第12章 量子物理基础精选文档.ppt
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1、第12章 量子物理基础1本讲稿第一页,共六十三页早期量子论早期量子论普朗克能量量子化假说普朗克能量量子化假说爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说康普顿效应康普顿效应玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论量子力学量子力学德布罗意波德布罗意波薛定谔方程薛定谔方程波恩的物质波统计解释波恩的物质波统计解释海森伯的测不准关系海森伯的测不准关系相对论量子力学相对论量子力学狄拉克把量子力学与狭义狄拉克把量子力学与狭义相对论相结合相对论相结合2本讲稿第二页,共六十三页一、热辐射绝对黑体辐射定律 1.热辐射热辐射 物体在不同温度下发出的各种电磁波的能量按波长的分物体在不同温度下发出的各种电磁波的能量按波长的分布随温度而不
2、同的电磁辐射布随温度而不同的电磁辐射单色辐射本领单色辐射本领(单色辐出度)(单色辐出度)波长波长 为的单色辐射本领是指单位时间内从物体的为的单色辐射本领是指单位时间内从物体的单位面积上发出的波长在单位面积上发出的波长在 附近单位波长间隔所辐射的附近单位波长间隔所辐射的能量。能量。12.1黑体辐射普朗克量子假说黑体辐射普朗克量子假说dM 表示单位时间内,表面单位面积上所发射的表示单位时间内,表面单位面积上所发射的波长在波长在 到到+d 范围内的辐射能范围内的辐射能.3本讲稿第三页,共六十三页SI制中单位为瓦特制中单位为瓦特米米3(Wm3).单位时间内从物体表面单位面积上所发射的各种波长的总单位时
3、间内从物体表面单位面积上所发射的各种波长的总辐射能称为物体的辐射出射度辐射能称为物体的辐射出射度(简称辐出度简称辐出度).M(T)只是温度只是温度T的函数的函数单位是单位是Wm-22.黑体辐射黑体辐射能完全吸收照射到它上面的各种波长的光的物体能完全吸收照射到它上面的各种波长的光的物体 绝对黑体单色辐射本领按波长分布曲线绝对黑体单色辐射本领按波长分布曲线4本讲稿第四页,共六十三页1100K1300K1500K1700K()MB(T)20003000斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律曲线与横轴围的面积曲线与横轴围的面积=5.6710-8Wm-2K-4斯特藩斯特藩常量常量5本讲稿第五页,共六十三页
4、维恩位移定律维恩位移定律峰值波长峰值波长b2.89710-3mK,维恩常量,维恩常量当绝对黑体的温度升高时,单色辐射出射度最大值向当绝对黑体的温度升高时,单色辐射出射度最大值向短波方向移动。短波方向移动。6本讲稿第六页,共六十三页二、普朗克量子假设和普朗克公式二、普朗克量子假设和普朗克公式1900年,普朗克从理论上推导出一个与实验符合得年,普朗克从理论上推导出一个与实验符合得非常好的公式非常好的公式c 光速光速,k玻尔兹曼恒量玻尔兹曼恒量为推导出这个公式,普朗克作了如下两条假设为推导出这个公式,普朗克作了如下两条假设(1)黑体是由带电谐振子组成,这些谐振子辐射电磁波,并和黑体是由带电谐振子组成
5、,这些谐振子辐射电磁波,并和周围的电磁场交换能量。周围的电磁场交换能量。(2)这些谐振子能量不能连续变化,只能取一些分立值,这些谐振子能量不能连续变化,只能取一些分立值,是最小能量是最小能量 的整数倍的整数倍,这个最小能量称为这个最小能量称为能量子能量子。,2,3,n,=hv 称为能量子称为能量子7本讲稿第七页,共六十三页h=6.626075510-34Js普朗克常数普朗克常数普朗克公式的得出,是理论和实验结合的典范。普朗克公式的得出,是理论和实验结合的典范。打破打破“一切自然过程能量都是连续的一切自然过程能量都是连续的”经典看法经典看法敲开量子力学的大门敲开量子力学的大门普朗克获得普朗克获得
6、1918年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖8本讲稿第八页,共六十三页12.2光的量子性光的量子性一.光电效应爱因斯坦方程光照射到金属表面时,有电子从金属表面逸出的光照射到金属表面时,有电子从金属表面逸出的现象。现象。GVGDKA光光光电效应中光电效应中产生的电子称为产生的电子称为“光电子光电子”。光电子由光电子由K飞向飞向A,回路中,回路中形成形成光电流光电流。9本讲稿第九页,共六十三页1.实验规律实验规律光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线Is2Is1-UaU光强光强I 较强较强光强光强I 较弱较弱(1)存在饱和光电流存在饱和光电流Is单位时间内从阴极逸出的光电单位时间内从阴极逸出的光电子
7、数与入射光的强度成正比子数与入射光的强度成正比.(2)存在遏止电势差存在遏止电势差存在红限频率存在红限频率遏止电势差与入射光的频率成线遏止电势差与入射光的频率成线性关系。性关系。0UaCsNak:普适常数普适常数,与金属材料无关与金属材料无关U0:同一金属材料是一个常量,不同金属不同同一金属材料是一个常量,不同金属不同10本讲稿第十页,共六十三页 0称为这种金属的称为这种金属的红限频率红限频率(截止频率截止频率)。对于给定的金属,当照射光频率小于金属的红限频率,则对于给定的金属,当照射光频率小于金属的红限频率,则无论光的强度如何,都不会产生光电效应。无论光的强度如何,都不会产生光电效应。(3)
8、光电效应的瞬时性光电效应的瞬时性实验发现,无论光强如何微弱,从光照射到光电子实验发现,无论光强如何微弱,从光照射到光电子出现延迟时间不超过出现延迟时间不超过109s。11本讲稿第十一页,共六十三页2.光电效应的理论解释光电效应的理论解释爱因斯坦光子理论爱因斯坦光子理论光在空间传播时,也具有粒子性光在空间传播时,也具有粒子性.一束光是一束以光速一束光是一束以光速c运运动的粒子流,这些粒子称为光量子,简称为光子动的粒子流,这些粒子称为光量子,简称为光子.每一个光子每一个光子的能量就是的能量就是=hv,不同频率的光子具有不同的能量,不同频率的光子具有不同的能量.根据能量守恒与转换律根据能量守恒与转换
9、律:W为逸出功为逸出功或或爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程12本讲稿第十二页,共六十三页对光电效应的解释对光电效应的解释(1)光电流随光强增加而增加光电流随光强增加而增加因为因为光强光强 光子数光子数N 电子数电子数Ne 光电流光电流(2)存在遏止电势差存在遏止电势差(红限频率红限频率)(3)足够大光子的能量足够大光子的能量hv,能被电子立刻吸收,能被电子立刻吸收13本讲稿第十三页,共六十三页光电效应的应用光电效应的应用测量普朗克常数测量普朗克常数h1916年年,密立根密立根(R.A.Milikan)做了精确的光电效)做了精确的光电效应实验,利用应实验,利用Ua 的直线斜率的直线斜率K
10、,定出,定出h=6.56 10-34J.s。有声电影、电视、闪光计数器、自动控制中都有着重有声电影、电视、闪光计数器、自动控制中都有着重要作用要作用爱因斯坦爱因斯坦(18791955)由于对光电效应的理论解由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献,释和对理论物理学的贡献,获得获得1921年诺贝尔物年诺贝尔物理学奖理学奖14本讲稿第十四页,共六十三页3.光的波粒二象性光的波粒二象性描述光的波动性:描述光的波动性:波长波长 ,频率频率 描述光的粒子性:描述光的粒子性:能量能量 ,动量,动量P P光子的能量光子的能量光子无静质量光子无静质量m0=0光子的动量光子的动量光具有光具有波粒二象性波粒二
11、象性15本讲稿第十五页,共六十三页例例:根据图示确定以下各量根据图示确定以下各量(1)钠的红限频率钠的红限频率v0(2)普朗克常数普朗克常数h(3)钠的逸出功钠的逸出功A钠的截止电压与钠的截止电压与入射光频关系入射光频关系4.396.01000.652.20v(1014Hz)Ua(V)abc解:解:(1)求求v0从图中得出从图中得出(2)求求h 由爱因斯坦方程由爱因斯坦方程其中其中16本讲稿第十六页,共六十三页截止电压与入射光频关系截止电压与入射光频关系从图中得出从图中得出普朗克常数普朗克常数(3)求求A 钠的逸出功钠的逸出功17本讲稿第十七页,共六十三页二、康普顿效应19221923年年,康
12、普顿康普顿(Compton)研究了研究了X射线被较轻物射线被较轻物质质(石墨、石蜡等石墨、石蜡等)散射后散射后X光的成分光的成分.发现除了有与原发现除了有与原X射线射线相同波长的成分外,还有波长较长的成分,这种现象称为或相同波长的成分外,还有波长较长的成分,这种现象称为或康普顿效应康普顿效应。1.康普顿散射实验康普顿散射实验+光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪晶体晶体 0散射波长散射波长,0 0 石墨体石墨体(散射物质散射物质)018本讲稿第十八页,共六十三页实验规律实验规律=0=00 0=45=450 0=90=900 0I I=135=1350 0 0 0(1)散射散
13、射X射线中射线中除原波长除原波长 0外,外,出现了波长出现了波长 0的新散射波的新散射波。(2)=-0,新波长新波长 随散射角随散射角 的的增大而增大。的的增大而增大。(3)不同元素的不同元素的散射物质,在同一散散射物质,在同一散射角下波长改变射角下波长改变 相同相同,波长为波长为 的散射光强度随散射物原的散射光强度随散射物原子序数的增加而减小子序数的增加而减小.19本讲稿第十九页,共六十三页2.康普顿效应的光量子解释康普顿效应的光量子解释经典电磁理论难解释为什么有经典电磁理论难解释为什么有 0的散射的散射康普顿的解释康普顿的解释:入射入射X射线为一束光子射线为一束光子,光子与散射物质中的低能
14、自由电光子与散射物质中的低能自由电子发生子发生弹性碰撞弹性碰撞,碰撞过程中碰撞过程中能量与动量守恒能量与动量守恒。当光子和原子外层电子碰撞,光子的一部分能量传给电子当光子和原子外层电子碰撞,光子的一部分能量传给电子,光子的能量减少,频率变低光子的能量减少,频率变低,因此波长变长。因此波长变长。若光子和内层电子相碰撞时,光子相当于和整个大质量原若光子和内层电子相碰撞时,光子相当于和整个大质量原子作弹性碰撞,碰撞前后光子能量几乎不变,故波长有不子作弹性碰撞,碰撞前后光子能量几乎不变,故波长有不变变的成分的成分。因为光子和原子外层因为光子和原子外层“自由电子自由电子”碰撞,原子核的影响可忽略,碰撞,
15、原子核的影响可忽略,碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关,因而波长改变只与散射碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关,因而波长改变只与散射角有关。角有关。20本讲稿第二十页,共六十三页康普顿效应的定量分析康普顿效应的定量分析e e 能量守恒:能量守恒:动量守恒:动量守恒:康普顿散射公式康普顿散射公式21本讲稿第二十一页,共六十三页电子的康普顿波长电子的康普顿波长 c=0.0243康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义(1)有力地支持了有力地支持了“光量子光量子”概念。概念。也证实了普朗克假设也证实了普朗克假设=h。(2)首次实验证实了爱因斯坦提出的首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量光量子具有
16、动量”的的假设。假设。(3)证实了在微观的单个碰撞事件中,动量和能量守恒证实了在微观的单个碰撞事件中,动量和能量守恒定律仍然是成立的。定律仍然是成立的。22本讲稿第二十二页,共六十三页12.3玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论一.氢原子光谱的实验规律氢原子可见光谱图氢原子可见光谱图6562.8H 4101.7H 4861.3H 4340.5H 1853年年,瑞典人瑞典人埃格斯特朗埃格斯特朗(A.J.ngstrm)测得氢可见光光谱的红线,单位测得氢可见光光谱的红线,单位由此得来。由此得来。1885年年,巴耳末巴耳末(J.J.Balmer)分析这些谱线后,分析这些谱线后,得到一经验公式:得到一经验公
17、式:n=3,4,5,23本讲稿第二十三页,共六十三页当当n时,时,B=3645.6为一恒量为一恒量1890年年,里德伯里德伯(J.R.Rydberg)用波数表示用波数表示n=3,4,5,RH称为里德伯常数称为里德伯常数赖曼系赖曼系(紫外部份紫外部份)n=2,3,巴耳末系巴耳末系(可见光可见光)n=3,4,帕邢系帕邢系(红外部份红外部份)n=4,5,布喇开系布喇开系(远红外远红外)n=5,6,24本讲稿第二十四页,共六十三页普芳德系普芳德系(远红外远红外)n=5,6,广义巴耳末公式广义巴耳末公式k=1,2,n=k+1,k+2,k+3,各谱线的波数各谱线的波数(或频率或频率)都可以用两个都可以用两
18、个正整数正整数k和和n的函数之差来表示:的函数之差来表示:称光谱项称光谱项25本讲稿第二十五页,共六十三页二.玻尔的氢原子理论按经典的电磁理论按经典的电磁理论 无法解释原子的稳定性无法解释原子的稳定性 无法解释原子光谱的不连续性无法解释原子光谱的不连续性1913年年,丹麦物理学家玻尔正式发表了氢原子理论丹麦物理学家玻尔正式发表了氢原子理论1.定态假设定态假设原子系统只能处于一系列不连续的能量状态,这些状态原子系统只能处于一系列不连续的能量状态,这些状态为原子的稳定状态,简称定态为原子的稳定状态,简称定态.原子中处于定态的电子虽然原子中处于定态的电子虽然绕核运动,但不辐射能量,定态的能量分别为绕
19、核运动,但不辐射能量,定态的能量分别为E1,E2,E3,.2.频率假设频率假设当原子从一个具有较高能量当原子从一个具有较高能量En的定态跃迁到另一个具的定态跃迁到另一个具有较低能量有较低能量Ek的定态时,原子辐射一个光子,光子的频率满的定态时,原子辐射一个光子,光子的频率满足足EnEkhv26本讲稿第二十六页,共六十三页3.轨道角动量量子化假设轨道角动量量子化假设轨道量子化条件轨道量子化条件n为正整数,称为量子数为正整数,称为量子数原子从较低能量原子从较低能量Ek的的定态向较大能量定态向较大能量En的定态跃迁时,的定态跃迁时,吸收一个光子吸收一个光子 27本讲稿第二十七页,共六十三页玻尔假设应
20、用于氢原子玻尔假设应用于氢原子轨道半径量子化轨道半径量子化第一玻尔轨道半径第一玻尔轨道半径能量量子化和原子能级能量量子化和原子能级28本讲稿第二十八页,共六十三页基态能级基态能级激发态能级激发态能级氢原子的电离能氢原子的电离能氢原子光谱氢原子光谱氢原子发光机制是能级间的跃迁氢原子发光机制是能级间的跃迁实验值实验值RH1.0967758 107 m129本讲稿第二十九页,共六十三页因此能量也可写成因此能量也可写成氢原子光谱中的不同谱线氢原子光谱中的不同谱线6562.794861.334340.474101.7418.7540.50赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布喇开系布喇开系连续区连续
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