量子力学的诞生优秀课件.ppt
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1、量子力学的诞生第1页,本讲稿共33页1 1、2020世纪初之前的物理学的成就世纪初之前的物理学的成就世纪初之前的物理学的成就世纪初之前的物理学的成就 a.a.机械运动机械运动机械运动机械运动牛顿力学牛顿力学牛顿力学牛顿力学 b.b.热运动热运动热运动热运动热力学和统计物理学热力学和统计物理学热力学和统计物理学热力学和统计物理学 c.c.电磁现象电磁现象电磁现象电磁现象麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 d.d.光学现象光学现象光学现象光学现象波动光学波动光学波动光学波动光学一、经典物理学的困难一、经典物理学的困难第2页,本讲稿共33页 1899年开尔文在欧洲科学家新年聚会
2、的贺词中说:年开尔文在欧洲科学家新年聚会的贺词中说:物理学物理学晴朗的天空上,晴朗的天空上,飘着几朵令人不安的乌云飘着几朵令人不安的乌云 黑体辐射黑体辐射迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验莫雷实验光电效应光电效应氢原子光谱氢原子光谱 康普顿康普顿效应效应量子力学量子力学狭义相对论狭义相对论2、世纪之交实验物理学对理论物理学的挑战、世纪之交实验物理学对理论物理学的挑战第3页,本讲稿共33页(1 1)迈克耳逊)迈克耳逊)迈克耳逊)迈克耳逊莫雷实验莫雷实验莫雷实验莫雷实验 18871887年,阿尔贝特年,阿尔贝特迈克尔逊和爱德华迈克尔逊和爱德华莫雷在克莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了测量以太速度的实验。
3、里夫兰的卡思应用科学学校进行了测量以太速度的实验。但结果一无所获,从而证明了以太不存在,说明了光速但结果一无所获,从而证明了以太不存在,说明了光速在真空中的不变性。在真空中的不变性。十八十九世纪时,人们认为十八十九世纪时,人们认为“真空真空”中存在着一中存在着一种无所不在的物体称为种无所不在的物体称为“以太以太”,光波应该通过以,光波应该通过以太传播太传播。第4页,本讲稿共33页(2 2)固体比热)固体比热)固体比热)固体比热 固体的低温热容量,根据杜隆固体的低温热容量,根据杜隆固体的低温热容量,根据杜隆固体的低温热容量,根据杜隆泊替定律,能泊替定律,能泊替定律,能泊替定律,能量均分定理,每一
4、个自由度,量均分定理,每一个自由度,量均分定理,每一个自由度,量均分定理,每一个自由度,1mol1mol固体的热容量固体的热容量固体的热容量固体的热容量为:为:为:为:kT/2kT/2 因此固体的定容因此固体的定容因此固体的定容因此固体的定容molmol比热为:比热为:比热为:比热为:3R3R与温度无与温度无与温度无与温度无关。关。关。关。但,实验仅在室温以上成立,低温时但,实验仅在室温以上成立,低温时但,实验仅在室温以上成立,低温时但,实验仅在室温以上成立,低温时C CV V(T)(T)下下下下降,与降,与降,与降,与 T T 有关。有关。有关。有关。第5页,本讲稿共33页(3 3)黑体辐射
5、)黑体辐射)黑体辐射)黑体辐射 绝对黑体的空腔模型绝对黑体的空腔模型 一个物体能全部吸收一个物体能全部吸收透射在它上面的辐射而无透射在它上面的辐射而无反射,这种物体称为绝对反射,这种物体称为绝对黑体。黑体。在一定温度下,当空腔与内部的辐射处于在一定温度下,当空腔与内部的辐射处于在一定温度下,当空腔与内部的辐射处于在一定温度下,当空腔与内部的辐射处于平衡时,腔壁单位面积所发出的辐射能量与其吸平衡时,腔壁单位面积所发出的辐射能量与其吸平衡时,腔壁单位面积所发出的辐射能量与其吸平衡时,腔壁单位面积所发出的辐射能量与其吸收的辐射能量相等,实验测出平衡时辐射能量密收的辐射能量相等,实验测出平衡时辐射能量
6、密收的辐射能量相等,实验测出平衡时辐射能量密收的辐射能量相等,实验测出平衡时辐射能量密度按波长分布的曲线,其形状和位置只与黑体的度按波长分布的曲线,其形状和位置只与黑体的度按波长分布的曲线,其形状和位置只与黑体的度按波长分布的曲线,其形状和位置只与黑体的温度有关与空腔材料或形状无关。温度有关与空腔材料或形状无关。温度有关与空腔材料或形状无关。温度有关与空腔材料或形状无关。第6页,本讲稿共33页 维恩(维恩(维恩(维恩(WienWien)由热力学的讨论,加上一些特殊的)由热力学的讨论,加上一些特殊的)由热力学的讨论,加上一些特殊的)由热力学的讨论,加上一些特殊的假设得出一个分布公式,维恩公式:假
7、设得出一个分布公式,维恩公式:假设得出一个分布公式,维恩公式:假设得出一个分布公式,维恩公式:即随着温度升高,热辐射峰值向短波高频方向移动即随着温度升高,热辐射峰值向短波高频方向移动。瑞利(瑞利(瑞利(瑞利(RayleighRayleigh)和金斯()和金斯()和金斯()和金斯(JeansJeans)根据经典电动)根据经典电动)根据经典电动)根据经典电动力学和统计物理学也得到一个黑体辐射能量分布公式,力学和统计物理学也得到一个黑体辐射能量分布公式,力学和统计物理学也得到一个黑体辐射能量分布公式,力学和统计物理学也得到一个黑体辐射能量分布公式,瑞利瑞利瑞利瑞利金斯公式金斯公式金斯公式金斯公式:可
8、以看出这个公式对高频无效,因为此时能量密可以看出这个公式对高频无效,因为此时能量密度趋于无限大,这就是著名的紫外灾难。度趋于无限大,这就是著名的紫外灾难。第7页,本讲稿共33页o实验值/m维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线12345678下面我们将说到普朗克公式下面我们将说到普朗克公式第8页,本讲稿共33页(4 4)光电效应)光电效应)光电效应)光电效应 光的照射下,光的照射下,金属中的电子吸收金属中的电子吸收光能而逸出金属表光能而逸出金属表面的现象称为光电面的现象称为光电效应。效应。爱因斯坦于爱因斯坦于1905年提出光量子(光子)年提出光量子(光子)理论,成功
9、解释光电理论,成功解释光电效应。效应。OOOOOOVGAKBOOm光电效应实验装置图光电效应实验装置图 第9页,本讲稿共33页由光电效应得到四条规律:由光电效应得到四条规律:由光电效应得到四条规律:由光电效应得到四条规律:(a)单位时间内逸出的光电子数与入射光的强度成单位时间内逸出的光电子数与入射光的强度成正比:正比:(b)光电子的初动能光电子的初动能W随入射光的频率随入射光的频率线性增加,线性增加,而与入射光的强度无关:而与入射光的强度无关:第10页,本讲稿共33页 上述四点中,上述四点中,上述四点中,上述四点中,(a)(a)可以用经典的理论解释,可以用经典的理论解释,可以用经典的理论解释,
10、可以用经典的理论解释,(b)(c)(b)(c)(d)(d)却无法用经典理论解释。却无法用经典理论解释。却无法用经典理论解释。却无法用经典理论解释。(c)只有当入射光频率只有当入射光频率 大于一定的频率时大于一定的频率时 0才会产生光才会产生光电效应电效应(d)光电效应光电效应是瞬时发生的:驰豫时间不超过是瞬时发生的:驰豫时间不超过10-9s,根据根据经典的电磁波理论能量的积累时间大约为经典的电磁波理论能量的积累时间大约为80s第11页,本讲稿共33页(5 5)光谱实验和原子模型)光谱实验和原子模型)光谱实验和原子模型)光谱实验和原子模型 a)a)氢原子谱线氢原子谱线氢原子谱线氢原子谱线巴耳末系
11、赖曼系0.8 0.6 0.4 0.2 波长 m m 可 见 光紫 外 线布喇开系帕邢系 m m 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 红 外 线普芳德系第12页,本讲稿共33页R称为氢原子的里德伯常量称为氢原子的里德伯常量谱线的波长谱线的波长 的倒数的倒数称为波数称为波数巴尔末公式:巴尔末公式:nk,n,k取整数取整数 从从1885年至年至1924年科学家们先后在可见光、年科学家们先后在可见光、紫外和红外区发现了氢原子的光谱线系列,并紫外和红外区发现了氢原子的光谱线系列,并得到普遍的实验规律。得到普遍的实验规律。第13页,本讲稿共33页里兹并合原理:里兹并合原理:里兹并合原理:里兹并合原理:
12、光谱中有光谱中有也为可能的谱线。也为可能的谱线。,或,或线,则线,则,经典的电磁理论认为若体系发出频率为经典的电磁理论认为若体系发出频率为的谱线,则也可以发射其谐波的谱线,则也可以发射其谐波而实验上并没有得到。而实验上并没有得到。第14页,本讲稿共33页b)卢瑟福原子模型:卢瑟福原子模型:1911年卢瑟福根据年卢瑟福根据 alpha 粒子散射实验提出了原粒子散射实验提出了原子有核模型。原子的质量几乎子有核模型。原子的质量几乎集中于带正电的原子核,而核集中于带正电的原子核,而核的半径只占整个原子半径的万的半径只占整个原子半径的万分之一至十万分之一;带负电分之一至十万分之一;带负电的电子散布在核的
13、外围。卢瑟的电子散布在核的外围。卢瑟福的原子有核模型成功地解释福的原子有核模型成功地解释了了a 粒子散射实验。粒子散射实验。第15页,本讲稿共33页然而,根据经典的电磁学理论,绕核然而,根据经典的电磁学理论,绕核运动的电子不断辐射电磁波,轨道半经随运动的电子不断辐射电磁波,轨道半经随能耗而连续变小,最终应落到原子核中来,能耗而连续变小,最终应落到原子核中来,另外,其光谱应是连续变化的带状光谱,另外,其光谱应是连续变化的带状光谱,而实验所得到的是分立谱。而实验所得到的是分立谱。这让人感到无法理解。这让人感到无法理解。第16页,本讲稿共33页二、早期量子论(二、早期量子论(19001924)1 1
14、、普朗克公式和普朗克假设、普朗克公式和普朗克假设、普朗克公式和普朗克假设、普朗克公式和普朗克假设 普朗克用插值方法试图调和普朗克用插值方法试图调和维恩公式和瑞利维恩公式和瑞利金斯公式,金斯公式,得到得到:表示为表示为或用或用 第17页,本讲稿共33页 普朗克发现要解释上列公式,需要作三个假设:普朗克发现要解释上列公式,需要作三个假设:普朗克发现要解释上列公式,需要作三个假设:普朗克发现要解释上列公式,需要作三个假设:(1)辐射黑体中分子和原子的振动可视为线性谐振辐射黑体中分子和原子的振动可视为线性谐振辐射黑体中分子和原子的振动可视为线性谐振辐射黑体中分子和原子的振动可视为线性谐振子,这些线性谐
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