第15章量子物理精选文档.ppt

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1、第15章量子物理1本讲稿第一页，共三十九页 18991899年开尔文在欧洲科学家新年聚会的贺词中说：年开尔文在欧洲科学家新年聚会的贺词中说：物理学晴朗的天空上，物理学晴朗的天空上，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本讲稿第二页，共三十九页第第1515章章 量子物理量子物理 Quantum Physics主要内容主要内容 黑体辐射和普朗克能量子黑体辐射和普朗克能量子假设假设 光电效应和爱因斯坦光量光电效应和爱因斯坦光量子理论子理论 康普顿效应

2、康普顿效应 氢原子光谱和波尔理论氢原子光谱和波尔理论3本讲稿第三页，共三十九页 15.1 黑体辐射黑体辐射 Blackbody Radiation任何物体在任何温度下都发射各种波长任何物体在任何温度下都发射各种波长的电磁波的电磁波.常温下，以红外辐射为主常温下，以红外辐射为主.mmMM o oMM 光谱辐射出射度光谱辐射出射度:单单位时间位时间内从物体内从物体单位表面积单位表面积发出的频率在发出的频率在 附近附近单位频单位频率区间率区间的辐射能的辐射能.热辐射热辐射规律：规律：T T m m 4本讲稿第四页，共三十九页黑体：黑体：黑体辐射黑体辐射空腔上的小孔：空腔上的小孔：e.g.黑体辐射实验

3、曲线：黑体辐射实验曲线：MM o o能能完全吸收完全吸收入射的入射的各种波长各种波长的辐射的辐射的物体的物体(理想模型理想模型)5本讲稿第五页，共三十九页6本讲稿第六页，共三十九页7本讲稿第七页，共三十九页瑞利瑞利-金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难0 1 2 3 62 4瑞利瑞利-金斯公式金斯公式瑞利瑞利-金斯公式金斯公式紫外灾难紫外灾难实验曲线实验曲线*T=2 000 K8本讲稿第八页，共三十九页普朗克（普朗克（1858-1947）德国理论物理学家，量子论的德国理论物理学家，量子论的奠基人。奠基人。1900年他在德国物理学年他在德国物理学会上，宣读了以关于正常光谱会上，宣读了以

4、关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的中能量分布定律的理论为题的 论文。论文。劳厄称这一劳厄称这一 天是天是“量子论量子论的的 诞生日诞生日”。量子论。量子论 和相对论构成了近代物理学的研究和相对论构成了近代物理学的研究 基础。基础。9本讲稿第九页，共三十九页普朗克量子假设普朗克量子假设1900年，年，M.Planck“绝望地绝望地”、“不惜任何代不惜任何代价地价地”提出了提出了能量量子化假设能量量子化假设：谐振子能量：谐振子能量：E=nh (n=1,2,3,)h普朗克常量普朗克常量(6.626 10-34J s)n量子数量子数 频率频率 黑体中的分子、原子的振动可看作谐振子，黑体中的分子、原

5、子的振动可看作谐振子，这些谐振子的能量状态是分立的。这些谐振子的能量状态是分立的。10本讲稿第十页，共三十九页普朗克黑体辐射公式：普朗克黑体辐射公式：(与实验相符与实验相符)0 1 2 3 6瑞利瑞利-金斯公式金斯公式2 4普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线实验值实验值*T=2 000 K11本讲稿第十一页，共三十九页 （2）当量子数由当量子数由 增加到增加到 时，振幅时，振幅的变化是多少？的变化是多少？例例1 设一音叉尖端质量为设一音叉尖端质量为 0.050 kg，将，将其频率调到其频率调到 ，振幅，振幅 .求求 解：解：（1）（1）尖端振动的量子数；尖端振动的量子数；12本讲稿第十二

6、页，共三十九页基元能量基元能量（2）13本讲稿第十三页，共三十九页 在宏观范围内，能量量子化的效应是极在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明显的，即宏观物体的能量完全可视作是不明显的，即宏观物体的能量完全可视作是连续的连续的.14本讲稿第十四页，共三十九页 15.2 光电效应光电效应 Photoelectric Effect1.实验现象实验现象1887年发现年发现15本讲稿第十五页，共三十九页光强光强I im(饱和电流饱和电流)光频光频 0(红限频率红限频率)无光电流无光电流光频光频 Uc(截止电压截止电压)规律：规律：光照光照 t10 9s 光电流光电流16本讲稿第十六页，共三十九页 按经典

7、理论按经典理论,电子逸出金属所需的能量，需要电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累有一定的时间来积累,与实验结果不符。与实验结果不符。经典理论遇到的困难经典理论遇到的困难 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,无论何种频率的入射光无论何种频率的入射光,只要强度只要强度足够大，就能使电子逸出金属。与实验结果不符。足够大，就能使电子逸出金属。与实验结果不符。17本讲稿第十七页，共三十九页2.光的二象性光子光的二象性光子 wave-particle duality of light photon1 1）光电效应的理论解释）光电效应的理论解释光子假说光子假说光由光子光由

8、光子(photon)组成，每个光子以组成，每个光子以光速运动，具有能量光速运动，具有能量h .光电效应方程光电效应方程光电子的光电子的最大动能最大动能入射光子入射光子的能量的能量金属的金属的逸出功逸出功18本讲稿第十八页，共三十九页 对实验的解释对实验的解释光强光强I 单位时间内入射的光子数单位时间内入射的光子数 光电子数光电子数 im Uc 光频光频 0 h 入射波长入射波长 0，波长的偏波长的偏移移 =0 只与散射角只与散射角 有关，和散射物有关，和散射物质无关。质无关。29本讲稿第二十九页，共三十九页30本讲稿第三十页，共三十九页1.只只有有当当入入射射波波长长 0与与 c可可比比拟拟时

9、时，康康普普 顿效应才显著，因此要用顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到。射线才能观察到。Notes:2.康康普普顿顿散散射射效效应应不不仅仅有有力力地地证证明明了了光光具具有有二二象象性性，而而且且还还证证明明了了光光子子和和微微观观粒粒子子的的相相互互作作用用过过程程也也是是遵遵守守动动量量守守恒恒和和能能量量守恒定律的。守恒定律的。31本讲稿第三十一页，共三十九页 1897年，汤姆孙年，汤姆孙(Jhon Thomson 英英)发现电子发现电子；加之；加之X射线射线和放射性元素等的发现，认识到原子是可分的；和放射性元素等的发现，认识到原子是可分的；1904年，汤姆孙提出第一个有影响的原子

10、年，汤姆孙提出第一个有影响的原子枣糕模型；枣糕模型；1911年，卢瑟福年，卢瑟福(Rutherford 英英)提出提出核式原子模型；核式原子模型；1913年年 玻尔（玻尔（Bhor 丹麦）提出丹麦）提出氢原子的量子理论；氢原子的量子理论；波尔是波尔是物质结构的量子理论的创立者，他把光谱现象、普朗克和爱物质结构的量子理论的创立者，他把光谱现象、普朗克和爱因斯坦提出的光量子说以及卢瑟福提出的原子核模型结合起因斯坦提出的光量子说以及卢瑟福提出的原子核模型结合起来，建立了原子结构的量子理论。来，建立了原子结构的量子理论。1.原子理论的发展原子理论的发展 15.4 氢原子光谱氢原子光谱32本讲稿第三十二

11、页，共三十九页 尼尔斯尼尔斯波尔波尔运用光谱分析来探索原子内部结构的运用光谱分析来探索原子内部结构的第一次合理而又富有成效的尝试是在第一次合理而又富有成效的尝试是在1913年进行的。为年进行的。为了解释原子吸收和发射，他力图把卢瑟福的有核原子模了解释原子吸收和发射，他力图把卢瑟福的有核原子模型和普朗克的量子论结合起来，提出了著名的型和普朗克的量子论结合起来，提出了著名的“波尔理波尔理论论”原子的定态假设和频率法则原子的定态假设和频率法则，成功地解释了氢原子的，成功地解释了氢原子的光谱规律。通过对原子结构的研究，他正确地预言，在复光谱规律。通过对原子结构的研究，他正确地预言，在复杂原子中，电子必

12、须以杂原子中，电子必须以“壳层壳层”形式出现。他的这一开创性形式出现。他的这一开创性工作，为揭示元素周期表的奥秘打下了基础，使物理和化学工作，为揭示元素周期表的奥秘打下了基础，使物理和化学这两个学科建立在同一基础之上。这两个学科建立在同一基础之上。尼尼 尔尔 斯斯 波波 尔尔（Niels Henrik David Bohr,1885-1962）因因原原子子结结构构和和原原子子辐辐射射的研究，获得了的研究，获得了1922年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。33本讲稿第三十三页，共三十九页2.氢原子光谱的实验规律氢原子光谱的实验规律 1885 年瑞士数学家巴耳末发现氢原子光谱可见光部年瑞士数学

13、家巴耳末发现氢原子光谱可见光部分的规律分的规律:1890 年瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式年瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式波数波数 里德伯常量里德伯常量 氢原子光谱是彼此分裂的线状光谱，每一条谱线具有确氢原子光谱是彼此分裂的线状光谱，每一条谱线具有确定的波长（或频率）。定的波长（或频率）。34本讲稿第三十四页，共三十九页 玻尔的三条基本假设玻尔的三条基本假设（1）定态假设：）定态假设：原子系统只能处在一系列具有原子系统只能处在一系列具有不连续能量的状态，不连续能量的状态，在在这些状态上电子虽然绕核做园周运动但并这些状态上电子虽然绕核做园周运动但并不向外辐射电磁波不向外辐射电磁波。这

14、些这些状态称为原子系统的状态称为原子系统的稳定状态稳定状态（简称（简称定态定态）。）。（2）量子化条件：）量子化条件：在这些稳定状态下电子绕核运动的在这些稳定状态下电子绕核运动的轨道角动量的值，轨道角动量的值，必须必须为为 h/2 的的整数倍，整数倍，是不连续的，即有：是不连续的，即有：（3）跃迁假设：）跃迁假设：电子从一个能量为电子从一个能量为En 稳定态稳定态跃迁跃迁 到另一能量为到另一能量为Ek稳定态时，要吸稳定态时，要吸收或发射一个频率为收或发射一个频率为 的光子，有：的光子，有：3.3.玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论这些定态的能量：这些定态的能量：(1913“论原子分子结构论原子分

15、子结构”)辐射频率公式辐射频率公式35本讲稿第三十五页，共三十九页1）氢原子轨道半径的计算）氢原子轨道半径的计算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r14r19r116r1mn=4n=3n=2n=136本讲稿第三十六页，共三十九页2）能量的计算）能量的计算 电子在量子数为电子在量子数为n的轨道上运动时，原子的轨道上运动时，原子系统总能量是：系统总能量是：基态能量基态能量其它激发态其它激发态：能量是量子能量是量子化的化的 E1 E2 E3 E4rvm电离能电离能37本讲稿第三十七页，共三十九页3）氢

16、原子光谱的理论解释氢原子光谱的理论解释从其它能级到同一能级的跃迁属从其它能级到同一能级的跃迁属于同一谱线系。于同一谱线系。-13.6eV13.6eV-3.39eV-3.39eV-1.5eV-1.5eV-8.5eV-8.5eV38本讲稿第三十八页，共三十九页4.玻尔理论意义与局限性玻尔理论意义与局限性（1）对稍复杂的原子光谱，定性、定量都不能解释）对稍复杂的原子光谱，定性、定量都不能解释（2）对氢原子谱线的强度、宽度、偏振等问题遇到困难。）对氢原子谱线的强度、宽度、偏振等问题遇到困难。1）玻尔的贡献玻尔的贡献玻尔关于玻尔关于“定态定态”和和“能级跃迁决定谱线频率能级跃迁决定谱线频率”的假的假设是两个重要的基本概念，在量子力学理论中占有重设是两个重要的基本概念，在量子力学理论中占有重要的地位。要的地位。2）玻尔理论的局限性）玻尔理论的局限性（3）玻尔理论的出发点是经典力学，但又加上一些与经）玻尔理论的出发点是经典力学，但又加上一些与经 典理论不相容的量子化条件来限定稳定状态。这些典理论不相容的量子化条件来限定稳定状态。这些 条件又不能从经典理论中给出解释，引此理论内部条件又不能从经典理论中给出解释，引此理论内部 就存在矛盾，是一种不自洽的理论。这本身就决定就存在矛盾，是一种不自洽的理论。这本身就决定 了理论本身的局限性了理论本身的局限性39本讲稿第三十九页，共三十九页