第16章量子物理精选文档.ppt

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1、第第16章量子物理章量子物理本讲稿第一页，共三十八页16161 1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设一、黑体一、黑体 黑体辐射黑体辐射二、黑体的辐射定律二、黑体的辐射定律三、普朗克能量子假设三、普朗克能量子假设本讲稿第二页，共三十八页一、黑体一、黑体 黑体辐射黑体辐射1热辐射：热辐射：物体中的分子或原子由于受热激发而物体中的分子或原子由于受热激发而发射电磁辐射的现象。发射电磁辐射的现象。（1）任何物体）任何物体在任何温度下都会发射电磁辐射。在任何温度下都会发射电磁辐射。（2）热辐射热辐射能量与温度有关能量与温度有关，温度越高，辐射能量越，温度越高，辐射能量越多，热辐射又称温度

2、辐射。多，热辐射又称温度辐射。（3）热辐射的光谱是热辐射的光谱是连续光谱连续光谱，辐射能量与波长的关系，辐射能量与波长的关系曲线随温度不同而变化。曲线随温度不同而变化。本讲稿第三页，共三十八页 能能完全吸收完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体。（黑体是理想模型）辐射的物体称为黑体。（黑体是理想模型）2黑体黑体本讲稿第四页，共三十八页3研究热辐射的有关物理量：研究热辐射的有关物理量：单位时间内从物体单位表面积辐射出的波长单位时间内从物体单位表面积辐射出的波长在在 附近单位波长间隔的电磁波能量。附近单位波长间隔的电磁波能量。辐射出射度（辐出度）：辐射出

3、射度（辐出度）：M(T)单位时间内从物体单位表面积辐射出的各种单位时间内从物体单位表面积辐射出的各种波长的电磁波能量的总和。波长的电磁波能量的总和。单色辐射出射度：单色辐射出射度：M(,T)或或M(T)本讲稿第五页，共三十八页 会聚透镜会聚透镜空腔空腔小孔小孔平行光管平行光管棱镜棱镜热电偶热电偶测量黑体辐射出射度实验装置测量黑体辐射出射度实验装置二、斯特藩二、斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 维维恩位移定律恩位移定律本讲稿第六页，共三十八页（1 1）斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律斯特藩斯特藩玻耳兹曼常量玻耳兹曼常量（2）维恩位移定律维恩位移定律常量常量峰值波长峰值波长0 1000 200

4、01.00.5 可可见见光光区区3000K3000K6000K6000K黑体单色辐出度实验曲线黑体单色辐出度实验曲线本讲稿第七页，共三十八页可可见见光光6000K3000K0.5 1.00.51.0黑体单色辐出度实验曲线黑体单色辐出度实验曲线 和和 关系关系本讲稿第八页，共三十八页三、普朗克能量子假设三、普朗克能量子假设1黑体辐射理论公式：黑体辐射理论公式：维恩公式：维恩公式：瑞利瑞利金斯公式：金斯公式：普朗克公式：普朗克公式：与实验曲线完全相符。与实验曲线完全相符。本讲稿第九页，共三十八页黑体辐射的理论曲线与实验曲线比较：黑体辐射的理论曲线与实验曲线比较：紫紫外外灾灾难难实验曲线实验曲线维恩

5、曲线维恩曲线瑞利瑞利金斯曲线金斯曲线本讲稿第十页，共三十八页2普朗克能量子假设普朗克能量子假设(1900)：h6.6261034Js普朗克常量普朗克常量 能量子：能量子：本讲稿第十一页，共三十八页 普朗克普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858 1947）德国理论物理学德国理论物理学家，量子论的奠基人家，量子论的奠基人.1900年年12月月14日他宣读了以关于正常光谱中能量日他宣读了以关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文，提出分布定律的理论为题的论文，提出能量量子化的假设，并导出黑体辐射能量量子化的假设，并导出黑体辐射能量分布公式能量分布公式.劳厄称这一

6、天是劳厄称这一天是“量量子论的诞生日子论的诞生日”.1905年年爱因斯坦爱因斯坦在能量量子化的启发下提出了在能量量子化的启发下提出了光量子光量子的假设的假设,并成功解释了光电效应并成功解释了光电效应.本讲稿第十二页，共三十八页16162 2 光电效应光电效应光的波粒二象性光的波粒二象性一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律 二、光子二、光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程三、光电效应在近代技术中的应用三、光电效应在近代技术中的应用四、光的波粒二象性四、光的波粒二象性本讲稿第十三页，共三十八页一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律 1.光电效应：光电效应：在光照射下，电子从金属表面在光照射

7、下，电子从金属表面逸出的现象。逸出的现象。光电效应中逸出光电效应中逸出的电子。的电子。光电子：光电子：VA2.实验装置实验装置本讲稿第十四页，共三十八页3实验规律：实验规律：（1 1）截止频率（红限）截止频率（红限）仅当入射光的频率仅当入射光的频率 才发生光电效应。才发生光电效应。截止频率与截止频率与材料有关材料有关与与光强无关光强无关 .几种纯金属的截止频率几种纯金属的截止频率金属金属铯铯钠钠锌锌铱铱铂铂截止频率截止频率 0(1014Hz)4.5455.508.06511.5319.29本讲稿第十五页，共三十八页（4 4）电流饱和值）电流饱和值（2 2）遏止电压）遏止电压（3 3）瞬时性）瞬

8、时性遏止电势差与入射光频率具遏止电势差与入射光频率具有线性关系。有线性关系。当光照射到金属表面上时，几乎当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出。立即就有光电子逸出。（光强）（光强）遏止电压遏止电压 与光强无关与光强无关铯铯 锌锌 铂铂本讲稿第十六页，共三十八页4经典理论遇到的困难：经典理论遇到的困难：按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止。与实验结果不符。逸出金属表面为止。与实验结果不符。红限问题红限问题 瞬时性问题瞬时性问题 按经典理论按经典理论,

9、无论何种频率的入射光无论何种频率的入射光,只要其强只要其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属。度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属。与实验结果不符。与实验结果不符。本讲稿第十七页，共三十八页（1）“光量子光量子”假假设设光子的能量为光子的能量为（2）解释实验解释实验爱因斯坦方程爱因斯坦方程逸出功与逸出功与材料有关材料有关 对同一种金属，对同一种金属，一定，一定，与光强无关，与光强无关二、光子二、光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程几种金属的逸出功几种金属的逸出功金属金属钠钠 铝铝 锌锌 铜铜 银银 铂铂1.90 2.462.50 3.603.32 3.574.10 4.504.56 4

10、.736.30本讲稿第十八页，共三十八页 逸出功逸出功爱因斯坦方程爱因斯坦方程产生光电效应条件条件产生光电效应条件条件（截止频率）（截止频率）光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电 子数目越多，光电流越大子数目越多，光电流越大.（时）时）光子射至金属表面，一个光子携带的能量光子射至金属表面，一个光子携带的能量 将一将一 次性被一个电子吸收，若次性被一个电子吸收，若 ，电子立即逸出，电子立即逸出，无需时间积累（无需时间积累（瞬时瞬时性）性）.本讲稿第十九页，共三十八页*三、光电效应在近代技术中的应用三、光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控

11、制、光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等自动计数、自动报警等.光电倍增管光电倍增管放大器放大器接控件机构接控件机构光光光控继电器示意图光控继电器示意图本讲稿第二十页，共三十八页四、光的波粒二象性四、光的波粒二象性描述光的描述光的 粒子性粒子性 描述光的描述光的 波动性波动性 光子光子 相对论能量和动量关系相对论能量和动量关系（2 2）粒子性：粒子性：（和物质相互作用时）（和物质相互作用时）（1 1）波动性：光的干涉和衍射（传播时）波动性：光的干涉和衍射（传播时）本讲稿第二十一页，共三十八页解解（1）（2）（3）例例 波长为波长为 450nm 的单色光射到纯钠的表面上的单色光射到纯钠的表面

12、上.求（求（1）这种光的光子能量和动量；这种光的光子能量和动量；（2）光电子逸出钠光电子逸出钠()表面时的动能；表面时的动能；（3）若光子的能量为若光子的能量为2.40eV，其波长为多少？，其波长为多少？本讲稿第二十二页，共三十八页16164 4 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论一、氢原子光谱的规律一、氢原子光谱的规律二、卢瑟福的原子有核模型二、卢瑟福的原子有核模型三、氢原子的玻尔理论三、氢原子的玻尔理论本讲稿第二十三页，共三十八页H线线系系限限 H （红）（红）H（蓝绿）（蓝绿）H （蓝）（蓝）H（紫）（紫）656.3486.1410.2434.0(nm)u 氢原子巴尔末系谱线：氢原子巴尔末

13、系谱线：巴耳末公式：巴耳末公式：一、氢原子光谱的规律性一、氢原子光谱的规律性本讲稿第二十四页，共三十八页广义巴耳末公式：广义巴耳末公式：讨论：讨论：ni、nf均为正整数；均为正整数；每一个每一个 nf 值对应一个值对应一个谱线系谱线系；k 一定，每一个一定，每一个 ni 值对应值对应一条谱线一条谱线。里德伯常量里德伯常量 实验值实验值氢原子光谱的各个光谱系可概括成一个公式，即氢原子光谱的各个光谱系可概括成一个公式，即 广义巴耳末公式广义巴耳末公式本讲稿第二十五页，共三十八页莱曼系莱曼系紫外紫外巴尔末系巴尔末系可见光可见光帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系普丰德系普丰德系汉弗莱系汉弗莱系红外红外本讲稿

14、第二十六页，共三十八页二、卢瑟福的原子有核模型二、卢瑟福的原子有核模型第一个钻到原子中心的人第一个钻到原子中心的人卢瑟福卢瑟福原子核原子核电子电子 对于学生马斯登和盖革所对于学生马斯登和盖革所观察到的观察到的粒子大角度散射粒子大角度散射,卢瑟福非常兴奋激动地说：卢瑟福非常兴奋激动地说：“这几乎令人难以置信这几乎令人难以置信,在我的一在我的一生中竟会发射发生这样的事情生中竟会发射发生这样的事情.如果你将一颗如果你将一颗 15 英寸的大炮弹英寸的大炮弹射向一张薄纸，炮弹竟然会反射回来打中你自己！射向一张薄纸，炮弹竟然会反射回来打中你自己！”粒粒子子散散射射实实验验动画动画本讲稿第二十七页，共三十八

15、页 卢瑟福提出卢瑟福提出有核模型有核模型：1.全部正电荷集中在原子球体中心，大约占原子全部正电荷集中在原子球体中心，大约占原子体积几万分之一大小的范围内，构成原子核体积几万分之一大小的范围内，构成原子核.2.原子质量几乎全（原子质量几乎全（99.9%以上）集中于此以上）集中于此.3.Z个电子在核外凭借其与正电荷的库仑力做绕核运个电子在核外凭借其与正电荷的库仑力做绕核运动，也就类似于行星那样的运动动，也就类似于行星那样的运动.本讲稿第二十八页，共三十八页 经典理论的困难经典理论的困难根据经典电磁理论，电子绕核作根据经典电磁理论，电子绕核作圆周运动，作加速运动的电子将圆周运动，作加速运动的电子将不

16、断向外辐射电磁波，不断向外辐射电磁波，+能量不断损失，轨道半径不断能量不断损失，轨道半径不断缩小，电子会以螺旋轨道落向原缩小，电子会以螺旋轨道落向原子核，原子不稳定；子核，原子不稳定；由于由于轨道半径越来越小，旋轨道半径越来越小，旋转频率越来越高，它们发射的转频率越来越高，它们发射的电磁波频率应该连续变化，原电磁波频率应该连续变化，原子光谱应该是连续谱。子光谱应该是连续谱。+动画动画原子的稳定性问题？原子的稳定性问题？原子分立的线状光谱？原子分立的线状光谱？本讲稿第二十九页，共三十八页三、氢原子的玻尔理论三、氢原子的玻尔理论2、定态假设：、定态假设：原子只能处在一原子只能处在一 系系列不连续的

17、、稳定的能量状态。列不连续的、稳定的能量状态。3、频率跃迁假设：、频率跃迁假设：当原子能级当原子能级 跃迁时，才发射（或吸收）光子跃迁时，才发射（或吸收）光子,其频率为其频率为E E3E2E1E1,E2,E3 En（定态）（定态）h h h 1、量子化条件：、量子化条件：稳态时电子角动稳态时电子角动量量L应等于应等于 的整数倍。的整数倍。量子数量子数 玻尔的三个假设：玻尔的三个假设：本讲稿第三十页，共三十八页重要结论：氢原子的轨道半径和能级重要结论：氢原子的轨道半径和能级(a)氢原子轨道半径：氢原子轨道半径：由量子化条件及牛顿定律：由量子化条件及牛顿定律：轨道量子化轨道量子化r14r19r11

18、6r1rvm角动量量子化角动量量子化库仑力库仑力=向心力向心力玻尔半径玻尔半径其他的可能轨道：其他的可能轨道：n=1n=2n=3n=4本讲稿第三十一页，共三十八页(b)氢原子能级氢原子能级电子在量子数为电子在量子数为n的轨道上的轨道上 运运动动 时，原子的总能量是：时，原子的总能量是：基态能量基态能量其它激发态：其它激发态：E1 E2 E3 E4rvm能量是量子化的能量是量子化的本讲稿第三十二页，共三十八页 氢原子能级图氢原子能级图基态基态激激发发态态自自由由态态电离能电离能本讲稿第三十三页，共三十八页(c)氢原子能级氢原子能级根据跃迁假设根据跃迁假设令令这是什么？这是什么？得得而而 实验值实

19、验值广义的巴尔末公式！广义的巴尔末公式！符合得很好！符合得很好！则则本讲稿第三十四页，共三十八页123450氢原子能级跃迁与光谱系氢原子能级跃迁与光谱系非量子状态非量子状态巴耳末系巴耳末系莱曼系莱曼系帕邢系帕邢系氢原子的电子轨道氢原子的电子轨道莱曼系莱曼系巴巴耳耳末末系系帕帕邢邢系系布布拉拉开开系系本讲稿第三十五页，共三十八页例题：若氢原子处于第三能级上，能发射几条谱例题：若氢原子处于第三能级上，能发射几条谱 线？线？能量（能量（eV)0.851.513.3913.5800.54n54321n共三条共三条本讲稿第三十六页，共三十八页（1 1）正确地指出正确地指出原子能级原子能级的存在（原子能量

20、量子化）；的存在（原子能量量子化）；（2 2）正确地指出正确地指出定态定态和和角动量量子化角动量量子化的概念；的概念；（3 3）正确的解释了氢原子及类氢离子光谱；正确的解释了氢原子及类氢离子光谱；总结总结 氢原子玻尔理论的意义和困难：氢原子玻尔理论的意义和困难：（4 4）无法解释无法解释比氢原子更复杂的原子；比氢原子更复杂的原子；（5 5）把微观粒子的运动视为有确定的把微观粒子的运动视为有确定的轨道轨道是不正确的；是不正确的；（6 6）是是半半经典经典半半量子量子理论，存在逻辑上的缺点，即把理论，存在逻辑上的缺点，即把 微观粒子看成是遵守经典力学的质点，同时，又微观粒子看成是遵守经典力学的质点，同时，又 赋予它们量子化的特征赋予它们量子化的特征.本讲稿第三十七页，共三十八页谢谢！本章结束本章结束本讲稿第三十八页，共三十八页