简明近代物理 (2)精选文档.ppt

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1、简明近代物理本讲稿第一页，共六十五页一、辉煌的物理学大厦一、辉煌的物理学大厦16世纪末伽利略开创用科学方世纪末伽利略开创用科学方法研究物体的运动经开普勒、法研究物体的运动经开普勒、笛卡儿、惠更斯等人的工作，笛卡儿、惠更斯等人的工作，至至1687年牛顿的自然哲学的年牛顿的自然哲学的数学原理问世，牛顿力学体数学原理问世，牛顿力学体系形成。系形成。18世纪以后，力学的发展推广到世纪以后，力学的发展推广到其它领域。经过达郎贝尔、拉格其它领域。经过达郎贝尔、拉格朗日、哈密顿等努力，至朗日、哈密顿等努力，至19世纪世纪初，建立分析力学体系。严谨、初，建立分析力学体系。严谨、完备、自洽的力学体系完全形成。完

2、备、自洽的力学体系完全形成。普郎克的老师不同意他学物理，普郎克的老师不同意他学物理，认为物理学已经终结。认为物理学已经终结。1847年亥姆霍兹论力的守恒年亥姆霍兹论力的守恒：“我们最终发现，所有涉及我们最终发现，所有涉及到的物理学问题都能归结为不变到的物理学问题都能归结为不变的引力和斥力的引力和斥力”、“整个自然界整个自然界的最终目的溶化在力学之中的最终目的溶化在力学之中”。1894年迈克尔逊的演讲指出：年迈克尔逊的演讲指出：“物理学的真理在小数点后第六位物理学的真理在小数点后第六位以后去寻找。以后去寻找。开尔文指出：物理学的大厦已经建开尔文指出：物理学的大厦已经建成，简直是金碧辉煌，谁想动它

3、的成，简直是金碧辉煌，谁想动它的一草一木都非常困难，以后物理学一草一木都非常困难，以后物理学家只能做一点修修补补的工作。家只能做一点修修补补的工作。本讲稿第二页，共六十五页二、世纪之交的三大发现1834年法拉第发现了电解当量定年法拉第发现了电解当量定律，律，1874年斯通尼提出年斯通尼提出“基本电基本电荷荷”的概念，的概念，1890年引入年引入“电子电子（electron)”一词。一词。1858年普吕克发现阴极射线，人年普吕克发现阴极射线，人们对其本质争论了二十多年，推们对其本质争论了二十多年，推动了物理学的发展。动了物理学的发展。1897年年J.J汤姆逊对佩兰实汤姆逊对佩兰实验做了改进，研究

4、阴极射线，验做了改进，研究阴极射线，发现了电子，并测定了电子发现了电子，并测定了电子的荷质比。的荷质比。J.J汤姆逊汤姆逊1856.12.18出生在出生在英国曼彻斯特。英国曼彻斯特。1880年毕业年毕业与剑桥三一学院，并成为研与剑桥三一学院，并成为研究生。究生。1883年任该院讲师，年任该院讲师，第二年接替瑞利任卡文迪许第二年接替瑞利任卡文迪许实验室教授。在他的领导下，实验室教授。在他的领导下，先后有七位获得诺贝尔奖。先后有七位获得诺贝尔奖。并使该实验室成为当时世界并使该实验室成为当时世界上的物理学研究中心。上的物理学研究中心。1881年汤姆逊就指出电微粒年汤姆逊就指出电微粒除力学质量外，还有

5、一个电除力学质量外，还有一个电磁质量。磁质量。1901年考夫曼实验证实了电年考夫曼实验证实了电磁质量的存在。磁质量的存在。电子及电磁质量的发现电子及电磁质量的发现本讲稿第三页，共六十五页X-射线的发现德国维尔兹堡大学校长物理学家伦德国维尔兹堡大学校长物理学家伦琴为了探明阴极射线的性质，重复琴为了探明阴极射线的性质，重复赫兹、勒纳德等人的实验。赫兹、勒纳德等人的实验。1895.11.8日晚，为了防止外界对放日晚，为了防止外界对放电管的影响，也不使管内光外泻，电管的影响，也不使管内光外泻，用黑纸把管包了起来，却以外发现用黑纸把管包了起来，却以外发现一米外的荧光屏发光。他断定这是一米外的荧光屏发光。

6、他断定这是一种新的射线。一种新的射线。为了进一步研究新射线的性质，为了进一步研究新射线的性质，伦琴连续六周吃住在实验室，用伦琴连续六周吃住在实验室，用各种方法反复进行实验。各种方法反复进行实验。12月月22日伦琴夫人来到实验日伦琴夫人来到实验室，伦琴为其拍下了左手照片室，伦琴为其拍下了左手照片1895.12.28日伦琴将论一种新日伦琴将论一种新的射线递交给了维尔兹堡物理的射线递交给了维尔兹堡物理学医学学会，总结了其部分性质：学医学学会，总结了其部分性质：直线传播、不被棱镜反射和折射、直线传播、不被棱镜反射和折射、不被磁场偏转、使照相底片感光，不被磁场偏转、使照相底片感光，能显示盒子里的砝码、猎

7、枪弹膛、能显示盒子里的砝码、猎枪弹膛、人手指骨的轮廓等。人手指骨的轮廓等。1896年元旦伦琴将论文和年元旦伦琴将论文和X射射线照片寄出，线照片寄出，1月月4日在柏林展日在柏林展出，出，1.5日维也纳新闻报报日维也纳新闻报报道，第二天轰动全世界道，第二天轰动全世界本讲稿第四页，共六十五页天然放射性现象的发现贝克勒尔贝克勒尔法法研究研究X射线的来源，射线的来源，他选用硫酸钾铀酰做材料。他选用硫酸钾铀酰做材料。1896.2.24日他向法国科学院报日他向法国科学院报告说：告说：“磷光物质射出能穿透不磷光物质射出能穿透不透光纸的辐射透光纸的辐射”。贝克勒尔报告后继续实验，正巧贝克勒尔报告后继续实验，正巧

8、一连几个阴雨天，他把铀盐和底一连几个阴雨天，他把铀盐和底片一起放进抽屉。片一起放进抽屉。3月月1日，他先日，他先检查质量冲洗后，底片明显感光。检查质量冲洗后，底片明显感光。即使照相底片感光的射线与磷光即使照相底片感光的射线与磷光无任何关系，是铀盐发出的射线。无任何关系，是铀盐发出的射线。此后，又发现只要有铀元素此后，又发现只要有铀元素存在，就有这种射线产生。存在，就有这种射线产生。当时叫当时叫“贝克勒尔贝克勒尔”射线。射线。1897.年年9月，玛丽月，玛丽居里用静电计验居里用静电计验证了贝克勒尔的发现并进行了精密的证了贝克勒尔的发现并进行了精密的测量，发现辐射强度与铀含量成正比。测量，发现辐射

9、强度与铀含量成正比。发现钍也具有类似性质，建议用发现钍也具有类似性质，建议用“放放射性射性”来描述。来描述。1898年年7月，玛丽月，玛丽居里和丈夫皮埃居里和丈夫皮埃尔尔居里在异常简陋的棚屋里，用巧居里在异常简陋的棚屋里，用巧妙的分析方法找到比铀放射性强几百妙的分析方法找到比铀放射性强几百倍的钋。同年倍的钋。同年12月分离出与钡伴存的月分离出与钡伴存的镭。于镭。于1902年年3月提炼出月提炼出0.12克氯化克氯化镭，测定镭的原子量为镭，测定镭的原子量为225，其放射，其放射性比铀强二百万倍。性比铀强二百万倍。镭的发现促进了放射性的研究使元素镭的发现促进了放射性的研究使元素不变观念受到巨大冲击不

10、变观念受到巨大冲击本讲稿第五页，共六十五页三、物理学上空的三、物理学上空的“乌云乌云”1900.4.27开尔文勋爵发表了长开尔文勋爵发表了长篇演说十九世纪热和光的动力篇演说十九世纪热和光的动力理论上空的乌云理论上空的乌云他认为经典物理学是晴空万里，他认为经典物理学是晴空万里，但却从远处飘来两朵乌云。他说：但却从远处飘来两朵乌云。他说：“动力学理论断言热和光都是运动力学理论断言热和光都是运动的方式，这种理论的优美性和动的方式，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。色了。1、地球如何通过本质是光以太、地球如何通过本质是光以太的弹性固体而运动的呢？的弹性固体

11、而运动的呢？2、关于迈克斯韦、关于迈克斯韦-玻尔兹曼能量玻尔兹曼能量均分的学说。均分的学说。对于第一朵乌云开尔文认为：对于第一朵乌云开尔文认为：“无论在实验的设想或实施方面无论在实验的设想或实施方面，我无法看出任何缺陷，我无法看出任何缺陷”。“该该实验的结果可以保证是可靠的实验的结果可以保证是可靠的”。他理智的认识到这个问题的。他理智的认识到这个问题的重要性和解决这一问题的难度。重要性和解决这一问题的难度。他认为：他认为：“恐怕我们还必须把第恐怕我们还必须把第一朵乌云看作是很稠密的一朵乌云看作是很稠密的”对于第二朵乌云，开尔文分析了对于第二朵乌云，开尔文分析了能量均分原理产生的过程、内容能量均

12、分原理产生的过程、内容和遇到的困难。他认为，麦克斯和遇到的困难。他认为，麦克斯韦韦-玻尔兹曼的学说遇到的困难玻尔兹曼的学说遇到的困难是不可克服的。是不可克服的。本讲稿第六页，共六十五页四、经典物理学的危机四、经典物理学的危机三大发现和三大发现和“两朵乌云两朵乌云”都突破了经典物理学的框架，被都突破了经典物理学的框架，被认为认为“永恒真理永恒真理”的经典理论产生了革命性的转变，从而的经典理论产生了革命性的转变，从而引起了人们自然观的巨大变化，对整个自然科学和哲学都引起了人们自然观的巨大变化，对整个自然科学和哲学都发生了深刻的影响。发生了深刻的影响。首先，关于首先，关于“原子不可分、元素不可变原子

13、不可分、元素不可变”的观念受到了的观念受到了冲击打开了一个新的研究领域，使人们看到了前所未知冲击打开了一个新的研究领域，使人们看到了前所未知的微观世界。的微观世界。其次，物质质量和运动毫无联系的传统观念受到冲击，其次，物质质量和运动毫无联系的传统观念受到冲击，使人的认识由底速进入到高速运动的领域。（考夫曼的使人的认识由底速进入到高速运动的领域。（考夫曼的实验证实）实验证实）第三，第三，“以太漂移以太漂移”的的“零结果零结果”和关于热辐射的探和关于热辐射的探索，使经典理论遇到无法解决的矛盾，引起了人们对索，使经典理论遇到无法解决的矛盾，引起了人们对经典物理学基础的怀疑。经典物理学基础的怀疑。本讲

14、稿第七页，共六十五页五、新发现的意义与思想混乱五、新发现的意义与思想混乱系列新发现的意义系列新发现的意义 1、破除了物理学已经达到了、破除了物理学已经达到了“绝绝对真理对真理”的思想，敞开了通往微观的思想，敞开了通往微观高速领域的大门，发现了物理学发高速领域的大门，发现了物理学发展的生长点；展的生长点；2、暴露了经典物理学的局限性，、暴露了经典物理学的局限性，冲击和动摇了一系列基本概念和冲击和动摇了一系列基本概念和基本规律，如质量、能量等，揭基本规律，如质量、能量等，揭开物理学革命序幕。开物理学革命序幕。3、给当时占统治地位的形而上、给当时占统治地位的形而上学机械论以巨大打击，证实和丰学机械论

15、以巨大打击，证实和丰富了辨证唯物主义哲学。富了辨证唯物主义哲学。思想上的混乱思想上的混乱洛伦兹用洛伦兹用11个假设解释个假设解释“以太以太漂移漂移”的零结果，仍不能自圆的零结果，仍不能自圆其说，哀叹道：其说，哀叹道：“在今天，人在今天，人们提出了与昨天完全相反的主们提出了与昨天完全相反的主张，就无所谓真理的标准了，张，就无所谓真理的标准了，我真后悔没有在这些矛盾出现我真后悔没有在这些矛盾出现的五年前死去。的五年前死去。”路路乌尔维格：乌尔维格：“原子非物质化原子非物质化了，物质消失了。了，物质消失了。”“与其说电与其说电的理论，不如说是物质的理论，的理论，不如说是物质的理论，新体系直接用电代替

16、了物质。新体系直接用电代替了物质。”本讲稿第八页，共六十五页1、经典物理学的发展过程、经典物理学的发展过程物理学物理学经典物理经典物理现代物理现代物理力学力学热学热学电磁学电磁学光学光学相对论相对论量子论量子论非线性非线性第二十四章第二十四章量子力学的起源量子力学的起源本讲稿第九页，共六十五页2、近年来的发展、近年来的发展粒子物理：粒子物理：量子电动力学、重整化方法量子电动力学、重整化方法天体物理天体物理：太阳中微子短缺问题太阳中微子短缺问题引力波存在的问题引力波存在的问题物体的速度能否超过光速物体的速度能否超过光速的问题的问题生物物理生物物理有机体遗传程序的研究（须有机体遗传程序的研究（须运

17、用量子力学、统计物理、运用量子力学、统计物理、X射线、电子能谱射线、电子能谱 和核磁共和核磁共振振技术等）。技术等）。非平衡热力学及统计物理非平衡热力学及统计物理3、物理学发展的趋向、物理学发展的趋向学科之间的大综合学科之间的大综合相互渗透结合成边缘学科相互渗透结合成边缘学科4、从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题1887年的迈克耳孙年的迈克耳孙莫雷实验否定了绝对参考系的存在；莫雷实验否定了绝对参考系的存在；1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所谓年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所谓“紫外灾难紫

18、外灾难”；1896年贝克勒尔发现放射性现象，说明原子不是物质的基本单元，原子是可分的。年贝克勒尔发现放射性现象，说明原子不是物质的基本单元，原子是可分的。原子是构成物质的基本单原子是构成物质的基本单元；元；能量是连续变化的。能量是连续变化的。本讲稿第十页，共六十五页24-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假说普朗克能量子假说1、热辐射、热辐射热辐射现象：热辐射现象：任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与温度有关，电磁波能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与温度有关，故称为故称为热辐射热辐射。热平衡现象：热平衡

19、现象：辐射和吸收的能量恰辐射和吸收的能量恰相等时称为相等时称为热平衡热平衡。此时温度恒定不。此时温度恒定不变。变。2、黑体、黑体定义：定义：如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝对黑体绝对黑体，简称简称黑体黑体。说明：说明：(1)黑体是个理想化的模型。黑体是个理想化的模型。(2)对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。一、黑体、黑体辐射一、黑体、黑体辐射本讲稿第十一页，共六十五页3、与热辐射有关的物理量、与热辐射有关

20、的物理量单色辐出度单色辐出度从热力学温度为从热力学温度为T 的黑体的单位面积上、单位时间内、在单的黑体的单位面积上、单位时间内、在单位波长范围内所辐射的电磁波能量，称为单色辐射出射度，位波长范围内所辐射的电磁波能量，称为单色辐射出射度，简称简称单色辐出度，单色辐出度，用用E(T T)表示表示。辐射出射度辐射出射度在单位时间内，从热力学温度为在单位时间内，从热力学温度为T的黑体的单位面积上、所的黑体的单位面积上、所辐射的各种波长范围的电磁波的能量总和，称为辐射的各种波长范围的电磁波的能量总和，称为辐射出射度辐射出射度，简称简称辐出度辐出度。本讲稿第十二页，共六十五页1、测量黑体辐射的实验原理图、

21、测量黑体辐射的实验原理图2、斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律黑体的辐出度与黑体的热力学温度黑体的辐出度与黑体的热力学温度的四次方成正比，这就是的四次方成正比，这就是斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律。玻耳兹曼定律。s s=5.6710-8W m-2 K-4为为斯特藩斯特藩-玻耳兹曼玻耳兹曼常量常量3、维恩位移定律、维恩位移定律当黑体的热力学温度升高时，与当黑体的热力学温度升高时，与单色辐出度峰值相对应的波长单色辐出度峰值相对应的波长 m 向短波方向移动，这就是向短波方向移动，这就是维恩维恩位移定律位移定律。二、斯特藩二、斯特藩-玻耳兹曼定律、维恩位移定律玻耳兹曼定律、维恩位移定律本讲稿第十三页，

22、共六十五页1、目的：、目的：探求单色辐出度的数学表达式探求单色辐出度的数学表达式2、瑞利、瑞利金斯公式金斯公式利用能量均分定理和电磁理论得利用能量均分定理和电磁理论得出：出：实验实验瑞利瑞利-金斯金斯T=1646k3、经典物理的困难、经典物理的困难在低频（长波）部分与实验曲线相符合，在高频（短波）则完全不能在低频（长波）部分与实验曲线相符合，在高频（短波）则完全不能适用。适用。在高频部分，黑体辐射的单色辐出度将随着频率的增高而趋于在高频部分，黑体辐射的单色辐出度将随着频率的增高而趋于“无限大无限大”“紫外灾难紫外灾难”。三、瑞利三、瑞利金斯公式、经典物理学的困难金斯公式、经典物理学的困难本讲稿

23、第十四页，共六十五页普朗克普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,18581947)德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，1900年年12月月24日他在德国物理学会上，宣读日他在德国物理学会上，宣读了以关于正常光谱中能量分布定律的理论了以关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文，提出了能量的量子化假设，为题的论文，提出了能量的量子化假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了

24、经典理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为“量子论的诞生日量子论的诞生日”。1918年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。尔奖金。四、普郎克假说四、普郎克假说本讲稿第十五页，共六十五页1、普朗克假说普朗克假说谐振子的能量可取值只能是某一最小能量单元谐振子的能量可取值只能是某一最小能量单元 的整数倍，即：的整数倍，即：E=n,n=1,2,3,.叫能量子，简称量子，叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数为量子数，它只取正整数能量量能量量子化。子化。对于频率为对于频率为n n

25、的谐振子，最小能量为：的谐振子，最小能量为：=hn n 其中其中h=6.626 10-34 Js为普郎克常数为普郎克常数结论：谐振子吸收或辐射的能量只能是结论：谐振子吸收或辐射的能量只能是=hn n的整数倍。的整数倍。2、普朗克公式普朗克公式本讲稿第十六页，共六十五页实验实验瑞利瑞利-琼斯琼斯T=1646k瑞利瑞利-金斯金斯普朗克理论值普朗克理论值3、说明说明普朗克假说不仅圆满地解释了绝普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，还解释了固对黑体的辐射问题，还解释了固体的比热问题等。它成为现代理体的比热问题等。它成为现代理论的重要组成部分。论的重要组成部分。从普朗克公式可导出从普朗克公式可导

26、出斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律，维恩公式，维恩公式，瑞瑞利利金斯公式金斯公式维恩位移定律维恩位移定律斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律维恩公式维恩公式瑞利瑞利金斯公式金斯公式本讲稿第十七页，共六十五页4、普朗克假说普朗克假说意义意义普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧观点，普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧观点，提出了能量子、提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点观点。这不仅。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局

27、面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础为量子力学的诞生奠定了基础。测量温度：测量温度：通过测量星体的谱线分布来确定其热力学温度通过测量星体的谱线分布来确定其热力学温度热象图：热象图：通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确定物通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确定物体表面的温度分布；体表面的温度分布；3K背景辐射：背景辐射：对来自外界空间的辐射，可用对来自外界空间的辐射，可用wein位移公式来估算位移公式来估算消失线高温计：消失线高温计：测量炉温测量炉温五、黑体辐射的应用五、黑

28、体辐射的应用本讲稿第十八页，共六十五页24-2 光电效应光电效应 光的波粒二象性光的波粒二象性1、光电效应的基本概念光电效应的基本概念当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫光电效应光电效应，所，所逸出的电子叫逸出的电子叫光电子光电子，由光电子形成的电流叫，由光电子形成的电流叫光电流光电流，使电子逸出某种，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的金属表面所需的功称为该种金属的逸出功逸出功。2、实验装置实验装置单色光通过石英窗照射金属板单色光通过石英窗照射金属板阴极上有光电子产生。阴极上有光电子产生。UGKA如将如将K接正极、接正极、A接负

29、极，则光电子离开接负极，则光电子离开K后，后，将受到电场的阻碍作用。当将受到电场的阻碍作用。当K、A之间的反向之间的反向电势差等于电势差等于U0时，从时，从K逸出的动能最大的电子刚逸出的动能最大的电子刚好不能到达好不能到达A，电路中没有电流，电路中没有电流，U0叫叫遏止电压遏止电压。一、实验规律一、实验规律本讲稿第十九页，共六十五页3、实验现象、实验现象(2)存在截止频率：存在截止频率：对某一种金属来说，只有当入射对某一种金属来说，只有当入射光的频率大于某一频率光的频率大于某一频率n n0时，电子才能从金属表面时，电子才能从金属表面逸出，电路中才有光电流，这个频率逸出，电路中才有光电流，这个频

30、率n n0叫做截止频叫做截止频率率红限红限.(3)线性性：线性性：用不同频率的光照射金属用不同频率的光照射金属K的表面时，的表面时，只要入射光的频率大于截止频率，遏止电势差与入射只要入射光的频率大于截止频率，遏止电势差与入射光频率具有线性关系。光频率具有线性关系。红限频率红限频率(1)饱和光电流：饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比。饱和光电流强度与入射光强度成正比。U0312UIIS0NaCaO2.01.06.08.010.00102|US|本讲稿第二十页，共六十五页(1)经典认为经典认为光强越大，饱和电流应该大，光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动能也该光电子的初动能也该大。但实

31、验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。光电子初动能也与频率有关。4、经典理论的困难、经典理论的困难(2)只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为有无于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为有无光电效应不应与频率有关。光电效应不应与频率有关。(3)瞬时性。瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。需能量的积累过程。(4)瞬时性：瞬时性：

32、无论入射光的强度如何，只要其频率大于截无论入射光的强度如何，只要其频率大于截止频率，则当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电止频率，则当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电流逸出（延迟时间不超过流逸出（延迟时间不超过10-9s）本讲稿第二十一页，共六十五页1、爱因斯坦光子假说、爱因斯坦光子假说1905年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为光束可年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为光束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子流叫做以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子流叫做光量子光量子，简，简称称光子光子。在真空中，光子以光速。在真空中，光子以光速c 运动。一个频率为运动。一个频率为n n

33、的光子具的光子具有能量有能量e=e=hn n2、光电效应的爱因斯坦方程、光电效应的爱因斯坦方程3、光电效应解释、光电效应解释(1)饱和光电流强度与光强成正比饱和光电流强度与光强成正比：对于给定频率的光束来说，光的强度越大，表示光子的数对于给定频率的光束来说，光的强度越大，表示光子的数目越多，光电子越多，光电流越大。目越多，光电子越多，光电流越大。二、爱因斯坦光子理论二、爱因斯坦光子理论本讲稿第二十二页，共六十五页(2)红限频率的存在红限频率的存在：当入射光频率低于红限频率当入射光频率低于红限频率n n0，hn nW/h），以致每个光子的能量足够大，电子才），以致每个光子的能量足够大，电子才能克

34、服逸出功而逸出金属表面。所以红限频率能克服逸出功而逸出金属表面。所以红限频率n n=W/h；(3)截止电压与频率成线性关系截止电压与频率成线性关系(4)光电效应的瞬时性光电效应的瞬时性：当电子一次性地吸收了一个光子后，当电子一次性地吸收了一个光子后，便获得了便获得了 hn n 的能量而立刻从金属的能量而立刻从金属表面逸出，没有明显的时间滞后。表面逸出，没有明显的时间滞后。本讲稿第二十三页，共六十五页密立根密立根1916年的实验，证实了光子论的正确性，并求得年的实验，证实了光子论的正确性，并求得h=6.57 10-34 焦耳焦耳秒。光的波动性（秒。光的波动性（p）和粒子性（）和粒子性（）是通过普

35、朗克常数联系在一起的。是通过普朗克常数联系在一起的。相对论质能关系：相对论质能关系：光子的质量：光子的质量：其中其中：光子的动量：光子的动量：光既具有粒子性，又具有波动性，即具有波粒二象性光既具有粒子性，又具有波动性，即具有波粒二象性四、光的波粒二象性四、光的波粒二象性本讲稿第二十四页，共六十五页24-3 康普顿效应康普顿效应一、康普顿效应一、康普顿效应1、康普顿散射、康普顿散射康单色康单色X射线被物质散射时，散射线中除了有波长与入射线射线被物质散射时，散射线中除了有波长与入射线相同的成分外，还有波长较长的成分，这种波长变长的散射相同的成分外，还有波长较长的成分，这种波长变长的散射称为称为康普

36、顿散射康普顿散射或或康普顿效应康普顿效应。2、实验装置、实验装置X光管发出一定波长的光管发出一定波长的X射线，通过光阑后成为射线，通过光阑后成为一束狭窄的一束狭窄的X射线，投射射线，投射到散射物质上，用摄谱到散射物质上，用摄谱仪可以测不同方向上散仪可以测不同方向上散射光波长及相对强度。射光波长及相对强度。AB1B2CDGR本讲稿第二十五页，共六十五页3、实验现象、实验现象I =0o I=45oI =90oI =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对一定的散射角对一定的散射角 ，既有与入射线相同的波，既有与入射线相同的波长长 ，又有比入射光线更长的

37、波长，又有比入射光线更长的波长 ，而，而且且=-随角随角 的增加而增大，但与的增加而增大，但与X射线的波长射线的波长 和散射物质无关。和散射物质无关。4、经典物理学的困难：、经典物理学的困难：经典电磁理论只能说明有正常散射存经典电磁理论只能说明有正常散射存在，即散射光的频率与入射光频率相在，即散射光的频率与入射光频率相等；而无法解释等；而无法解释 的存在及其所存在的的存在及其所存在的康普顿效应的实验规律。康普顿效应的实验规律。本讲稿第二十六页，共六十五页1、定性解释、定性解释二、康普顿效应的解释二、康普顿效应的解释康普顿康普顿效应是效应是X射线单光子与物质中受原子核束缚较弱的电子相射线单光子与

38、物质中受原子核束缚较弱的电子相互作用的结果。互作用的结果。假设在碰撞过程中，动量与能量都是守恒的，假设在碰撞过程中，动量与能量都是守恒的，电子带走一部分能量与动量，因而散射出去的光量子的能量与电子带走一部分能量与动量，因而散射出去的光量子的能量与动量都相应地减小，即动量都相应地减小，即X射线的波长变长。射线的波长变长。2、定量计算、定量计算入射光子入射光子散射的光子散射的光子外层电子外层电子本讲稿第二十七页，共六十五页光子0电子碰撞前光子）电子碰撞后光子：光子：电子：电子：碰碰 撞撞 前前光子：光子：电子：电子：碰碰 撞撞 后后本讲稿第二十八页，共六十五页康普顿散射进一步证实了光子论康普顿散射

39、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，光确实具有波粒两象性证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒两象性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。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。波长的改变与散射物质无关，仅取决于散射角，而且关系式中包含了普波长的改变与散射物质无关，仅取决于散射角，而且关系式中包含了普朗克常量，因此它是经典物理学无法解释的。朗克常量，因此它是经典物理学无法解释的。对于可见光，微波等，散射现象不明显对于可见光，微波等，散射现象不明显X光光 散射现象明显散射现象明显 =0时，波长不变；时，波长不变；增加时，波长变长；增加时

40、，波长变长；=p p时，时，最大。最大。三、康普顿效应的物理意义三、康普顿效应的物理意义本讲稿第二十九页，共六十五页引言：引言：1 1、量子论、量子论1900年，普朗克引入能量子的概念，解释了黑体辐射的规年，普朗克引入能量子的概念，解释了黑体辐射的规律，为量子理论奠定了基础；律，为量子理论奠定了基础；1905年，爱因斯坦提出光量子学说，说明了光电效应的实验规年，爱因斯坦提出光量子学说，说明了光电效应的实验规律，为量子理论的发展开创了新的局面；律，为量子理论的发展开创了新的局面；19201926年，康普顿效应的发现、以及理论分析和实验结果年，康普顿效应的发现、以及理论分析和实验结果的一致，有力地

41、证明了光子学说的正确性。的一致，有力地证明了光子学说的正确性。2 2、光谱学、光谱学19世纪世纪80年代，光谱学的发展，使人们意识到光谱规律实质年代，光谱学的发展，使人们意识到光谱规律实质是显示了原子内在的机理。是显示了原子内在的机理。3 3、电子的发现、电子的发现1897年，年，J.J.汤姆孙发现了电子，促使人们探索原子的结构。汤姆孙发现了电子，促使人们探索原子的结构。为运用量子理论研究原子结构提供的坚实的理论和实验基础。为运用量子理论研究原子结构提供的坚实的理论和实验基础。24-4 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论本讲稿第三十页，共六十五页玻尔（玻尔（Niels henrik David

42、Bohr，1885-1962）在在1913年发表了论原子结构与分子结构等三篇年发表了论原子结构与分子结构等三篇论文，提出了在卢瑟福原子有核模型基础上的关于论文，提出了在卢瑟福原子有核模型基础上的关于原子稳定性和量子跃迁的三条假设，从而圆满地解原子稳定性和量子跃迁的三条假设，从而圆满地解释了氢原子的光谱规律。释了氢原子的光谱规律。玻尔的成功，使量子理论取得重大发展，推动了量子物理玻尔的成功，使量子理论取得重大发展，推动了量子物理的形成，具有划时代的意义。的形成，具有划时代的意义。玻尔于玻尔于1922年年12月月10日诺贝尔诞生日诺贝尔诞生100周年之际，在瑞周年之际，在瑞典首都接受了当年的诺贝尔

43、物理学奖金。典首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。1937年，他来中国作学术访问，表达了对中国人民的友好年，他来中国作学术访问，表达了对中国人民的友好情谊。情谊。丹麦理论物理学丹麦理论物理学家，现代物理学家，现代物理学的创始人之一。的创始人之一。本讲稿第三十一页，共六十五页 氢氢原子的玻尔理论原子的玻尔理论定态假说：定态假说：电子在原子中，可以在一些特定的圆轨道上运动，而不辐电子在原子中，可以在一些特定的圆轨道上运动，而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态（定态）并具有一定的能量。射电磁波，这时原子处于稳定状态（定态）并具有一定的能量。其中其中n=1,2,3,.称为称为主量子数主量子数量子化条件：

44、量子化条件：电子以速度电子以速度v在半径为在半径为r的圆周上绕核运动时，只的电的圆周上绕核运动时，只的电子角动量子角动量L等于等于h/(2p p)的整数倍的那些轨道才是稳定的的整数倍的那些轨道才是稳定的玻尔的基本假设玻尔的基本假设跃迁假设：跃迁假设：当原子从高能量的定态跃迁到低能量的定态，即电子从高当原子从高能量的定态跃迁到低能量的定态，即电子从高能量能量Ei的轨道跃迁到低能量的轨道跃迁到低能量Ef的轨道上时，要发射能量为的轨道上时，要发射能量为hn n 的光子：的光子：卢瑟福的原子核模型卢瑟福的原子核模型氢原子光谱的巴尔末公式氢原子光谱的巴尔末公式普朗克能量子概念普朗克能量子概念本讲稿第三十

45、二页，共六十五页第二十五章第二十五章量子力学基础25251 1 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性25-2不确定关系（测不准原理）不确定关系（测不准原理）本讲稿第三十三页，共六十五页251 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性德布罗意德布罗意(Louis Victor due de Broglie,1892-1960)德布罗意原来学习历史，后来改学理论德布罗意原来学习历史，后来改学理论物理学。他善于用历史的观点，用对比的方物理学。他善于用历史的观点，用对比的方法分析问题。法分析问题。1923年，德布罗意试图把粒子性和波动年，德布罗意试图把粒子性和波动性统一

46、起来。性统一起来。1924年，在博士论文关于量年，在博士论文关于量子理论的研究中提出德布罗意波子理论的研究中提出德布罗意波,同时提出同时提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。用电子在晶体上作衍射实验的想法。爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义，誉之为重大意义，誉之为“揭开一幅大幕的一角揭开一幅大幕的一角”。法国物理学家，法国物理学家，1929年诺年诺贝尔物理学奖获得者，波贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。学的奠基人之一。本讲稿第三十四页，共六十五页一、德布罗意假设一、德布罗意假设一个质量为一个质量为m的实物粒

47、子以速率的实物粒子以速率v 运动时，即具有以能量运动时，即具有以能量E和动量和动量P所描述的粒子性，也具有以频率所描述的粒子性，也具有以频率n n和波长和波长l l所描述的波动性所描述的波动性。这种波称为德布罗意这种波称为德布罗意波，也叫物质波。波，也叫物质波。德布罗意德布罗意公式公式如速度如速度v=5.0 102m/s飞行的子弹，飞行的子弹，质量为质量为m=10-2Kg，对应的德布罗对应的德布罗意波长为：意波长为：如电子如电子m=9.1 10-31Kg，速度，速度v=5.0 107m/s,对应的德布罗对应的德布罗意波长为：意波长为：太小测不到！太小测不到！X射线波段射线波段本讲稿第三十五页，

48、共六十五页电子驻波电子驻波例题例题1：从德布：从德布罗意波导出氢原子波尔理论中的角动量量子化条件。罗意波导出氢原子波尔理论中的角动量量子化条件。德布德布罗意把原子定态与驻波联系起来，即把能量量子化与有限空间驻波的罗意把原子定态与驻波联系起来，即把能量量子化与有限空间驻波的波长和频率联系起来。如电子绕原子一周，驻波应衔接，所以圆周长应波长和频率联系起来。如电子绕原子一周，驻波应衔接，所以圆周长应等于波长的整数倍。等于波长的整数倍。再根据德布再根据德布罗意关系罗意关系得出角动量量子化条件得出角动量量子化条件本讲稿第三十六页，共六十五页二、二、德布德布罗意波罗意波的实验验证的实验验证1 1、戴维逊、

49、戴维逊-革末实验革末实验GMK戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单晶，电子束被散戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单晶，电子束被散射。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释，从而验射。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释，从而验证了物质波的存在。证了物质波的存在。1937年他们与年他们与G.P.汤姆孙一起获得汤姆孙一起获得Nobel物理物理学奖。学奖。实验装置：实验装置：电子从灯丝电子从灯丝K飞出，经电势差飞出，经电势差为为U的加速电场，通过狭缝后的加速电场，通过狭缝后成为很细的电子束，投射到晶成为很细的电子束，投射到晶体体M上，散射后进入电子探测上，散射后进入电子探

50、测器，由电流计器，由电流计G测量出电流。测量出电流。本讲稿第三十七页，共六十五页2 2、汤姆逊实验、汤姆逊实验1927年，汤姆逊在实验中，让电子束通年，汤姆逊在实验中，让电子束通过薄金属笛后射到照相底线上，结果发过薄金属笛后射到照相底线上，结果发现，与现，与X射线通过金箔时一样，也产生射线通过金箔时一样，也产生了清晰的电子衍射图样。了清晰的电子衍射图样。1993年，年，Crommie等人用扫描隧道显微镜技等人用扫描隧道显微镜技术，把蒸发到铜（术，把蒸发到铜（111）表面上的铁原子排列）表面上的铁原子排列成半径为成半径为7.13nm的圆环形量子围栏，用实验的圆环形量子围栏，用实验观测到了在围栏内