量子力学诞生 (2)优秀PPT.ppt
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1、量子力学诞生第一页,本课件共有58页21.量子力学教程曾谨言(科学出版社量子力学教程曾谨言(科学出版社,2003年第一版,普通高年第一版,普通高等教育十五国家级规划教材)等教育十五国家级规划教材)2.量子力学导论曾谨言(北京大学出版社,量子力学导论曾谨言(北京大学出版社,1998年第二版)年第二版)3.量子力学基础关洪,(高等教育出版社,量子力学基础关洪,(高等教育出版社,1999年第一版)年第一版)4.Quantun Mechanics,An IntroductionGreiner,W.(Springer-Verlag Berlin Heidelberg,1994;有中泽本);有中泽本)5.
2、量子力学汪德新,(湖北科学技术出版社出版,量子力学汪德新,(湖北科学技术出版社出版,2000年第年第一版)一版)6.Problems in quantum mechanics with solutions(量子力量子力学题解学题解),G.L.Squires,(世界图书出版公司),(世界图书出版公司)参考书参考书第二页,本课件共有58页第一章第一章 量子力学的诞生量子力学的诞生1 1 经典物理学的困难经典物理学的困难 2 2 量子论的诞生量子论的诞生3 3 实物粒子的波粒二象性实物粒子的波粒二象性3第三页,本课件共有58页1 1 经典物理学的困难经典物理学的困难(一)经典物理学的成功一)经典物理
3、学的成功 19世世纪纪末末,物物理理学学理理论论在在当当时时看看来来已已经经发发展展到到相相当当完完善善的阶段,其各个分支已经建立起系统的理论:的阶段,其各个分支已经建立起系统的理论:经典力学经典力学从牛顿三大定律发展为从牛顿三大定律发展为分析力学分析力学电磁学电磁学与与光学光学发展为发展为麦克斯韦理论麦克斯韦理论热学热学在建立了以在建立了以热力学定律为基础的宏观理论热力学定律为基础的宏观理论的同时,波尔兹的同时,波尔兹曼、吉布斯建立了称之为曼、吉布斯建立了称之为统计物理学统计物理学的微观理论。的微观理论。4在经典物理学的辉煌成就面前,有的科学家认为物理学在经典物理学的辉煌成就面前,有的科学家
4、认为物理学已大功告成。绝对温标的创始人开尔文在已大功告成。绝对温标的创始人开尔文在1889年新年贺词中说:年新年贺词中说:“19世纪已将物理大厦全部建成,世纪已将物理大厦全部建成,今后物理学家的任务就是修今后物理学家的任务就是修饰、完美这所大厦了饰、完美这所大厦了”。第四页,本课件共有58页(二)经典物理学的困难(二)经典物理学的困难但是这些信念,在进入但是这些信念,在进入20世纪以后,受到了冲世纪以后,受到了冲击。经典理论在解释一些新的试验结果上遇到了严击。经典理论在解释一些新的试验结果上遇到了严重的困难。重的困难。(1)黑体辐射问题)黑体辐射问题 (2)光电效应)光电效应 (3)原子稳定性
5、)原子稳定性 (4)原子的线状光谱)原子的线状光谱 5第五页,本课件共有58页(1)黑体辐射)黑体辐射黑体黑体:能吸收射到其上的全部:能吸收射到其上的全部辐射的物体,这种物体就称为辐射的物体,这种物体就称为绝对黑体,简称黑体。绝对黑体,简称黑体。实验发现:实验发现:辐射热平衡状态辐射热平衡状态:处于某一温度处于某一温度 T T 下的下的腔壁,单位面积所发射出的辐射能量和腔壁,单位面积所发射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等时,辐射达到它所吸收的辐射能量相等时,辐射达到热平衡状态热平衡状态。热平衡时,空腔辐射的能量密度,与热平衡时,空腔辐射的能量密度,与辐射的波长的分布曲线,其形状和位置只辐射
6、的波长的分布曲线,其形状和位置只与黑体的绝对温度与黑体的绝对温度 T T 有关有关而与黑体的而与黑体的形状形状和和材料材料无关无关。能能量量密密度度 (104 cm)05106第六页,本课件共有58页Wien 公式公式 Wien 线能能量量密密度度 (104 cm)0510Wien Wien 公公式式在在短短波波部部分分与与实实验验还还相相符符合合,长长波波部部分分则明显不一致。则明显不一致。从从热热力力学学出出发发加加上上一一些些特特殊殊的假设,得到一个分布公式:的假设,得到一个分布公式:7第七页,本课件共有58页Rayleigh-Jeas 公式公式 Rayleigh-Jeas线能能量量密密
7、度度 (104 cm)0510Rayleigh-Jeas Rayleigh-Jeas 公公式式在在长长波波部部分分与与实实验验还还相相符符合合,短波部分则明显不一致短波部分则明显不一致,出现紫外发散。出现紫外发散。从从经经典典电电力力学学和和统统计计物物理理出出发,得到一个分布公式:发,得到一个分布公式:8第八页,本课件共有58页入射光线入射光线OOOOOOVGAKBOO光电效应实验装置光电效应实验装置光电效应光电效应 当波长较短的当波长较短的可可见见光光或或紫紫外外光光照照射射到到某某些些金金属属表表面面上上时时,金金属属中中的的电电子子就就会会从从光光中中吸吸取取能能量量而而从金属表面逸出
8、的现象。从金属表面逸出的现象。金金属属板板释释放放的的电电子子称称为为光光电电子子,光光电电子子在在电电场场作作用用下下在在回回路路中中形形成成光光电流。电流。(2 2)光电效应)光电效应9第九页,本课件共有58页(3 3)原子的稳定性)原子的稳定性 汤姆逊汤姆逊“西瓜西瓜”式模型式模型 粒子实验相矛粒子实验相矛盾盾 卢瑟福核式模型卢瑟福核式模型 粒子实验相符合,与经粒子实验相符合,与经典电动力学的观点相矛盾。典电动力学的观点相矛盾。根据经典电动力学,电子环绕原子核运动是加速运动,根据经典电动力学,电子环绕原子核运动是加速运动,因而不断以辐射方式发射出能量,电子的能量变得越来越小,因而不断以辐
9、射方式发射出能量,电子的能量变得越来越小,因此绕原子核运动的电子,终究会因大量损失能量而因此绕原子核运动的电子,终究会因大量损失能量而“掉到掉到”原子核中去,原子就原子核中去,原子就“崩溃崩溃”了,但是,现实世界表明,了,但是,现实世界表明,原子稳定的存在着。原子稳定的存在着。10第十页,本课件共有58页(4 4)原子的线状光谱)原子的线状光谱氢原子光谱有许多分立谱线组成,这是很早就发现了的。氢原子光谱有许多分立谱线组成,这是很早就发现了的。18851885年瑞士年瑞士巴尔末巴尔末发现紫外光附近的一个线系,并得出氢原发现紫外光附近的一个线系,并得出氢原子谱线的经验公式是:子谱线的经验公式是:这
10、就是著名的这就是著名的巴尔末公式巴尔末公式(BalmerBalmer)。以后又发现了一系列线系,)。以后又发现了一系列线系,它们都可以用下面公式表示:它们都可以用下面公式表示:11第十一页,本课件共有58页三条定律:三条定律:经典理论无法解释经典理论无法解释1.1.光谱总是线状的,谱线有一定的位置,即谱线彼此分立,且有确定的光谱总是线状的,谱线有一定的位置,即谱线彼此分立,且有确定的波长;波长;2.2.每一条谱线的波数都可以表示成两光谱项之差,即每一条谱线的波数都可以表示成两光谱项之差,即 ,m m和和n n是某些正整数是某些正整数里兹组合原则。里兹组合原则。3.3.谱线之间有一定的关系。谱线
11、之间有一定的关系。12第十二页,本课件共有58页2 2 量子论的诞生量子论的诞生 (一)(一)Planck Planck 能量子假设能量子假设 (二)(二)EinsteinEinstein的光量子论的光量子论 (三)(三)Bohr Bohr 理论理论(四)(四)De BroglieDe Broglie假设假设13第十三页,本课件共有58页(一)(一)Planck 黑体辐射定律黑体辐射定律1900年月日年月日Planck 提出:提出:黑体可看作一组连续振动的带电谐振子,这些谐振子黑体可看作一组连续振动的带电谐振子,这些谐振子的能量取分立值,这些分立值都是最小能量的能量取分立值,这些分立值都是最小
12、能量E的整数倍,的整数倍,这些分立的能量称为谐振子的这些分立的能量称为谐振子的能级能级。14可见:可见:黑体黑体与辐射场与辐射场交换能量只能以交换能量只能以 为单位进为单位进行,亦即黑体吸收或发射电磁辐射能量的方式是行,亦即黑体吸收或发射电磁辐射能量的方式是不连不连续续的,只能的,只能量子量子地进行,每个地进行,每个“能量子能量子”的能量为的能量为第十四页,本课件共有58页Planck 辐射公式辐射公式Planck 线能能量量密密度度 (104 cm)051015第十五页,本课件共有58页讨论:讨论:16Planck公式公式维恩公式维恩公式瑞利瑞利-琼斯公式琼斯公式可见由维恩、瑞利可见由维恩、
13、瑞利-琼斯分别从经典物理学导出的黑琼斯分别从经典物理学导出的黑体辐射能量密度公式仅是普朗克公式在两种不同特例条件体辐射能量密度公式仅是普朗克公式在两种不同特例条件下的近似结果。下的近似结果。注:注:PlanckPlanck的的“能量子能量子”假说与经典物理中振子的能假说与经典物理中振子的能量是连续的相抵触。可见,量是连续的相抵触。可见,PlanckPlanck理论突破了经典理论突破了经典物物理学在微观领域的束缚,打开了认识光的粒子性的理学在微观领域的束缚,打开了认识光的粒子性的大门。大门。19181918年年PlanckPlanck由此获得诺贝尔物理学奖由此获得诺贝尔物理学奖第十六页,本课件共
14、有58页(二)(二)EinsteinEinstein的光量子论的光量子论(1 1)光子概念光子概念 (2 2)光电效应的解释光电效应的解释 (3 3)光子的动量光子的动量(4 4)ComptonCompton效应效应17第十七页,本课件共有58页(1)(1)光子概念光子概念在在PlanckPlanck能量子假设的启发下,爱因斯坦提出了能量子假设的启发下,爱因斯坦提出了“光量子光量子”的概念,他认为,不仅黑体与辐射场的能量交换的概念,他认为,不仅黑体与辐射场的能量交换是量子化的,而且辐射(光)是由一颗颗具有一定能量的是量子化的,而且辐射(光)是由一颗颗具有一定能量的粒子组成的粒子流,这些粒子在空
15、间以光速粒子组成的粒子流,这些粒子在空间以光速 C C 传播,这种传播,这种粒子叫做粒子叫做光量子光量子。18光子的能量光子的能量光子的动量光子的动量Planck-EinsteinPlanck-Einstein公式公式波矢量波矢量第十八页,本课件共有58页(2 2)光电效应的解释)光电效应的解释当光照射到金属表面时,能量为当光照射到金属表面时,能量为 hh的光子被电子所吸的光子被电子所吸收,电子把这份能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引,收,电子把这份能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引,另一部分用来提供电子离开金属表面时的动能。其能量关系另一部分用来提供电子离开金属表面时的动能。其能量关
16、系可写为:可写为:19临界频率临界频率注注:利用光子的概念很好的解释了光电效应,同时,光电效应体现了:利用光子的概念很好的解释了光电效应,同时,光电效应体现了光的粒子性。光的粒子性。1916年,密立根实验证实了光子论的正确性,并测得年,密立根实验证实了光子论的正确性,并测得h=6.57 10-34 焦耳焦耳秒。秒。第十九页,本课件共有58页(3 3)光子的动量)光子的动量光子不仅具有确定的能量光子不仅具有确定的能量 E=hvE=hv,而且,而且具有动量。根据相对论知,速度为具有动量。根据相对论知,速度为 V V 运动的粒子的能量由运动的粒子的能量由右式右式给出:给出:对于光子,速度对于光子,速
17、度 V=CV=C,欲使,欲使上式上式有意义,必须令有意义,必须令 0 0=0=0,即光子静质量为零。即光子静质量为零。根据相对论能动量关系:根据相对论能动量关系:总结光子能量、总结光子能量、动量关系式如下:动量关系式如下:把光子的波动性和粒子性联系把光子的波动性和粒子性联系了起来了起来20第二十页,本课件共有58页 虽然虽然爱因斯坦爱因斯坦对光电效应的解释是对对光电效应的解释是对PlanckPlanck量子概量子概念的极大支持,但是念的极大支持,但是PlanckPlanck不同意不同意爱因斯坦爱因斯坦的光子假的光子假设,这一点流露在设,这一点流露在PlanckPlanck推荐爱因斯坦为普鲁士科
18、学院推荐爱因斯坦为普鲁士科学院院士的推荐信中。院士的推荐信中。“总而言之,我们可以说,在近代物理学结出硕果的总而言之,我们可以说,在近代物理学结出硕果的那些重大问题中,很难找到一个问题是那些重大问题中,很难找到一个问题是爱因斯坦爱因斯坦没有做过没有做过重要贡献的,在他的各种推测中,重要贡献的,在他的各种推测中,他有时可能也曾经没有他有时可能也曾经没有射中标的,例如,他的光量子假设就是如此,射中标的,例如,他的光量子假设就是如此,但是这确实但是这确实并不能成为过分责怪他的理由,因为即使在最精密的科学中,并不能成为过分责怪他的理由,因为即使在最精密的科学中,也不可能不偶尔冒点风险去引进一个基本上全
19、新的概念也不可能不偶尔冒点风险去引进一个基本上全新的概念 ”21第二十一页,本课件共有58页(4 4)Compton Compton 散射散射 -光的粒子性的进一步证实光的粒子性的进一步证实X光光管管光光阑阑散射散射物质物质康普顿实验装置示意图康普顿实验装置示意图康普顿实验装置示意图康普顿实验装置示意图X光检测光检测器器晶体晶体(a a)Compton Compton 效应效应 22第二十二页,本课件共有58页经典电动力学不能解释这种新波长的出现,经典力学认经典电动力学不能解释这种新波长的出现,经典力学认为电磁波被散射后,波长不应该发生改变。为电磁波被散射后,波长不应该发生改变。但是如果把但是
20、如果把 X-X-射线被电子散射的过程看成是光子与电子的碰撞过程,则射线被电子散射的过程看成是光子与电子的碰撞过程,则该效应很容易得到理解该效应很容易得到理解.1 1、散射光中,除了原来散射光中,除了原来X X光的波长光的波长外,增加了一外,增加了一个新的波长为个新的波长为的的X X光,且光,且 ;2 2、波长增量波长增量 =随散射角增大而增随散射角增大而增大。这一现象称为大。这一现象称为 Compton Compton 效应。效应。X-X-射线被轻元素如白蜡、石墨中的电子散射后出现的射线被轻元素如白蜡、石墨中的电子散射后出现的效应。该效应有如下效应。该效应有如下 2 2 个特点:个特点:23第
21、二十三页,本课件共有58页(b b)定性解释)定性解释根据光量子理论,具有能量根据光量子理论,具有能量 E=h 的光子与电子碰撞后,的光子与电子碰撞后,光子把部分能量传递给电子,光子的能量变为光子把部分能量传递给电子,光子的能量变为 E=h显然有显然有E E从而有从而有)且随散射角且随散射角增大而增大。增大而增大。24第二十四页,本课件共有58页(c c)证)证 明明根据能量和动量守恒定律:根据能量和动量守恒定律:代代入入得:得:两边平方:两边平方:两边平方两边平方(2)式)式(1)式得:)式得:k k mv25第二十五页,本课件共有58页所以所以最后得:最后得:26第二十六页,本课件共有58
22、页此式不仅再次证明了普朗克此式不仅再次证明了普朗克爱因斯坦关系式的正爱因斯坦关系式的正确性,还第一才证实了在微观单个碰撞事件中,动量守确性,还第一才证实了在微观单个碰撞事件中,动量守恒定律和能量守恒定律仍然成立。恒定律和能量守恒定律仍然成立。2719231923年威尔逊云室实验观测到了反冲电子轨迹;年威尔逊云室实验观测到了反冲电子轨迹;验证验证了康普顿解释了康普顿解释康普顿和威尔逊合得康普顿和威尔逊合得19271927年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖第二十七页,本课件共有58页28小结小结:以上三个问题,都属于经典物理(实际上是经典电:以上三个问题,都属于经典物理(实际上是经典电磁波理论)所遇
23、到的困难,解决困难的共同点就是电磁波的能量磁波理论)所遇到的困难,解决困难的共同点就是电磁波的能量不再看作是连续的,而必须看成是能量量子化的。从这点上来说,不再看作是连续的,而必须看成是能量量子化的。从这点上来说,上述三个问题都体现了光的粒子性,但不能否定光的波动性,因上述三个问题都体现了光的粒子性,但不能否定光的波动性,因波动早被光的干涉,衍射等现象证实,因此,概括起来,光具有波动早被光的干涉,衍射等现象证实,因此,概括起来,光具有波动和粒子二重性质,称为波动和粒子二重性质,称为光的波粒二象性光的波粒二象性。作为粒子的能量作为粒子的能量E 和动量和动量 与波动的频率与波动的频率 和波矢和波矢
24、 由由 Planck-Einstein 方程联系起来。方程联系起来。Planck-Einstein 方程方程第二十八页,本课件共有58页29另一方面我们也看到,在新的理论中,另一方面我们也看到,在新的理论中,Planck常数常数 起着关键作用,当起着关键作用,当 h 的作用可以略去时,经典理论的作用可以略去时,经典理论是适用的,当是适用的,当 h 的作用不可忽略时,经典理论不再适用。的作用不可忽略时,经典理论不再适用。因此,凡是因此,凡是 h 起重要作用的现象都称为起重要作用的现象都称为量子现象量子现象。Planck常数:常数:h=6.62559 10-34 焦耳焦耳秒秒第二十九页,本课件共有
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