量子力學(xué)實驗基礎(chǔ)PPT通用課件

1、量子力學(xué)實驗基礎(chǔ)索爾維會議（Solvay Conference） 1927.10.24夢幻全明星二十世紀科技巨匠合影 參加會議的29人中，有17人獲諾貝爾獎 黑體輻射 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)主要內(nèi)容與要求重點：黑體輻射、光電效應(yīng)難點：黑體輻射、康普頓效應(yīng) 十九世紀末，經(jīng)典物理學(xué)達到了相當(dāng)完善的程度，正當(dāng)人們歡呼：邁克爾遜-莫雷實驗，否定了絕對參照系的存在黑體輻射與“紫外光災(zāi)難” “科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補工作就行了?！?-開爾文-兩朵烏云： 重新思考物理學(xué)的基本概念，在曲折艱苦的陣痛中終于誕生了相對論( 1905)和量子論 (1900)。量子力學(xué)的誕生（QM-Q

2、uantun Mechanics）早期量子論量子力學(xué)相對論量子力學(xué)普朗克能量量子化假說愛因斯坦光子假說康普頓效應(yīng)玻爾的氫原子理論德布羅意實物粒子波粒二象性薛定諤方程波恩的物質(zhì)波統(tǒng)計解釋海森伯的測不準關(guān)系狄拉克把量子力學(xué)與狹義相對論相結(jié)合量子力學(xué)的誕生過程第一節(jié) 黑體輻射 (Radiation of Black Body)一、熱輻射定義：由于熱運動所引起的輻射稱為熱輻射。1.單色輻射出射度 一定溫度下物體在單位時間、單位表面發(fā)射在 范圍內(nèi)的輻射能量與波長間隔的比值。特點：溫度不同，能量隨波長(頻率)不同。2.輻射出射度 單位時間、單位面積上所輻射出的各種波長的電磁波的能量總和，與物體的溫度和自身

3、性質(zhì)有關(guān)。3.平衡熱輻射 物體從外界吸收的熱能恰好等于它因輻射而失去的能量。 物體吸收某區(qū)間的輻射能占該區(qū)間總輻射能的比值。4.吸收本領(lǐng) 任何物體在同一溫度T下的單色輻射出射度與相應(yīng)的吸收本領(lǐng)的比值是一個與物質(zhì)無關(guān)的普適函數(shù)5.基爾霍夫熱輻射定律二、黑體輻射的物體稱為絕對黑體，簡稱黑體。普適函數(shù)就是絕對黑體的單色輻射出射度例：不透明材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。 研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。測量黑體輻射出射度實驗裝置 能完全吸收照射到它上面的各種頻率的電磁輻射的物體稱為黑體（黑體是理想模型）。0 1000 20001.00.5 0 1000 20001.00.5

4、 3000K6000K1.斯特藩-玻耳茲曼定律（1879年） 輻射出射度2.維恩位移定律（1893年） 維恩利用熱力學(xué)相關(guān)理論導(dǎo)出： 3.瑞利-金斯公式（1900年） 瑞利-金斯利用經(jīng)典電磁理論和能量均分定理導(dǎo)出：長波范圍符合很好，短波區(qū)域偏離嚴重，紫外災(zāi)難。 1900年10月的一個秋日的午后，在柏林近郊一條幽靜的林間小路上，普朗克和他六歲的兒子正在散步。 “埃爾文，你知道嗎？爸爸可能已經(jīng)做出了可與牛頓力學(xué)相媲美的偉大發(fā)現(xiàn)?！?量子的發(fā)現(xiàn)！ 1900年12月14日，普朗克在柏林亥姆霍茲研究所的物理學(xué)會議上宣讀讓物理學(xué)家們即興奮、又煩惱的發(fā)現(xiàn)。4.普朗克公式（1900年） 能量量子化假設(shè)：，(P

5、lanck,1858 1947) 1918年諾貝爾物理學(xué)獎 能量交換只能是量子化的k 玻爾茲曼恒量黑體由帶電諧振子組成，和周圍的 電磁場交換能量能量子例1.已知在紅外線范圍內(nèi)，人體可近似看作一個黑體。假 設(shè)成人表面面積的平均值為1.73m2，表面溫度為 33 ，求人體輻射的總功率。解：人體單位面積的輻射功率為人體輻射的總功率為黑體的溫度和周圍環(huán)境溫度不等時，黑體輻射的凈功率是假設(shè)周圍環(huán)境溫度Ts=20=293K第二節(jié) 光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng) 一、光電效應(yīng)（Photoelectric Effect ） 光束射到金屬表面使電子從金屬中脫出的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。VAi光電子KA陽極 光電效應(yīng)現(xiàn)象是赫茲1

6、887年發(fā)現(xiàn)的，在1896年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子之后，勒納德才證明了所發(fā)出的帶電粒子是電子。1.實驗規(guī)律光電效應(yīng)伏安特性曲線 存在遏止電勢差 單位時間內(nèi)從陰極逸出的光電子數(shù)與入射光的強度成正比 實驗發(fā)現(xiàn)，無論光強如何微弱，從光照射到光電子出現(xiàn)只需要 10 9s的時間。 瞬時響應(yīng)性質(zhì) 對于給定的金屬，當(dāng)照射光頻率小于金屬的紅限頻率，則無論光的強度如何，都不會產(chǎn)生光電效應(yīng)。 存在遏止頻率 v0金 屬 紅限頻率（10 Hz）14逸出功（eV)金 屬 紅限頻率（10 Hz）14逸出功（eV)某些金屬和半導(dǎo)體的紅限頻率及逸出功 鎢 W 10.97 4.54 鈣 Ca 6.55 2.71 鈉 Na 5.53

7、2.29 鉀 K 5.43 2.25 銣 Rb 5.15 2.13 銫 Cs 4.69 1.94 鈾 U 8.76 3.63 鉑 Pt 15.28 6.33 銀 Ag 11.55 4.78 銅 Cu 10.80 4.47 鍺 Ge 11.01 4.56 硅 Si 9.90 4.10 硒 Se 11.40 4.72 鋁 Al 9.03 3.74 銻 Sb 5.68 2.35 鋅 Zn 8.06 3.34波動理論所遇到的困難1.光電子初動能應(yīng)當(dāng)隨光強而不是隨頻率增大可見光的波動說無法解釋實驗結(jié)果2.電磁振動激發(fā)電子只要強度足夠就應(yīng)該激發(fā)3.電磁振動激發(fā)電子需要一定響應(yīng)時間2. 愛因斯坦的光量子論光

8、是以光速c運動的微粒流，稱為光量子組成愛因斯坦光量子假設(shè)(1905)光子的能量光量子具有“整體性”（光的發(fā)射、傳播、吸收都是量子化的） 一個光子將全部能量交給一個電子，電子克服金屬對它的束縛，從金屬中逸出。愛因斯坦光電效應(yīng)方程愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋光電子初動能和照射光的頻率成線性關(guān)系電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，故 無須時間的累積。光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，光電流大光的波粒二象性愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的理論解釋和對理論物理學(xué)的貢獻獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名油滴實驗，證明電荷有最小單位，獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎。例2.

9、 已知金屬鎢的逸出功A=7.210-19J，分別用頻率為71014Hz的紅外光和51015Hz的紫外光照射鎢的表面，能不能產(chǎn)生光電效應(yīng)？解：金屬鎢的紅限頻率只有頻率大于紅限頻率的光才可產(chǎn)生光電效應(yīng) 71014Hz的紅外光不行51015Hz的紫外光可以二、康普頓效應(yīng)（Compton Effect）1927年諾貝爾物理學(xué)獎（Compton,1892-1962） 1922年間康普頓觀察X射線通過物質(zhì)散射時，發(fā)現(xiàn)散射的波長發(fā)生變化的現(xiàn)象。(吳有訓(xùn),1897 1977) 1921年赴芝加哥大學(xué)，隨康普頓從事物理學(xué)研究，1926年獲博士學(xué)位。1926年秋回國。 他在參與X射線散射研究的工作中，以精湛的實驗

10、技術(shù)和卓越的理論分析，驗證了康普頓效應(yīng)。 中國近代物理學(xué)奠基人，教育家 。rl l l 0波長偏移量檢測系統(tǒng)晶 體l 0l 4j5rlj153l 0l rlj09l 0l rlj散射角l 0j0 射 線 源Xl 0散射體jlr隨 的增大而增大，與物質(zhì)種類無關(guān)。 j 實驗j153j153j153l 0l rll 0l rll 0l rlZ 16Z 26X射線X射線X射線Z 6原子序數(shù)原子序數(shù)l0l0l0原子序數(shù)碳C碳硫硫S鐵鐵FeFell0譜線的強度增強；譜線的強度減弱。lr各種散射物質(zhì)對同一散射角 ，波長偏離量相等。j若散射物質(zhì)的原子序數(shù)增加，散射線中不同散射物質(zhì)的實驗對同一散射角j 光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋高能光子和低能自由電子彈性碰撞的結(jié)果若光子和外層電子碰撞，光子有一部分能量傳給電 子, 光子的能量減少，導(dǎo)致波長變長，頻率變低。若光子和內(nèi)層電子碰撞時，碰撞前后光子能量幾乎 不變，故波長有不變的成分。因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波 長改變和散射角有關(guān)。康普頓效應(yīng)的定量分