量子物理基础分析解析.pptx

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1、16.1 量子物理学的诞生量子物理学的诞生 普朗克量子假设普朗克量子假设热辐射:由温度决定的物体的电磁辐射。由温度决定的物体的电磁辐射。u 热辐射的基本概念入射入射反射反射透射透射吸收吸收辐射辐射v 物体辐射电磁波的同时也吸收电磁波。物体辐射电磁波的同时也吸收电磁波。v辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射称为体的热辐射称为平衡热辐射平衡热辐射。第1页/共35页单色辐出度单色辐出度-在一定温度在一定温度T 下，物体单位表面在单位时间内下，物体单位表面在单位时间内发射的波长在发射的波长在 +d 范围内的辐射能与波长间范围内的辐射

2、能与波长间隔的比值，隔的比值，即即 热辐射的特点:(1)(1)连续连续(2)(2)温度越高温度越高,辐射越强辐射越强(3)(3)频谱分布随温度变化频谱分布随温度变化(4)(4)物体的辐射本领与温度、材料有关；物体的辐射本领与温度、材料有关；辐射本领越大，吸收本领也越大。辐射本领越大，吸收本领也越大。第2页/共35页u 黑体辐射绝对黑体(黑体)：能够全部吸收各种波长的辐射且不反射能够全部吸收各种波长的辐射且不反射 和透射的物体。和透射的物体。黑体辐射的特点：与同温度与同温度其它物体其它物体的热辐射相比，的热辐射相比，黑体热辐射黑体热辐射本领本领最强最强 煤烟煤烟 约99%黑体模型黑体模型黑体热辐

3、射黑体热辐射温度温度材料性质材料性质第3页/共35页u 经典物理的解释及普朗克公式MB 瑞利 金斯公式(1900年)维恩公式(1896年)普朗克公式(1900年)实验曲线实验曲线普朗克常数普朗克常数 h=6.62610-34 Js （为得到这一公式，普朗克提出（为得到这一公式，普朗克提出了能量量子化假设）了能量量子化假设）第4页/共35页电磁波u 普朗克能量子假设 若谐振子频率为若谐振子频率为 v，则其能量是，则其能量是hv,2hv,3hv,nhv,首次提出微观粒子首次提出微观粒子的的能量是量子化的，打破了经典物理学中能量是量子化的，打破了经典物理学中能量能量连续的连续的观念。观念。普朗克常数

4、普朗克常数 h=6.62610-34 Js 腔壁上的原子腔壁上的原子(谐振子谐振子)能量与腔内电磁场交换能量时，谐振子能与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化是量的变化是 hv(能量子能量子)的整数倍的整数倍.意义打开了人们认识微观世界的大门打开了人们认识微观世界的大门,在物理学发展史上起了划时代的作用在物理学发展史上起了划时代的作用.第5页/共35页伏安特性曲线伏安特性曲线光电效应的实验规律(1)饱和电流 iS(2)遏止电压 Ua iS :单位时间 阴极产生的光电子数 I（I,v)AKU16.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说iS3iS1iS2I1I2I3-UaUiI1

5、I2I3 Ua光电子最大初动能和光电子最大初动能和 成线性关系成线性关系遏止电压与频率关系曲线遏止电压与频率关系曲线和和v 成成线线性性关关系系i(实验装置示意图实验装置示意图)0A(3)截止频率 0(4)即时发射:迟滞时间不超过迟滞时间不超过 10-9 秒秒第6页/共35页u 经典物理与实验规律的矛盾 电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量(与与 光强光强 I 有关有关)逸出，不应存在红限逸出，不应存在红限 0 。当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累。当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累。只有光的频率只有光的频

6、率 0 时，电子才会逸出。时，电子才会逸出。逸出光电子的多少取决于光强逸出光电子的多少取决于光强 I。光电子即时发射，滞后时间不超过光电子即时发射，滞后时间不超过 109 秒秒。r 总结 光电子最大初动能和光频率光电子最大初动能和光频率 成线性关系。成线性关系。光电子最大初动能取决于光强，和光的频率光电子最大初动能取决于光强，和光的频率 无关。无关。第7页/共35页爱因斯坦光子假说和光电效应方程 光是光子流光是光子流，每一光子能量为，每一光子能量为 h，电子吸收一个光子电子吸收一个光子（A A 为为逸逸出功）出功）单位时间到达单位垂直面积的光子数为单位时间到达单位垂直面积的光子数为N，则光强，

7、则光强 I=Nh.I 越强越强,到阴极的光子越多到阴极的光子越多,则则逸逸出的光电子越多。出的光电子越多。电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。光频率光频率 A/h 时，时，电子吸收一个光子即可克服逸出功电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出逸出(o=A/h)。r 结论 光电子最大初动能和光频率光电子最大初动能和光频率 成线性关系。成线性关系。第8页/共35页一铜球用绝缘线悬挂于真空中，被波长为 =150 nm 的光照射。已知铜的逸出功为 4.5eV。铜球失去电子后带正电，电势升高，使束缚电子的势垒也升高，设铜球表面的电势为U，逸

8、出电子的速度为v，铜的逸出功为A，爱因斯坦光电效应方程为逸出电子的最大动能为零时，铜球电势达最高U max，有解例铜球因失去电子而能达到的最高电势。求第9页/共35页光子动量光（电磁辐射）的波粒二象性光子能量光子质量粒子性波动性r 光电效应的应用 光电管:光电开关光电开关,红外成像仪红外成像仪,光电传感器等光电传感器等光电倍增管:(微光微光)夜视仪夜视仪第10页/共35页测量波长在测量波长在 2001200 nm 极微弱光的功率极微弱光的功率光电倍增管光电倍增管第11页/共35页 0 0 v 散射线中有两种波长散射线中有两种波长 0 0、，随散射角随散射角 的增大而增大。探测器 016.3 康

9、普顿效应及光子理论的解释康普顿效应及光子理论的解释康普顿效应X 光管光阑散射物体(实验装置示意图）实验装置示意图）v 散射物体不同，散射物体不同，0 0 、的强度比不同。的强度比不同。第12页/共35页u 经典物理的解释v 经典理论只能说明波长不变的散射，而经典理论只能说明波长不变的散射，而不能不能说明说明康普顿散射康普顿散射电子受迫振动同频率散射线发射 单色电磁波受迫振动受迫振动v0照射散射物体第13页/共35页光子理论的解释能量、动量守恒能量、动量守恒(1)入射光子与外层电子弹性碰撞 外层外层电子电子受原子核束缚较弱受原子核束缚较弱动能动能光子能量光子能量 近似自由近似自由近似静止近似静止

10、静止静止 自由自由 电子电子第14页/共35页（电子的康普顿波长）（电子的康普顿波长）其中其中第15页/共35页(2)X 射线光子和原子内层电子相互作用光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。自由电子000内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。光子光子内层电子内层电子外层电子外层电子波长变大的散射线波长变大的散射线波长不变的散射线波长不变的散射线v 波长变化r 结论原子第16页/共35页v 强度变化 波长波长 0 轻物质（多数电子处于弱束缚状态轻物质（多数电子处于弱束缚状态

11、 ）弱弱强强重物质（多数电子处于强束缚状态重物质（多数电子处于强束缚状态 ）强强弱弱吴吴有有训训实实验验结结果果第17页/共35页例 0 =0.02nm 的X射线与静止的自由电子碰撞,若从与入射线 成900的方向观察散射线。求(1)散射线的波长;(2)反冲电子的动能;(3)反冲电子的动量。解(1)散射散射线的波长:(2)反冲电子的动能反冲电子的动能:(3)反冲电子的动量：反冲电子的动量：第18页/共35页氢原子光谱的实验规律记录氢原子光谱的实验原理记录氢原子光谱的实验原理16.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论氢放电管23 kV光阑全息干板 三棱镜（或光栅）光光 源源氢

12、原子线状光谱（摄谱仪）（摄谱仪）第19页/共35页（氢光谱的里德伯常量）（氢光谱的里德伯常量）(3)k=2(n=3,4,5,)谱线系谱线系 赖曼系赖曼系 （1908年）年）(2)谱线的谱线的波数波数可表示为可表示为 k=1(n=2,3,4,)谱线系谱线系 巴耳末系（巴耳末系（1880年）年）(1)分立线状光谱分立线状光谱v 实验规律（氢原子的巴耳末线系）（氢原子的巴耳末线系）v 经典理论的困难第20页/共35页(2)跃迁假设玻尔的氢原子理论(1)定态假设原子从一个定态跃迁到另一定态，原子从一个定态跃迁到另一定态，会发射或吸收一个光子，频率会发射或吸收一个光子，频率稳稳定定状状态态 这些定态的能

13、量不连续这些定态的能量不连续 不辐射电磁波不辐射电磁波 电子作圆周运动电子作圆周运动v（定定态态）(3)角动量量子化假设 轨道轨道角动量角动量第21页/共35页r2=4r1r2=9r1r向心力是库仑力向心力是库仑力 由上两式得由上两式得,第第 n 个定态的轨道半径为个定态的轨道半径为 l 能量量子化能量量子化-13.6 eV玻尔半径玻尔半径l 轨道半径量子化：轨道半径量子化：第22页/共35页En(eV)氢原子能级图氢原子能级图赖曼系赖曼系k=1巴耳末系巴耳末系k=2帕邢系帕邢系k=3布拉开系布拉开系k=4-13.6-1.51-3.390光频光频n=1n=2n=3n=4n=5n=6第23页/共

14、35页l 波数波数(与实验对比与实验对比)当时实验测得当时实验测得其中计算得到其中计算得到第24页/共35页(1)成功地把氢原子结构和光谱线结构联系起来成功地把氢原子结构和光谱线结构联系起来,从理从理 论上说明了氢原子和类氢原子的光谱线结构。论上说明了氢原子和类氢原子的光谱线结构。r 意义(2)揭示了微观体系的量子化规律，为建立量子力学奠揭示了微观体系的量子化规律，为建立量子力学奠 定了基础。定了基础。r 缺陷(1)不能处理复杂原子的问题。不能处理复杂原子的问题。(2)完全没涉及谱线的强度、宽度等特征。完全没涉及谱线的强度、宽度等特征。(3)以经典理论为基础以经典理论为基础,是半经典半量子的理

15、论。是半经典半量子的理论。第25页/共35页单个电子单个电子在哪一处出现是在哪一处出现是偶然事件偶然事件；大量电子大量电子的分布有确定的的分布有确定的统计规律统计规律。电子数电子数 N=7电子数电子数 N=100电子数电子数 N=3000电子数电子数 N=20000电子数电子数 N=70000出现概率小出现概率大电电子子双双缝缝干干涉涉图图样样第26页/共35页波动性波动性(,v)粒子性粒子性(m,p)光光+实物粒子实物粒子+？微观粒子的波粒二象16.5 微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性 不确定关系不确定关系 实物粒子具有波粒二象性。实物粒子具有波粒二象性。频率波长l 德布罗意假设(1

16、924年)：第27页/共35页戴维孙戴维孙革末电子散射实验革末电子散射实验(1927(1927年年)，观测到电子衍射现象。，观测到电子衍射现象。电电子子束束X射射线线衍射图样衍射图样（波长相同）电子双缝干涉图样电子双缝干涉图样l 物质波的实验验证：杨氏双缝干涉图样杨氏双缝干涉图样第28页/共35页计算经过电势差 U1=150 V 和 U2=104 V 加速的电子的德布罗意波长（不考虑相对论效应）（不考虑相对论效应）。例 解 根据根据，加速后电子的速度为，加速后电子的速度为根据德布罗意关系根据德布罗意关系 p=h/，电子的德布罗意波长为电子的德布罗意波长为波长分别为波长分别为r 说明电子波波长电

17、子波波长光波波长光波波长电子显微镜分辨能力电子显微镜分辨能力远大于远大于光学显微镜光学显微镜第29页/共35页不确定关系(1)动量 坐标不确定关系微观粒子的位置坐标微观粒子的位置坐标 x 、动量动量 分量分量 px 不能同时具有不能同时具有确定的值。确定的值。分别是分别是 x，px 同时具有的不确定量，同时具有的不确定量，则其则其乘积乘积下面借助电子单缝衍射试验加以说明。下面借助电子单缝衍射试验加以说明。（海森伯海森伯坐标和动量的不确定关系）坐标和动量的不确定关系）第30页/共35页电电子子束束x电子经过狭缝，其坐标电子经过狭缝，其坐标 x 的不确定量为的不确定量为 x ；大部分大部分电子落在

18、中央电子落在中央明纹明纹 x 动量分动量分量量 px的的不确定量为不确定量为，则，则减小缝宽减小缝宽 x,x 确定的越准确定的越准确确px的不确定度的不确定度,即即px越越大大 粒子的波动性 不确定关系 r 结论：（1）微观粒子没有确定的轨道；（；（2 2）微观粒子不可能静止。）微观粒子不可能静止。第31页/共35页 子弹（m=0.10 g,v=200 m/s）穿过 0.2 cm 宽的狭缝。例解求 沿缝宽方向子弹的速度不确定量。子弹速度的不确定量为子弹速度的不确定量为r 讨论 若让第32页/共35页原子的线度约为 10-10 m，求原子中电子速度的不确定量。电子速度的不确定量为电子速度的不确定

19、量为氢原子中电子速率约为氢原子中电子速率约为 106 m/s。速率不确定量与速率本身。速率不确定量与速率本身的的数量级基本相同，因此原子中电子的位置和速度不能同时数量级基本相同，因此原子中电子的位置和速度不能同时完全确定，也没有确定的轨道。完全确定，也没有确定的轨道。原子中电子的位置不确定量 10-10 m，由不确定关系例解r 说明第33页/共35页(2)能量 时间不确定关系反映了原子能级宽度反映了原子能级宽度E 和原子在和原子在该能级的平均寿命该能级的平均寿命 t 之间的关系。之间的关系。基态基态辐射光谱线固有宽度辐射光谱线固有宽度激发态激发态 E基态基态寿命寿命t光辐射光辐射能级宽度能级宽度平均寿命平均寿命 t 10-8 s平均寿命平均寿命 t 能级宽度能级宽度 E 0第34页/共35页感谢您的观看！第35页/共35页