第15章1量子物理优秀课件.ppt

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1、第15章1量子物理第1页，本讲稿共54页15-1 黑体辐射和普朗克能量子假设 15-1-1 黑体辐射 热辐射：物体内的分子、原子受到热激发而产生电磁辐射的现象。任何物体在任何温度下都会产生热辐射 单色辐出度（M）：从物体表面单位面积上发射出的波长介于 与 之间的辐射功率 与 的比值。第2页，本讲稿共54页辐出度（M）：物体表面单位面积发射的包含各种波长在内的辐射功率。吸收率：吸收能量与入射总能量的比值。单色吸收率：波长在 范围内的吸收率。单位：单位：第3页，本讲稿共54页黑体：能够完全吸收外来辐射而没有反射的物体。基尔霍夫定律：在相同温度下，单色辐出度与单色吸收率的比值对于所有物体都相同，是一

2、个只取决于温度 T 和波长的函数。第4页，本讲稿共54页在热平衡条件下，黑体辐射的实验能谱曲线：第5页，本讲稿共54页斯忒藩-玻耳兹曼定律：斯忒藩-玻耳兹曼常量：维恩位移定律：能谱分布曲线的峰值对应的波长m与温度T 的乘积为一常数。维恩常量:第6页，本讲稿共54页维恩公式：瑞利-金斯公式：4 0 1 2 3 5 6 7 8 9维恩线瑞利-金斯线第7页，本讲稿共54页15-1-2 普朗克公式 普朗克能量子假设 普朗克经验公式：4 0 1 2 3 5 6 7 8 9第8页，本讲稿共54页普朗克常量：讨论：（1）在长波段情况下（瑞利-金斯公式）（2）在短波段情况下（维恩公式）第9页，本讲稿共54页普

3、朗克的能量子假设：对于频率为 的谐振子，其辐射能量是不连续的，只能取某一最小能量的整数倍。n 称为量子数 称为能量子 爱因斯坦评价：“这一发现成为 20 世纪整个物理研究的基础，从那时起，几乎完全决定了物理学的发展。”第10页，本讲稿共54页例1（1）温度为20的物体，它的辐射能中辐出度的峰值所对应的波长是多少？（2）若使一物体单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，其温度应为多少？（3）上两小题中，总辐射能的比值为多少？解（1）（2）取=650 nm（3）第11页，本讲稿共54页光电效应：当一束光照射在金属表面上时，金属表面会有电子逸出的现象。15-2 光电效应 爱因斯坦光量子理论 1

4、5-2-1 光电效应 逸出的电子称为光电子。回路中形成电流称为光电流。第12页，本讲稿共54页光电效应实验的结果：（1）存在截止频率（又称红限）。当入射光的频率 大于截止频率 时，才能产生光电效应；反之，无论入射光的强度多大，都不能产生光电效应。不同材料的截止频率不同。（2）在入射光频率不变时，饱和光电流随入射光强度 I 增加而增大；当加速电压为零时，光电流并不为零。存在遏止电压。第13页，本讲稿共54页（3）遏止电压与入射光强度无关，但与入射光的频率成正比。（4）光电效应具有瞬时响应特性(t 10-9 s)。且这种瞬间响应与入射光的强度无关。遏止电压反映了光电子的最大初动能。第14页，本讲稿

5、共54页15-2-2 爱因斯坦光量子理论 爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上进一步提出了光子假设。光子：爱因斯坦光电效应方程：逸出功（W）：电子用于克服金属表面势垒的束缚而做的功。第15页，本讲稿共54页爱因斯坦对光电效应的实验解释：（1）入射光的强度 I 取决于单位时间内垂直通过单位面积的光子数n。入射光较强时，含有的光子数较多，所以获得能量而逸出的电子数也多，饱和电流自然也就大。（2）当 时，电子无法获得足够能量脱离金属表面，因此存在红限。第16页，本讲稿共54页（4）入射光中光子的能量被金属表面的电子一次吸收，因此具有瞬时性。（3）根据遏止电压与入射光的频率成正比，比例系数与材料的性质无

6、关。第17页，本讲稿共54页15-2-3 光的波粒二象性 光具有波粒二象性 光在传播过程中显著地表现出它的波动性；光在与物质相互作用时，更多地表现为粒子性。光子能量：光子的质量：光子的动量：第18页，本讲稿共54页例2 钾的光电效应红限为0=6.2 10-7m，求（1）电子的逸出功；（2）在波长为3.0 10-7m的紫外线照射下，遏止电压为多少？（3）电子的初速度为多少？解：第19页，本讲稿共54页例3 有一金属钾薄片，距弱光源3米。此光源的功率为1W，计算在单位时间内打在金属单位面积上的光子数。设=589 nm。解：第20页，本讲稿共54页15-3 康普顿效应 康普顿效应：当X射线被物质散射

7、时，散射光中不仅有与入射光相同的波长成分，更有波长大于入射光波长的成分。15-3-1康普顿散射的实验规律第21页，本讲稿共54页（1）对于原子量较小的散射物质，康普顿散射较强，反之较弱。（2）波长的改变量-0 随散射角的增加而增加。（3）对不同的散射物质，只要在同一个散射角下，波长的改变量-0 都相同。第22页，本讲稿共54页15-3-2 康普顿效应的量子解释 X 射线散射的简化模型：单个光子与单个静止的自由电子发生弹性碰撞。x-能量守恒：第23页，本讲稿共54页动量守恒：x-y又第24页，本讲稿共54页康普顿散射公式：康普顿波长：（1）波长的改变量 与散射角有关，散 射角 越大，也越大。（2

8、）波长的改变量 与入射光的波长无关。结论：问题：为什么在可见光的散射实验中我们没有看到康普顿效应呢？第25页，本讲稿共54页例4 在康普顿效应中，入射光的波长为310-3 nm，反冲电子的速度为光速的60%，求散射光的波长和散射角。解第26页，本讲稿共54页第27页，本讲稿共54页例5 波长为 0=0.020 nm 的 X 射线与自由电子发生碰撞，若从与入射角成90角的方向观察散射线。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：第28页，本讲稿共54页第29页，本讲稿共54页15-4 氢原子光谱和玻尔理论 15-4-1 氢原子光谱 656.3486.1 434.0

9、410.2巴耳末公式：第30页，本讲稿共54页计算值：实验值：波数：第31页，本讲稿共54页(n m)结论：谱线的波数可以表示为两个光谱项之差。光谱项：里德伯表达式：里德伯常量的近代测量值：第32页，本讲稿共54页莱曼系（紫外线）帕邢系（红外线）布拉开系（红外线）普丰德系（红外线）巴耳末系（可见光）第33页，本讲稿共54页15-4-2 原子的经典模型 1.汤姆孙的面包夹葡萄干模型 整个原子呈胶冻状的球体，正电荷均匀分布于球体上，而电子镶嵌在原子球内，在各自的平衡位置附近做简谐振动，并发射同频率的电磁波。-第34页，本讲稿共54页 粒子散射实验2.卢瑟福的核式原子模型：原子由原子核和核外电子构成

10、，原子核带正电荷，占据整个原子的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。第35页，本讲稿共54页15-4-3 玻尔的氢原子理论 玻尔的三条基本假设：（1）原子中的电子只能在一些分裂的轨道上运行，在每一个轨道上运动电子处于稳定的能量状态。（2）当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁时，要发射或吸收光子。第36页，本讲稿共54页（3）电子在原子中的稳定轨道满足角动量L等于 的整数倍条件。+-设电子质量为m，带电荷量e。力学方程：量子化条件：第37页，本讲稿共54页电子轨道半径：玻尔半径：电子在第n个轨道上的能量：第38页，本讲稿共54页将“量子化条件”和“玻尔半径”

11、代入能量式，得：轨道能量：基态能量：各能级值：各能态：基态：n=1；第一激发态：n=2；第二激发态：n=3；第39页，本讲稿共54页莱曼系巴耳末系帕邢系布拉开系普丰德系-13.58-3.39-1.51-0.85-0.540En/eV12354氢原子能级图第40页，本讲稿共54页与里德伯表达式比较：电子从高能级向低能级跃迁时放出光子的波数：理论值与实验值符合得非常好！第41页，本讲稿共54页例6 如用能量为12.6eV的电子轰击氢原子，将产生那些谱线？解：取 n=3第42页，本讲稿共54页可能的轨道跃迁：31，32，21第43页，本讲稿共54页15-5 粒子的波动性 15-5-1 德布罗意波 1

12、923年，德布罗意第一次提出了实物粒子具有波动性观点，以后人们把这种波称为“德布罗意波”又称为“物质波”实物粒子和光子一样，也具有波粒二象性。如果用能量 E 和动量 p 来表征实物粒子的粒子性，则可用频率 和波长 来表示实物粒子的波动性。第44页，本讲稿共54页德布罗意关系式：玻尔量子化条件的驻波解释：第45页，本讲稿共54页15-5-2 物质波的实验验证 戴维孙、革末实验 镍晶体电子枪电子束散射线电子探测器015 30 45 60 75 90 50实验结果：加速电压：散射角：电子束强度极大 第46页，本讲稿共54页入射电子束散射电子束晶体表面 如果实验结果是由于电子衍射产生的，则应满足关系式

13、：镍单晶原子间距：取，k=1 第47页，本讲稿共54页设电子在加速电压作用下的动量为p，质量为m。电子的德布罗意波长：结论：电子的德布罗意波长的理论计算值与实验值相吻合。第48页，本讲稿共54页汤姆孙电子衍射实验电子束金箔屏电子枪600 eV的电子束穿过铝箔形成的电子衍射花样。第49页，本讲稿共54页例7 计算25时，慢中子的德布罗意波长。解第50页，本讲稿共54页15-6 德布罗意波的统计诠释 不确定关系 15-6-1 德布罗意波的统计诠释 1926年，德国物理学家玻恩提出了德布罗意波的统计诠释：实物粒子的波是一种概率波，波的强度反映了空间某处发现粒子的可能性（概率）大小。右图为电子的双缝衍射照片第51页，本讲稿共54页15-6-2 不确定关系 电子的单缝衍射电子坐标的不确定量：电子动量的不确定量：第52页，本讲稿共54页不确定原理（不确定关系）：微观粒子的坐标和动量不可能同时进行准确测定。不确定关系式：能量和时间的不确定关系：第53页，本讲稿共54页例8 根据玻尔的氢原子模型，电子处于基态时的运动轨道半径为。请问，根据海森伯的不确定原理，这一模型现实吗？解：假设 沿半径方向动量的不确定量为 第54页，本讲稿共54页