量子力學(xué)的誕生

1、第一章第一章 量子力學(xué)的誕生量子力學(xué)的誕生1.1 1.1 能量子概念的提出能量子概念的提出1.2 1.2 光的波粒二象性光的波粒二象性1.3 1.3 原子結(jié)構(gòu)的波爾理論原子結(jié)構(gòu)的波爾理論1.4 1.4 實(shí)物粒子的波粒二象性實(shí)物粒子的波粒二象性1.1 1.1 能量子概念的提出能量子概念的提出一一 黑體輻射經(jīng)典解釋的困難黑體輻射經(jīng)典解釋的困難二二 Planck Planck 黑體輻射定律黑體輻射定律 能量按頻率的分布隨溫度而不同的輻射稱為熱輻射。能量按頻率的分布隨溫度而不同的輻射稱為熱輻射。分子分子(含有帶電粒子含有帶電粒子)的熱運(yùn)動(dòng)使物體輻射電磁波的熱運(yùn)動(dòng)使物體輻射電磁波。 例如加熱鐵塊，隨著溫

2、度的升高例如加熱鐵塊，隨著溫度的升高: : 開始不發(fā)光開始不發(fā)光 黃白色黃白色橙色橙色暗紅暗紅一、黑體輻射經(jīng)典解釋的困難一、黑體輻射經(jīng)典解釋的困難維恩設(shè)計(jì)的黑體：不透明材料的空腔開一個(gè)小孔。維恩設(shè)計(jì)的黑體：不透明材料的空腔開一個(gè)小孔。 輻射輻射本領(lǐng)大的物體，本領(lǐng)大的物體，吸收吸收本領(lǐng)也大。本領(lǐng)也大。 黑體能黑體能吸收吸收各種波長的電磁波，也能各種波長的電磁波，也能輻射輻射 各種波長的電磁波。各種波長的電磁波。吸收吸收本領(lǐng)最大，本領(lǐng)最大，輻射輻射本領(lǐng)也最大。本領(lǐng)也最大。黑體黑體：能吸收射到其上的全部輻射的物體能吸收射到其上的全部輻射的物體黑體輻射黑體輻射：由這樣的空腔小孔發(fā)出的輻射就稱為黑體輻射

3、。由這樣的空腔小孔發(fā)出的輻射就稱為黑體輻射。輻射熱平衡狀態(tài)輻射熱平衡狀態(tài): : 處于某一溫度處于某一溫度 T T 下的腔壁，單下的腔壁，單位面積所發(fā)射出的輻射能量和它所吸收的輻射能位面積所發(fā)射出的輻射能量和它所吸收的輻射能量相等時(shí)，輻射達(dá)到量相等時(shí)，輻射達(dá)到熱平衡狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)。能量密度能量密度 (104 cm)0510實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 熱平衡時(shí)，空腔輻射的能量密度，與輻射的波長熱平衡時(shí)，空腔輻射的能量密度，與輻射的波長的分布曲線，其形狀和位置只與黑體的絕對(duì)溫度的分布曲線，其形狀和位置只與黑體的絕對(duì)溫度 T T 有關(guān)有關(guān)而與黑體的而與黑體的形狀和材料無關(guān)形狀和材料無關(guān)。（1 1）維恩公式）

4、維恩公式 假定駐波能量按頻率的分布類似于假定駐波能量按頻率的分布類似于 麥克斯韋速度分布率（經(jīng)典的）。麥克斯韋速度分布率（經(jīng)典的）。（2 2）瑞利）瑞利金斯公式金斯公式 假定駐波的平均能量為假定駐波的平均能量為 kTkT （經(jīng)典的能量均分定理）（經(jīng)典的能量均分定理）在長波段，維恩線明顯偏離實(shí)驗(yàn)曲線！在長波段，維恩線明顯偏離實(shí)驗(yàn)曲線！在紫外區(qū)在紫外區(qū)( (短波段短波段) )與實(shí)驗(yàn)明顯不符，與實(shí)驗(yàn)明顯不符，短波極限為無限大短波極限為無限大“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”！經(jīng)典解釋失效！經(jīng)典解釋失效！Tea/3kTC222o1 2 3 5 6 8 947維恩維恩瑞利瑞利-金斯金斯實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值紫紫外外災(zāi)災(zāi)難難E二

5、二 Planck Planck 黑體輻射定律黑體輻射定律 究竟是什么機(jī)制使空腔的原子產(chǎn)生出所觀察到的黑體輻射究竟是什么機(jī)制使空腔的原子產(chǎn)生出所觀察到的黑體輻射能量分布，對(duì)此問題的研究導(dǎo)致了量子物理學(xué)的誕生。能量分布，對(duì)此問題的研究導(dǎo)致了量子物理學(xué)的誕生。能量密度能量密度 (104 cm)051019001900年月日年月日Planck Planck 提出：提出： 如果空腔內(nèi)的黑體輻射和腔壁原子處于平衡，如果空腔內(nèi)的黑體輻射和腔壁原子處于平衡，那么輻射的能量分布與腔壁原子的能量分布就應(yīng)有那么輻射的能量分布與腔壁原子的能量分布就應(yīng)有一種對(duì)應(yīng)。作為輻射原子的模型，一種對(duì)應(yīng)。作為輻射原子的模型，Pla

6、nck Planck 假定假定：（1 1）原子的性能和諧振子一樣，以給定的頻率）原子的性能和諧振子一樣，以給定的頻率 v v 振蕩；振蕩；（2 2）對(duì)于頻率為）對(duì)于頻率為 的電磁輻射，物體只能以的電磁輻射，物體只能以 h h 為單位為單位發(fā)射或吸收它。即物體發(fā)射或吸收電磁輻射只能以發(fā)射或吸收它。即物體發(fā)射或吸收電磁輻射只能以“量量子子”方式進(jìn)行，每個(gè)方式進(jìn)行，每個(gè)能量子能量子的能量為的能量為E=hE=h . .SJh 341056. 6普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) dkThChd 1)/exp(1833Planck Planck 輻射定律輻射定律能量密度能量密度 (104 cm)0510Planck

7、線線（1）當(dāng)）當(dāng) v 很大（短波）時(shí)很大（短波）時(shí)公式Wien（2）當(dāng)）當(dāng) v 很?。ㄩL波）時(shí)很小（長波）時(shí)Raylei-ghjeans 公式 Planck Planck 假定：假定：電磁波的能量可以被量子化（即做不連續(xù)性變化）電磁波的能量可以被量子化（即做不連續(xù)性變化）電磁波具有粒子性的特點(diǎn)？（當(dāng)時(shí)尚無此概念）電磁波具有粒子性的特點(diǎn)？（當(dāng)時(shí)尚無此概念）為什么平常在觀察簡(jiǎn)諧振蕩時(shí)沒觀察到能量量子化的現(xiàn)象為什么平常在觀察簡(jiǎn)諧振蕩時(shí)沒觀察到能量量子化的現(xiàn)象？例：一彈簧振子例：一彈簧振子mAmNkkgm1 . 0,/10,103HzmkJkAE59. 121,5212JhE33341059. 110

8、63. 6按照能量量子化理論，相鄰兩能級(jí)之間的間隔為：按照能量量子化理論，相鄰兩能級(jí)之間的間隔為：宏觀尺度上能量量子化效應(yīng)很難被觀察到（宏觀尺度上能量量子化效應(yīng)很難被觀察到（h h太?。┨。﹛xFmo1.2 光的波粒二象性光的波粒二象性一、光電效應(yīng)經(jīng)典解釋的困難一、光電效應(yīng)經(jīng)典解釋的困難二、光量子的概念和光電效應(yīng)理論二、光量子的概念和光電效應(yīng)理論三、三、Compton 散射散射 光的粒子性的進(jìn)一步證實(shí)光的粒子性的進(jìn)一步證實(shí)光照射到金屬上，有電子從金屬上逸出的現(xiàn)象。光照射到金屬上，有電子從金屬上逸出的現(xiàn)象。這種電子稱之為光電子。這種電子稱之為光電子。實(shí)驗(yàn)裝置：實(shí)驗(yàn)裝置：GDGD為光電管，為光電

9、管，光通過石英窗口照射光通過石英窗口照射陰極陰極K K，光電子從陰極，光電子從陰極表面逸出。表面逸出。光電子在電場(chǎng)加速下向光電子在電場(chǎng)加速下向陽極陽極A A運(yùn)動(dòng)，形成光電流。運(yùn)動(dòng)，形成光電流。一、光電效應(yīng)經(jīng)典解釋的困難一、光電效應(yīng)經(jīng)典解釋的困難（3 3）光電效應(yīng)是）光電效應(yīng)是瞬時(shí)瞬時(shí)發(fā)生的只要入射光頻率發(fā)生的只要入射光頻率 0 0，無論光多微弱，從光照射陰極到光電子逸出，無論光多微弱，從光照射陰極到光電子逸出，馳豫時(shí)間不超過馳豫時(shí)間不超過10 10 -9-9 s s 。這與經(jīng)典電磁波的概念完全不同！這與經(jīng)典電磁波的概念完全不同?。? 1）不論光強(qiáng)多大，）不論光強(qiáng)多大， 只有當(dāng)入射光頻率只有當(dāng)入

10、射光頻率 大于一大于一定的定的紅限頻率紅限頻率 0 0 時(shí)，才會(huì)產(chǎn)光電流。時(shí)，才會(huì)產(chǎn)光電流。 實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)規(guī)律（2 2）每個(gè)光電子的）每個(gè)光電子的能量能量只與光的只與光的頻率有關(guān)頻率有關(guān)，而與，而與光的光的強(qiáng)度無關(guān)強(qiáng)度無關(guān)。光的強(qiáng)度只影響。光的強(qiáng)度只影響 光電子數(shù)目光電子數(shù)目。二、光量子的概念和光電效應(yīng)理論二、光量子的概念和光電效應(yīng)理論（1 1）光子概念光子概念 （2 2）光電效應(yīng)理論光電效應(yīng)理論 （3 3）光子的動(dòng)量光子的動(dòng)量 （1 1）光子概念）光子概念 電磁輻射由以光速電磁輻射由以光速c c 運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)的 局限于空間某一小范圍的局限于空間某一小范圍的光量子光量子（光子光子）組成，每一個(gè)）

11、組成，每一個(gè) 光量子的能量光量子的能量 與輻與輻射頻率射頻率 的關(guān)系為的關(guān)系為 = h = h 其中其中h h 是普朗克常數(shù)。是普朗克常數(shù)。光量子具有光量子具有“整體性整體性”。一個(gè)光子只能整個(gè)地被電子吸收或放出。一個(gè)光子只能整個(gè)地被電子吸收或放出。（2 2）光電效應(yīng)理論）光電效應(yīng)理論 當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，能量為當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，能量為 hh的光子被電子的光子被電子所吸收，電子把這份能量的一部分用來克服金屬表所吸收，電子把這份能量的一部分用來克服金屬表面對(duì)它的吸引，另一部分用來提供電子離開金屬表面對(duì)它的吸引，另一部分用來提供電子離開金屬表面時(shí)的動(dòng)能。其能量關(guān)系可寫為：面時(shí)的動(dòng)能。其能量關(guān)

12、系可寫為：AhmV 2211. 1. 臨界頻率臨界頻率v v0 0解釋解釋:2. 2. 光電子動(dòng)能只決定于光子的頻率光電子動(dòng)能只決定于光子的頻率 （3 3）光子的動(dòng)量）光子的動(dòng)量 光子不僅具有確定的能量光子不僅具有確定的能量 E =hvE =hv，而且具有動(dòng)量。，而且具有動(dòng)量。 根據(jù)相對(duì)論知根據(jù)相對(duì)論知: :是是粒粒子子的的靜靜止止質(zhì)質(zhì)量量。其其中中022201mCVCmE 對(duì)于光子，速度對(duì)于光子，速度 V = CV = C，欲使上式有意義，必須令，欲使上式有意義，必須令 m m0 0 = 0 = 0, ,即光子靜質(zhì)量為零。即光子靜質(zhì)量為零。222202)()()(pCpCCmE 根據(jù)相對(duì)論能

13、動(dòng)量關(guān)系：根據(jù)相對(duì)論能動(dòng)量關(guān)系：系系：于于是是得得光光子子的的能能動(dòng)動(dòng)量量關(guān)關(guān)CEppCE/ 或或nkhknnhnChnCEphE 22其其中中總結(jié)光子能量、動(dòng)量關(guān)系式如下：總結(jié)光子能量、動(dòng)量關(guān)系式如下：把光子的把光子的波動(dòng)性波動(dòng)性和和粒子性粒子性聯(lián)系了起來聯(lián)系了起來密立根精確地測(cè)量密立根精確地測(cè)量, ,計(jì)算得普朗克常數(shù)計(jì)算得普朗克常數(shù) h = 6.56h = 6.56 10 10-34 -34 JsJs與當(dāng)時(shí)用其他方法測(cè)得的符合與當(dāng)時(shí)用其他方法測(cè)得的符合得相當(dāng)好。當(dāng)時(shí)這是對(duì)得相當(dāng)好。當(dāng)時(shí)這是對(duì)愛因斯坦愛因斯坦光光子假設(shè)的極大支持子假設(shè)的極大支持。密立根密立根19231923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年

14、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 。 （1 1）Compton Compton 效應(yīng)效應(yīng)（2 2）Compton Compton 效應(yīng)解釋效應(yīng)解釋（3 3）Compton Compton 散射實(shí)驗(yàn)的意義散射實(shí)驗(yàn)的意義（4 4）粒子與波（對(duì)光的認(rèn)識(shí)）粒子與波（對(duì)光的認(rèn)識(shí)）三三 Compton Compton 散射散射 光的粒子性的進(jìn)一步證實(shí)光的粒子性的進(jìn)一步證實(shí)三三 Compton Compton 散射散射 光的粒子性的進(jìn)一步證實(shí)光的粒子性的進(jìn)一步證實(shí)（1 1）Compton Compton 效應(yīng)效應(yīng) X-X-射線被輕元素如白蠟、石墨中的電子散射后出現(xiàn)的效應(yīng)。射線被輕元素如白蠟、石墨中的電子散射后出現(xiàn)的效應(yīng)。該效

15、應(yīng)有如下該效應(yīng)有如下 2 2 個(gè)特點(diǎn)：個(gè)特點(diǎn)： 散射光中，除了原來散射光中，除了原來X光的波長光的波長外，增加了一個(gè)外，增加了一個(gè) 新的波長新的波長為為 的的 X光，且光，且 ；波長增量波長增量 = 隨散射角增大而隨散射角增大而增大。這一現(xiàn)象稱為增大。這一現(xiàn)象稱為 Compton 效應(yīng)。效應(yīng)。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)不能解釋這種新波長的出現(xiàn)，經(jīng)典力經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)不能解釋這種新波長的出現(xiàn)，經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為電磁波被散射后，波長不應(yīng)該發(fā)生改變。但學(xué)認(rèn)為電磁波被散射后，波長不應(yīng)該發(fā)生改變。但是如果把是如果把 X-X-射線被電子散射的過程看成是射線被電子散射的過程看成是光子與光子與電子的碰撞過程電子的碰撞過程，則該效應(yīng)很

16、容易得到理解，則該效應(yīng)很容易得到理解. .（2 2）解釋解釋（3 3）康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義）康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義A A 有力地有力地支持了支持了“光子光子”概念；概念； 也證實(shí)了普朗克假設(shè)也證實(shí)了普朗克假設(shè) = h = h 的正確的正確；B B 首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量光子具有動(dòng)量” 的假設(shè)；的假設(shè)；C C 證實(shí)了在微觀的單個(gè)碰撞事件中，證實(shí)了在微觀的單個(gè)碰撞事件中， 動(dòng)量和能量守恒定律動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的仍然是成立的。(4) (4) 粒子與波（對(duì)光的認(rèn)識(shí)）粒子與波（對(duì)光的認(rèn)識(shí)）牛頓光是粒子牛頓光是粒子 直線傳播，反射，折射直線傳播，反射，折射托馬斯托馬斯楊

17、楊光是波光是波 干涉，衍射干涉，衍射愛因斯坦愛因斯坦光是粒子光是粒子, 但不否認(rèn)波動(dòng)性但不否認(rèn)波動(dòng)性 光電效應(yīng)光電效應(yīng)究竟是什么？究竟是什么？ 有波的屬性，也有粒子的屬性有波的屬性，也有粒子的屬性康普頓正在測(cè)晶體康普頓正在測(cè)晶體對(duì)對(duì)X X射線的散射射線的散射于于19271927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。（1897-19771897-1977） 吳有訓(xùn)吳有訓(xùn) 1.3 1.3 原子結(jié)構(gòu)的波爾理論原子結(jié)構(gòu)的波爾理論一、原子線狀光譜一、原子線狀光譜二、波爾的量子論二、波爾的量子論 三、波爾量子論的局限性三、波爾量子論的局限性一、原子線狀光譜經(jīng)典解釋的困難一、原子線狀光譜經(jīng)典解釋的困難 氫原子光

18、譜有許多分立譜線組成，這是很早就發(fā)氫原子光譜有許多分立譜線組成，這是很早就發(fā)現(xiàn)了的?，F(xiàn)了的。18851885年瑞士巴爾末發(fā)現(xiàn)紫外光附近的個(gè)年瑞士巴爾末發(fā)現(xiàn)紫外光附近的個(gè)線系，并得出氫原子譜線的經(jīng)驗(yàn)公式是：線系，并得出氫原子譜線的經(jīng)驗(yàn)公式是：是是光光速速。常常數(shù)數(shù)是是氫氫的的其其中中CRydbergmRnnCRHH,1009677576. 1, 5 , 4 , 31211722 mnnmCRH 2211 原子線狀光譜產(chǎn)生的機(jī)制是什么？原子線狀光譜產(chǎn)生的機(jī)制是什么？ 2. 2. 原子的穩(wěn)定性問題原子的穩(wěn)定性問題? ?3.3. 光譜線的頻率為什么有這樣簡(jiǎn)單的規(guī)律？光譜線的頻率為什么有這樣簡(jiǎn)單的規(guī)律？

19、 光譜線公式中能用整數(shù)作參數(shù)來表示這一事實(shí)啟發(fā)我們光譜線公式中能用整數(shù)作參數(shù)來表示這一事實(shí)啟發(fā)我們思考：怎樣的發(fā)光機(jī)制才能認(rèn)為原子的狀態(tài)可以用思考：怎樣的發(fā)光機(jī)制才能認(rèn)為原子的狀態(tài)可以用 包含整數(shù)值的量來描寫包含整數(shù)值的量來描寫? ?二、波爾的量子論二、波爾的量子論 Planck-Einstein Planck-Einstein 光量子概念必然會(huì)促進(jìn)物理學(xué)其他光量子概念必然會(huì)促進(jìn)物理學(xué)其他重大疑難問題的解決。重大疑難問題的解決。19131913年年 Bohr Bohr 把這種概念運(yùn)用到把這種概念運(yùn)用到原子結(jié)構(gòu)問題上，提出了他的原子的量子論。該理論今原子結(jié)構(gòu)問題上，提出了他的原子的量子論。該理論

20、今天已為量子力學(xué)所代替，但是它在歷史上對(duì)量子理論的天已為量子力學(xué)所代替，但是它在歷史上對(duì)量子理論的發(fā)展曾起過重大的推動(dòng)作用，而且該理論的某些核心思發(fā)展曾起過重大的推動(dòng)作用，而且該理論的某些核心思想至今仍然是正確的，在量子力學(xué)中保留了下來想至今仍然是正確的，在量子力學(xué)中保留了下來. .（1 1）波爾假定）波爾假定 （2 2）氫原子線光譜的解釋）氫原子線光譜的解釋 （1 1）波爾假定）波爾假定 原子具有能量不連續(xù)的原子具有能量不連續(xù)的定態(tài)定態(tài)的概念。的概念。 能量是分立的、穩(wěn)定的能量是分立的、穩(wěn)定的.2. 量子量子躍遷躍遷的概念的概念. Bohr提出了量子化條件：提出了量子化條件：3 , 2 ,

21、1 nnL角角動(dòng)動(dòng)量量mnEEh （2 2）氫原子線光譜的解釋）氫原子線光譜的解釋 三、波爾量子論的局限性三、波爾量子論的局限性波爾量子論首次打開了認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的大門，取得了波爾量子論首次打開了認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的大門，取得了很大的成功。但是它的局限性和存在的問題也逐漸為很大的成功。但是它的局限性和存在的問題也逐漸為人們所認(rèn)識(shí)人們所認(rèn)識(shí). . 1. 1. 不能證明較復(fù)雜的原子甚至比氫稍微復(fù)雜的氦原子不能證明較復(fù)雜的原子甚至比氫稍微復(fù)雜的氦原子的光譜；的光譜； 2. 2. 不能給出光譜的譜線強(qiáng)度（相對(duì)強(qiáng)度）；不能給出光譜的譜線強(qiáng)度（相對(duì)強(qiáng)度）； 3. Bohr 3. Bohr 只能處理周期運(yùn)動(dòng)，不能處

22、理非束縛態(tài)問題，只能處理周期運(yùn)動(dòng)，不能處理非束縛態(tài)問題，如散射問題；如散射問題； 4. 4. 從理論上講，能量量子化概念與經(jīng)典力學(xué)不相容。從理論上講，能量量子化概念與經(jīng)典力學(xué)不相容。多少帶有人為的性質(zhì)，其物理本質(zhì)還不清楚。多少帶有人為的性質(zhì)，其物理本質(zhì)還不清楚。 玻爾玻爾- 1922年玻爾獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。年玻爾獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。玻爾出生在哥本哈根的一個(gè)教授家庭，玻爾出生在哥本哈根的一個(gè)教授家庭，19111911年獲哥本哈根大學(xué)年獲哥本哈根大學(xué)博士學(xué)位。博士學(xué)位。19121912年年3-73-7月曾在盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)修，在這期間月曾在盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)修，在這期間孕育了他的原子理論。玻爾首先把普朗克

23、的量子假說推廣到孕育了他的原子理論。玻爾首先把普朗克的量子假說推廣到原子內(nèi)部的能量，來解決盧瑟福原子模型在穩(wěn)定性方面的困難，原子內(nèi)部的能量，來解決盧瑟福原子模型在穩(wěn)定性方面的困難，假定原子只能通過分立的能量子來改變它的能量，即原子只能假定原子只能通過分立的能量子來改變它的能量，即原子只能處在分立的定態(tài)之中，而且最低的定態(tài)就是原子的正常態(tài)。處在分立的定態(tài)之中，而且最低的定態(tài)就是原子的正常態(tài)。接著他在友人漢森的啟發(fā)下從光譜線的組合定律達(dá)到定態(tài)躍遷接著他在友人漢森的啟發(fā)下從光譜線的組合定律達(dá)到定態(tài)躍遷的概念，他在的概念，他在19131913年年7 7、9 9和和1111月發(fā)表了長篇論文月發(fā)表了長篇論

24、文論原子構(gòu)造論原子構(gòu)造和分子構(gòu)造和分子構(gòu)造的三個(gè)部分。的三個(gè)部分。 丹麥物理學(xué)家，丹麥物理學(xué)家，18851885年年1010月月7 7日生于哥本哈根，日生于哥本哈根，19621962年年1111月月1818日卒于哥本哈根。日卒于哥本哈根。19161916年起作為教授，年起作為教授，19201920年玻爾成為哥本年玻爾成為哥本哈根大學(xué)理論物理研究所所長。哈根大學(xué)理論物理研究所所長。19131913年成功地應(yīng)用普朗克量子年成功地應(yīng)用普朗克量子概念于盧瑟福原子的行星模型，從理論上解釋了氫原子的光譜概念于盧瑟福原子的行星模型，從理論上解釋了氫原子的光譜系。玻爾將此模型推廣于描述其他元素，創(chuàng)建了一種元素

25、周期系。玻爾將此模型推廣于描述其他元素，創(chuàng)建了一種元素周期系理論。由他命名的對(duì)應(yīng)原理，建立了經(jīng)典理論和量子理論之系理論。由他命名的對(duì)應(yīng)原理，建立了經(jīng)典理論和量子理論之間的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系。間的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系。19201920年他獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年他獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 19271927年玻爾與年輕的海森堡一起創(chuàng)立了量子力學(xué)的年玻爾與年輕的海森堡一起創(chuàng)立了量子力學(xué)的“哥本哥本哈根詮釋哈根詮釋”，這個(gè)現(xiàn)在流行的量子理論公式化的物理詮釋的基，這個(gè)現(xiàn)在流行的量子理論公式化的物理詮釋的基礎(chǔ)是海森堡不確定原理和波粒二象性。后來他研究核物理與基礎(chǔ)是海森堡不確定原理和波粒二象性。后來他研究核物理與基本粒子物理問

26、題。從本粒子物理問題。從19331933年至年至19361936年，他運(yùn)用年，他運(yùn)用“沙袋模型沙袋模型”描描述核反應(yīng)。玻爾對(duì)于鈾核裂變的解釋，對(duì)后來的裂變技術(shù)的應(yīng)述核反應(yīng)。玻爾對(duì)于鈾核裂變的解釋，對(duì)后來的裂變技術(shù)的應(yīng)用起了很重要的作用。從用起了很重要的作用。從19431943年到年到19451945年，玻爾在洛斯阿拉莫年，玻爾在洛斯阿拉莫斯從事原子彈的研制工作。斯從事原子彈的研制工作。在玻爾研究所里學(xué)術(shù)在玻爾研究所里學(xué)術(shù)空氣很濃，玻爾演講空氣很濃，玻爾演講后與聽眾踴躍討論。后與聽眾踴躍討論。哥本哈根學(xué)派哥本哈根學(xué)派“丹麥?zhǔn)俏页錾牡胤?，丹麥?zhǔn)俏页錾牡胤剑?是我的故鄉(xiāng)，是我的故鄉(xiāng)， 是我心中的

27、世界是我心中的世界 開始的地方。開始的地方。”盧瑟福的邀請(qǐng)盧瑟福的邀請(qǐng)普朗克的邀請(qǐng)普朗克的邀請(qǐng)2022-4-27501.4 實(shí)物粒子的波粒二象性實(shí)物粒子的波粒二象性一、德布羅意一、德布羅意(De.Broglie)假設(shè)假設(shè)二、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證二、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2022-4-2751內(nèi)容回顧：內(nèi)容回顧： 光的干涉、衍射等現(xiàn)象證實(shí)了光的光的干涉、衍射等現(xiàn)象證實(shí)了光的波動(dòng)性波動(dòng)性； 熱輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等現(xiàn)象又熱輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等現(xiàn)象又 證實(shí)了光的證實(shí)了光的粒子性粒子性。光光具有具有波波-粒二象性粒二象性。 “整個(gè)世紀(jì)以來，在輻射理論上，整個(gè)世紀(jì)以來，在輻射理論上，比起波動(dòng)的研究方

28、法來，比起波動(dòng)的研究方法來，是過于忽略了粒子的研究方法；是過于忽略了粒子的研究方法；在實(shí)物理論上，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？在實(shí)物理論上，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？ 是不是我們關(guān)于是不是我們關(guān)于粒子粒子的圖象想得太多，的圖象想得太多，而過分地忽略了波的圖象呢？而過分地忽略了波的圖象呢？” 法國物理學(xué)家法國物理學(xué)家 德布羅意德布羅意（1892 1892 1987 ) 1987 )德布羅意善于用歷史的觀點(diǎn)，德布羅意善于用歷史的觀點(diǎn)，用用對(duì)比對(duì)比的方法分析問題。的方法分析問題。2022-4-27521929年年德布羅意德布羅意獲獲諾貝爾物理獎(jiǎng)諾貝爾物理獎(jiǎng)1924年，在博士論文年，在博士論文關(guān)于量子理論的

29、關(guān)于量子理論的研究研究中提出德布羅意波中提出德布羅意波, 同時(shí)提出用電同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。愛因斯坦覺察到德布羅意物質(zhì)波思想愛因斯坦覺察到德布羅意物質(zhì)波思想的重大意義，的重大意義，“我相信這一假設(shè)的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我相信這一假設(shè)的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單純的類比單純的類比”“揭開一幅大幕的一角揭開一幅大幕的一角”。2022-4-2753 德布羅意從自然界的對(duì)稱性出發(fā)，認(rèn)為既然德布羅意從自然界的對(duì)稱性出發(fā)，認(rèn)為既然光（光（波）波）具有具有二象二象性，那么一般性，那么一般實(shí)物粒子實(shí)物粒子（如電子、質(zhì)子、中子等）（如電子、質(zhì)子、中子等）也應(yīng)該具有也應(yīng)該具有波波-粒

30、二象性粒二象性的假設(shè)。的假設(shè)。一、德布羅意一、德布羅意(De.Broglie)假設(shè)假設(shè)（1924年）年） 一個(gè)能量為一個(gè)能量為E 動(dòng)量為動(dòng)量為P 的的實(shí)物粒子實(shí)物粒子, ,從從波動(dòng)波動(dòng)性方面性方面來看，它具有波長來看，它具有波長 和頻率和頻率 ，遵從下述關(guān)系：，遵從下述關(guān)系： 德布羅意關(guān)系式德布羅意關(guān)系式hE hp SJh 341056. 62022-4-2754與與粒子粒子相聯(lián)系的相聯(lián)系的波波稱為物質(zhì)波或德布羅意波稱為物質(zhì)波或德布羅意波若若 則則cv0mm hhPmhmchE2頻率頻率波長波長若若 則則cv0mm 22/1cv mEhPh2 2022-4-2755解：解： 經(jīng)過電壓經(jīng)過電壓

31、加速后，電子的動(dòng)能為加速后，電子的動(dòng)能為eUmv 221U例：計(jì)算電子經(jīng)過例：計(jì)算電子經(jīng)過 和和 的電壓加速的電壓加速 后的德布羅意波長后的德布羅意波長 和和 分別是多少？分別是多少？VU1001 VU100002 1 2 meUv2 由此得：由此得：根據(jù)德布羅意關(guān)系，此時(shí)電子的波長為：根據(jù)德布羅意關(guān)系，此時(shí)電子的波長為：AUUemhmvh3 .1212 代入數(shù)據(jù)可得：代入數(shù)據(jù)可得：A23. 11 A123. 02 與與 X射線波段相當(dāng)。射線波段相當(dāng)。著名法國物理學(xué)家。著名法國物理學(xué)家。1909年中學(xué)畢業(yè)，年中學(xué)畢業(yè)，1910年取得歷史學(xué)碩士學(xué)位。年取得歷史學(xué)碩士學(xué)位。在哥哥影響下，他轉(zhuǎn)向物理

32、學(xué)，在哥哥影響下，他轉(zhuǎn)向物理學(xué)，1913年獲物理學(xué)碩士學(xué)位。年獲物理學(xué)碩士學(xué)位。1923年，他把光的波粒二象性推廣至實(shí)物粒子，在此基礎(chǔ)上，年，他把光的波粒二象性推廣至實(shí)物粒子，在此基礎(chǔ)上，1924年向巴黎大學(xué)提交了關(guān)于物質(zhì)波理論的博士論文，年向巴黎大學(xué)提交了關(guān)于物質(zhì)波理論的博士論文，并獲得博士學(xué)位。并獲得博士學(xué)位。 但是物質(zhì)波理論的發(fā)表，并未引起物理界的注意，幸運(yùn)的是他的但是物質(zhì)波理論的發(fā)表，并未引起物理界的注意，幸運(yùn)的是他的博士論文的抄本碰巧傳到愛因斯坦手中。愛因斯坦不僅支持了博士論文的抄本碰巧傳到愛因斯坦手中。愛因斯坦不僅支持了普郎克的量子論，而且把德布羅意推上了物理學(xué)舞臺(tái)。薛定格普郎克的

33、量子論，而且把德布羅意推上了物理學(xué)舞臺(tái)。薛定格就是接受了這種物質(zhì)波的思想后，建立起量子力學(xué)的。德布羅意就是接受了這種物質(zhì)波的思想后，建立起量子力學(xué)的。德布羅意是世界上第一個(gè)以博士論文獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（是世界上第一個(gè)以博士論文獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（1929年）的學(xué)者。年）的學(xué)者。 2022-4-2757二二. 物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證戴維遜戴維遜(Davisson)革末革末(Germer)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)(1927)觀測(cè)到觀測(cè)到電子衍電子衍射現(xiàn)象射現(xiàn)象電電子子束束電子波衍射圖樣電子波衍射圖樣X射線衍射圖樣射線衍射圖樣電子雙縫干涉圖樣電子雙縫干涉圖樣楊氏雙縫干涉圖樣楊氏雙縫干涉圖樣2022-4-2

34、758戴維遜、戴維遜、湯姆遜共湯姆遜共獲獲19371937年年諾貝爾物諾貝爾物理獎(jiǎng)理獎(jiǎng) 電子通過金薄膜的衍射實(shí)驗(yàn)電子通過金薄膜的衍射實(shí)驗(yàn)湯姆遜（湯姆遜（G.P.Thomson）實(shí)驗(yàn)（）實(shí)驗(yàn)（1927） 實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)原原理理G.P.G.P.湯姆遜湯姆遜戴維遜戴維遜2022-4-2759電子的單縫、電子的單縫、雙縫、三縫雙縫、三縫和四縫衍射和四縫衍射實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)。 單單 縫縫 雙雙 縫縫 三三 縫縫 四四 縫縫約恩遜約恩遜(Jonsson)實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)（1961）2022-4-27601993年克羅米等人用掃描隧道顯微鏡搬動(dòng)年克羅米等人用掃描隧道顯微鏡搬動(dòng)48個(gè)個(gè)Fe原子原子到到Cu表面上構(gòu)成半徑為表面上

35、構(gòu)成半徑為7.13nm的圓柱形量子圍欄。的圓柱形量子圍欄。并觀察到了圍欄內(nèi)銅表面的電子產(chǎn)生的圓柱形駐波。并觀察到了圍欄內(nèi)銅表面的電子產(chǎn)生的圓柱形駐波。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了：質(zhì)子、中子和原子、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了：質(zhì)子、中子和原子、 分子等分子等 微觀粒子微觀粒子都具有都具有波粒二象性波粒二象性，并都滿足德布羅意關(guān)系。，并都滿足德布羅意關(guān)系。2022-4-2761例：例：m = 0.01kg v = 300m/s 的子彈德布羅意波長的子彈德布羅意波長 mhPh h 太小太小了了 使得宏觀物體的波長小得使得宏觀物體的波長小得難以測(cè)量難以測(cè)量 宏觀物體只表現(xiàn)出粒子性。宏觀物體只表現(xiàn)出粒子性。波粒二象性是波粒二象性是普

36、遍普遍的結(jié)論的結(jié)論 宏觀粒子宏觀粒子也具有波動(dòng)性也具有波動(dòng)性m341021. 230001. 0341063. 6 2022-4-2762波動(dòng)粒子兩重性矛盾的分析波動(dòng)粒子兩重性矛盾的分析對(duì)物質(zhì)波的理解，由于受經(jīng)典概念的影響，曾存在對(duì)物質(zhì)波的理解，由于受經(jīng)典概念的影響，曾存在著激烈的爭(zhēng)論。著激烈的爭(zhēng)論。 這些爭(zhēng)論主要有：這些爭(zhēng)論主要有：1. 電子波包電子波包擴(kuò)散擴(kuò)散單個(gè)電子也有波動(dòng)性單個(gè)電子也有波動(dòng)性2. 大量電子組成的波大量電子組成的波2022-4-2763電子既不是粒子也不是波電子既不是粒子也不是波電子究竟是什么東西呢？電子究竟是什么東西呢？波動(dòng)性波動(dòng)性和和粒子性粒子性兩種完全兩種完全不同不

37、同的屬性如何的屬性如何統(tǒng)一統(tǒng)一到到同一物體上？同一物體上？電子既是粒子也是波電子既是粒子也是波波不再是經(jīng)典概念的波，波不再是經(jīng)典概念的波，粒子也不是經(jīng)典概念中的粒子。粒子也不是經(jīng)典概念中的粒子。 經(jīng)典的波經(jīng)典的波 某種實(shí)際的物理量的空間分布作周期性的變化，某種實(shí)際的物理量的空間分布作周期性的變化， 具有相干疊加性具有相干疊加性 .經(jīng)典粒子經(jīng)典粒子 不被分割的整體，有確定位置和運(yùn)動(dòng)軌道不被分割的整體，有確定位置和運(yùn)動(dòng)軌道 ；2022-4-2764R. P. Feynman:“a phenomenon which is impossible, absolutely impossible,to explain in any classical way, and which has in the heart of quantum mechanics, We can not make the mystery go away by explaining how it works. We will just tell you how it works”