c1和c2是两个参数，且 这就是Rayleigh-Jeans公式。对整个频率范围积分，得全波段的能量密度为 这显然是发散的,与实验尖锐矛盾,关键是高频范围与实验不符，称之为“紫外灾难”17第17页，此课件共38页哦由经典

8、理论导出的公式都与实验结果不符合！物理学晴朗天空中的又一朵乌云物理学晴朗天空中的又一朵乌云!18第18页，此课件共38页哦 为了解决上述问题，物理学家们真是费尽心思。3、Planck假设（1900）1900年，M.Planck (Germany,1858 1947)有机会看到黑体辐射能量密度在红外波段的精密测量结果。19第19页，此课件共38页哦他提出两个基本假设（量子假说）其中 称作一个能量子。由此得到Planck公式(2)电磁振荡的能量是能量子的整数倍，即(1)平衡辐射场由各种频率的电磁驻波组成 20第20页，此课件共38页哦它在全波段范围都与实验相符。而且当 时,低频 （R-J公式）当

9、时,高频 （Wien公式）对Planck公式实验实验瑞利瑞利-琼斯线琼斯线维恩线维恩线T=1646k普朗克线普朗克线21第21页，此课件共38页哦 1900.12.14，在德国的世界物理年会上，Planck提出了谱的能量分布，并发表在“Ann der Physik”上(4,553（1901）)，并获得1918年诺贝尔物理学奖。Planck量子理论的重大意义：首次提出了微观体系能量不连续的概念-量子理论诞生的标志。22第22页，此课件共38页哦1.2 光电效应和Einstein光量子假设 1、光电效应：光照射某些金属时,有电子能从金属表面逸出的现象；产生的电子称为光电子。光电效应是赫兹在1887

10、年发现的；1896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。23第23页，此课件共38页哦VGOOOOOOBOO照射光照射光.KA光电管光电管光电效应实验24第24页，此课件共38页哦那么如何解释光电效应现象？而根据经典电磁理论，光的能量只决定与光的强度而与光的频率无关。光电效应的这些理论是经典理论无法解释的。实验结果：（3）弛豫时间为零（2）光电子能量只与 有关,与光强 无关（1）存在临界频率（最低频率）25第25页，此课件共38页哦2、Einstein光量子假设（1905）Albert Einstein(1879-1955,Germany)假设，电磁辐射是由以光速运动的局

11、限于空间某一小范围的光量子（光子）组成 光量子具有“整体性”：光的发射、传播、吸收都是量子化的，一个光子只能整个地被电子吸收。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。这个规律由下列方程给出：26第26页，此课件共38页哦其中A为逸出功当 A/h 时，不发生光电效应临界频率为光电效应方程：光电效应方程：光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖27第27页，此课件共38页哦 提出光量子假设的意义：v用能量子的概念，Einstein还与P.J.Debye成功 地解释了固体比热容在T=0K时趋于

12、零的现象 （热统中有相关介绍：）。v给出了描述波动的 与描述粒子的 之 间的重要联系 发展：吸收、发射以 微粒形式，传播 cv继承和发展了能量子假设，揭示了光的波粒 二象性继承：能量量子化28第28页，此课件共38页哦3、光的波粒二象性（1）近代认为光具有波粒二象性 一些情况下突出显示波动性 比如有干涉、衍射现象发生 一些情况下突出显示粒子性 比如有光电效应、Compton效应发生 不是经典的波，也不是经典的粒子Compton效应：研究光子与金属中的电子 碰撞时，电子的Compton波长与散射角的 关系（波长随散射角的增加而增大）29第29页，此课件共38页哦（2）基本关系式粒子性：能量 动量

13、P 数量N波动性：波长 频率 振幅E0式中波矢量30第30页，此课件共38页哦（3）波动性和粒子性的统一光作为电磁波是弥散在空间而连续的光作为粒子在空间中是集中而分立的波动性:某处明亮则某处光强大，即 I 大怎样统一?粒子性:某处明亮则某处光子多，即 N 大31第31页，此课件共38页哦光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定I 大，光子出现概率大I 小，光子出现概率小单缝衍射 光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成正比波动性和粒子性统一于概率波理论中光子数 N I E0232第32页，此课件共38页哦3 3 实物粒子的波粒二象性实物粒子的波粒二象性（一）（一）De Broglie De B

14、roglie 关系关系 （二）（二）De Broglie De Broglie 波波 （三）驻波条件（三）驻波条件 （四）（四）De Broglie De Broglie 波的实验验证波的实验验证33第33页，此课件共38页哦（一）De Broglie 关系假定：与一定能量假定：与一定能量假定：与一定能量假定：与一定能量 E E E E 和动量和动量和动量和动量 p p p p 的实物粒子相联系的波（他称之为的实物粒子相联系的波（他称之为的实物粒子相联系的波（他称之为的实物粒子相联系的波（他称之为“物质波物质波物质波物质波”）的频率和波长分别为：）的频率和波长分别为：）的频率和波长分别为：）的

15、频率和波长分别为：E=h E=h =E/h =E/h P=h/P=h/=h/p =h/p 该关系称为该关系称为de.Brogliede.Broglie关系。关系。根据根据Planck-Einstein Planck-Einstein 光量子论，光具有波动粒子二重性，光量子论，光具有波动粒子二重性，以及以及BohrBohr量子论，启发了量子论，启发了de.Brogliede.Broglie，他，他 （1 1）仔细分析了光的微粒说与波动说的发展史；）仔细分析了光的微粒说与波动说的发展史；（2 2）注意到了几何光学与经典力学的相似性，）注意到了几何光学与经典力学的相似性，提出了实物粒子（静质量提出了

16、实物粒子（静质量 m m 不等于不等于 0 0 的粒子）也具有波动性。也就是说，粒子和光一样也具有波动的粒子）也具有波动性。也就是说，粒子和光一样也具有波动-粒子二粒子二重性，二方面必有类似的关系相联系。重性，二方面必有类似的关系相联系。34第34页，此课件共38页哦（二）（二）De Broglie 波波因为自由粒子的能量因为自由粒子的能量 E E 和动量和动量 p p 都是常量，所以由都是常量，所以由De Broglie De Broglie 关系可知，与自由关系可知，与自由粒子联系的波的频率粒子联系的波的频率和波矢和波矢k k（或波长（或波长）都不变，即是一个单色平面波。由力学可知，）都不

17、变，即是一个单色平面波。由力学可知，频率为频率为，波长为，波长为，沿单位矢量，沿单位矢量 n n 方向传播的平面波可表为：方向传播的平面波可表为：写成复数形式写成复数形式这种波就是与自由粒子相联系的单色平面波，或称为描写自由粒子的平面波，这种波就是与自由粒子相联系的单色平面波，或称为描写自由粒子的平面波，这种写成复数形式的波称为这种写成复数形式的波称为 De Broglie De Broglie 波波de Broglie de Broglie 关系：关系：=E/h =E/h =2 =2 E/h=E/E/=h/p =h/p k=1/k=1/=2 /=p/p/35第35页，此课件共38页哦（三）驻

18、波条件（三）驻波条件为了克服为了克服 Bohr Bohr 理论带有人为性质的缺陷，理论带有人为性质的缺陷，de Brogliede Broglie 把原子定态把原子定态与驻波联系起来，即把粒子能量量子化问题和有限空间中驻波的与驻波联系起来，即把粒子能量量子化问题和有限空间中驻波的波长（或频率）的分立性联系起来。波长（或频率）的分立性联系起来。例如：例如：氢原子中作稳定圆周运氢原子中作稳定圆周运动的电子相应的驻波示意图动的电子相应的驻波示意图要求圆周长是要求圆周长是波长的整数倍波长的整数倍于是角动量：于是角动量：de Broglie de Broglie 关系关系r代代入入36第36页，此课件共38页哦de Broglie de Broglie 波在波在19241924年提出后，在年提出后，在1927-19281927-1928年由年由 Davisson Davisson 和和GermerGermer 以及以及 G.P.ThomsonG.P.Thomson 的电子衍射实验所证实。的电子衍射实验所证实。法拉第法拉第园园 筒筒入射电子注入射电子注镍单晶镍单晶（四）实验验证（四）实验验证37第37页，此课件共38页哦作 业38第38页，此课件共38页哦