量子物理 市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、 量子物理研究對(duì)象改變引起危機(jī) 一系列重大試驗(yàn)發(fā)覺無法用典型物理理論來解釋，迫使 物理學(xué)家跳出老式典型物理理論框架，最后造成了量子物理誕生！第1頁(yè)第1頁(yè)1 黑體輻射和普朗克能量子假說一. 基本概念1. 熱輻射比如：加熱鐵塊 第一章 波粒二象性輻射能量按頻率分布隨溫度而變電磁輻射溫度 電磁波短波成份2. 光譜輻射出射度 M 單位:W/(m2Hz)單位時(shí)間內(nèi)從物體單位表面發(fā)出頻率在附近單位頻率間隔內(nèi)電磁波能量。開始發(fā)光暗紅橙色蘭白色 第2頁(yè)第2頁(yè)3.平衡熱輻射4. 試驗(yàn)表明輻射能力越強(qiáng)物體，吸取能力也越強(qiáng)二. 黑體和黑體輻射基本規(guī)律1. 黑體能完全吸取各種波長(zhǎng)電磁波而無反射物體，M 最大且只與溫度

2、相關(guān)而和材料及表面狀態(tài)無關(guān)物體輻射能量等于在同一時(shí)間內(nèi)所吸取能量，物體達(dá)到熱平衡，稱為平衡熱輻射。此時(shí)物體含有固定溫度。 第3頁(yè)第3頁(yè)2. 維恩設(shè)計(jì)黑體3. 維恩黑體輻射公式4. 瑞利金斯公式維恩公式瑞利金斯公式高頻符合試驗(yàn)結(jié)果“紫外劫難”第4頁(yè)第4頁(yè)5. 普朗克公式在全波段與試驗(yàn)結(jié)果驚人符合！普朗克假定（19）：h= 6.626075510 -34 Js 普朗克常數(shù)E = nh n0,1,2,3，諧振子以能量子發(fā)射或吸取能量“量子”概念提出獲19諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)能量量子化 (不連續(xù)) ! 第5頁(yè)第5頁(yè)6.由普朗克公式可導(dǎo)出兩條試驗(yàn)定律 斯特藩玻爾茲曼定律 維恩位移定律 = 5.6710-8 W

3、/m2K4M黑體所有輻射出射度黑體輻射中，光譜輻射出射度最大光頻率隨溫度改變6000K4500K3000K測(cè)量高溫、遙感和紅外追蹤等物理基礎(chǔ)。第6頁(yè)第6頁(yè) 紅外輻射熱象圖 紅外夜視儀拍照片 煉鋼熱輻射第7頁(yè)第7頁(yè) 室溫下，反射光 1100K，本身輻射光一個(gè)黑白花盤子兩張照片第8頁(yè)第8頁(yè)2 光電效應(yīng)一. 光電效應(yīng)試驗(yàn)1光電效應(yīng)光電子2試驗(yàn)裝置光金屬發(fā)射電子：光電流KAGD光GV第9頁(yè)第9頁(yè)3. 試驗(yàn)規(guī)律4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa2） Uc= K - U0與入射光頻率相關(guān)1）iim2im1I2I1(光強(qiáng)I2 I1)oU-Uc飽和光電流強(qiáng)度im

4、 入射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)度無關(guān)第10頁(yè)第10頁(yè)3） 只有當(dāng)入射光頻率 v不小于一定頻率v0時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng) 0 稱為截止頻率或紅限頻率4）光電效應(yīng)是瞬時(shí)發(fā)生只要入射光頻率 0，無論光多微弱， 從光照射陰極到光電子逸出，馳豫時(shí)間 不超出10-9s。第11頁(yè)第11頁(yè)二.典型物理學(xué)所碰到困難按照光典型電磁理論： 光波能量分布在波面上，陰極電子積 光波強(qiáng)度與頻率無關(guān)，電子吸取能量也與頻率無關(guān)，更不存在截止頻率！累能量需要一段時(shí)間，光電效應(yīng)不也許瞬時(shí)發(fā)生！第12頁(yè)第12頁(yè) 光量子含有“整體性” 電磁輻射由以光速c 運(yùn)動(dòng)局限于空間 某一小范圍光量子（光子）構(gòu)成，E = h1.愛因斯坦光量子假設(shè)(1905)

5、2. 對(duì)光電效應(yīng)解釋逸出功A電子逸出金屬表面克服阻力所需功三.愛因斯坦光量子論第13頁(yè)第13頁(yè)當(dāng) A/h時(shí)，不發(fā)生光電效應(yīng)。紅限頻率光電效應(yīng)方程四.光波粒二象性1. 近代認(rèn)為光含有波粒二象性在有些情況下，光突出顯示出波動(dòng)性；而在另一些情況下，則突出顯示出粒子性。光電效應(yīng)瞬時(shí)性第14頁(yè)第14頁(yè)第15頁(yè)第15頁(yè)2. 基本關(guān)系式粒子性：能量E ，動(dòng)量P，質(zhì)量m波動(dòng)性：波長(zhǎng) ，頻率光子描述光性質(zhì)基本關(guān)系式第16頁(yè)第16頁(yè)例圖中所表示為在一次光電效應(yīng)試驗(yàn)中得出曲線 （1）由圖中數(shù)據(jù)求出普朗克恒量 。 （2）該金屬光電效應(yīng)紅限頻率。第17頁(yè)第17頁(yè)光電管陰極用逸出功A=2.2 eV金屬制成，今用一單色光照

6、射此光電管，陰極發(fā)射出光電子，測(cè)得截止電壓為5 V，求：（1）光電管陰極金屬光電效應(yīng)紅限波長(zhǎng)？（2）入射光波長(zhǎng)？（普朗克恒量 ）基本電荷第18頁(yè)第18頁(yè)3 . 康普頓散射1. 康普頓研究X射線在石墨上散射準(zhǔn)直系統(tǒng)入射光 0 散射光探測(cè)器石墨散射體散射X射線中有波長(zhǎng)變大現(xiàn)象2. 康普頓解釋 X射線光子與“靜止”“自由電子”彈性碰撞 碰撞過程中能量與動(dòng)量守恒反沖電子第19頁(yè)第19頁(yè)波長(zhǎng)偏移電子康普頓波長(zhǎng)3. 康普頓散射試驗(yàn)意義過程討論：光子將一部分能量傳給電子，變小，增長(zhǎng) 一部分光子波長(zhǎng)不變，稱為瑞利散射 證實(shí)了光波粒二象性 光子與粒子作用過程嚴(yán)格遵守動(dòng)量、能量守恒X射線康普頓效應(yīng)明顯第20頁(yè)第2

7、0頁(yè)例:波長(zhǎng)00.01nmX射線與靜止自由電子碰撞。在與入射方向成90角方向上觀測(cè)時(shí)，散射X射線波長(zhǎng)多大？反沖電子動(dòng)能和動(dòng)量各如何？ 1. 2. 3.反沖電子取得最大動(dòng)能？第21頁(yè)第21頁(yè)光子能量為0.5MeVX射線，入射到某種物質(zhì)上而發(fā)生康普頓散射，若反沖電子動(dòng)能為0.1MeV，則散射光波長(zhǎng)改變量與入射光波長(zhǎng)之比為？P174 選擇題1第22頁(yè)第22頁(yè)光波粒二象性光子光波能量E動(dòng)量P頻率n波長(zhǎng)lE=h nP=h/ l4 粒子波動(dòng)性一. 德布羅意假設(shè)實(shí)物粒子含有波動(dòng)性光(波)含有粒子性粒子粒子波能量Emc2動(dòng)量P=mv頻率nmc2/h波長(zhǎng)l=h/P=h/mv與粒子相聯(lián)系波稱為物質(zhì)波或德布羅意波德

8、布羅意公式l：德布羅意波長(zhǎng)量子力學(xué)基礎(chǔ)就是波粒二象性思想第23頁(yè)第23頁(yè)二試驗(yàn)驗(yàn)證電子通過鎳單晶衍射試驗(yàn)1.1927年，戴維遜和革末試驗(yàn)dq德布羅意波長(zhǎng) l1.671010 m與試驗(yàn)結(jié)果相符第24頁(yè)第24頁(yè)電子通過多晶薄膜衍射試驗(yàn)電子單縫、雙縫、三縫和四縫衍射試驗(yàn)2.1927年G.P湯姆遜試驗(yàn)3.1961年約恩遜多晶薄膜電子束1937年戴維遜革末和G.P湯姆遜取得諾貝爾獎(jiǎng)1929年德布羅意因其博士論文取得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第25頁(yè)第25頁(yè)4. 中子、質(zhì)子等微觀粒子也含有波粒二象 性，德布羅意公式也合用。例: 計(jì)算電子通過U1=100V和U2=10000V電壓加速后德布羅意波長(zhǎng)1和2各是多少？解：電

9、子動(dòng)能為第26頁(yè)第26頁(yè)假如電子運(yùn)動(dòng)速度與光速能夠比擬，則當(dāng)電子動(dòng)能等于它靜止能量2倍時(shí)，其德布羅意波長(zhǎng)為多少？ (普朗克常量h =6.6310-34 Js，電子靜止質(zhì)量me=9.1110-31 kg)第27頁(yè)第27頁(yè)練習(xí)1. 求動(dòng)能為1.00105ev電子德布羅意波長(zhǎng)。 （me=9.11 10-31Kg）練習(xí)2. 中子德布羅意波長(zhǎng)為1A，求其速度和動(dòng)能。 （m中子=1.675 10-27Kg）例1.5 m=0.01kg，v=300m/s子彈？h極其微小，宏觀物體波長(zhǎng)小得試驗(yàn)難以測(cè)量“宏觀物體只表現(xiàn)出粒子性”第28頁(yè)第28頁(yè)一. 關(guān)于粒子波粒二象性德布羅意波本質(zhì)是什么？6 概率波與概率幅1.在

10、典型物理中粒子：“顆粒性”集中于一點(diǎn)（整體性），擬定位置、速度、運(yùn)動(dòng)軌跡。波：某種實(shí)在物理量空間分布在作周期性改變(連續(xù)性，擴(kuò)展于空間)統(tǒng)一起來？第29頁(yè)第29頁(yè)2.“波是由粒子構(gòu)成”認(rèn)為波是大量粒子構(gòu)成；波動(dòng)性是大量粒子互相作用而形成， 但這和單個(gè)粒子就含有波動(dòng)性相矛盾。一、歷史上兩種典型見解把微觀粒子看作是典型粒子和典型波混合體。1.“粒子是由波構(gòu)成”把粒子看作是由諸多波構(gòu)成波包，但波包在媒質(zhì)中要擴(kuò)散、消失(和粒子性矛盾)。第30頁(yè)第30頁(yè)物質(zhì)波：描述粒子在各處被發(fā)覺概率二、概率波1.概率波 對(duì)光輻射(電磁波)，愛因斯坦19波動(dòng)觀點(diǎn)：光強(qiáng)E2粒子觀點(diǎn)：光強(qiáng) 某處光子數(shù) E2 某處發(fā)覺一個(gè)光

11、子概率 玻恩1926年提出德布羅意波是概率波第31頁(yè)第31頁(yè)對(duì)機(jī)械波有物質(zhì)波波函數(shù)：2.波函數(shù)量子力學(xué)中引入波函數(shù)定義：時(shí)刻t，在點(diǎn)（x,y,z)附近單位體積內(nèi)發(fā)覺粒子概率概率密度概率幅波函數(shù)稱為概率幅物質(zhì)波強(qiáng)度也應(yīng)與波函數(shù)中振幅平方成正比粒子到達(dá)該處概率第32頁(yè)第32頁(yè)3. 電子雙縫衍射現(xiàn)象12 單個(gè)電子去向是概率性，但在一定條件下 （如雙縫），又有擬定規(guī)律.微觀粒子相應(yīng)物質(zhì)波不是典型波是概率波明紋處：電子到達(dá)數(shù)量多（對(duì)大量粒子）粒子到達(dá)該處概率大物質(zhì)波本質(zhì)：描述粒子在空間出現(xiàn)概率第33頁(yè)第33頁(yè)70000個(gè)起源于“一個(gè)電子”所含有波動(dòng)性，而不是電子間互相作用結(jié)果。 若使一個(gè)電子重復(fù)多次通過

12、縫，會(huì)出現(xiàn)相同衍射圖樣。第34頁(yè)第34頁(yè)子彈對(duì)雙縫亂射，觀測(cè)屏上槍眼強(qiáng)度分布。兩縫都打開時(shí)強(qiáng)度分布是兩縫分別打 開時(shí)強(qiáng)度直接相加 n12 = n1 + n2 無干涉現(xiàn)象。機(jī)槍雙縫試驗(yàn)12電子雙縫衍射現(xiàn)象微觀粒子不是典型粒子！第35頁(yè)第35頁(yè)4.概率幅疊加1 縫單獨(dú)開：2 縫單獨(dú)開：應(yīng)為概率幅疊加交叉項(xiàng)即為干涉項(xiàng)1、2 都開：物質(zhì)波干涉，是由于概率幅線性疊加產(chǎn)生。微觀粒子物質(zhì)波是一個(gè)幾率波，這種幾率仿佛一只無形手控制著電子出現(xiàn)在空間某一位置幾率。第36頁(yè)第36頁(yè) 5. 波函數(shù)統(tǒng)計(jì)詮釋涉及對(duì)世界本質(zhì)結(jié)識(shí)爭(zhēng)論至今未息哥本哈根學(xué)派：愛因斯坦狄拉克概率波哲學(xué)意義： 在已知給定條件下，不也許準(zhǔn)確地預(yù)知結(jié)果

13、，只能預(yù)言一些也許結(jié)果概率。即沒有嚴(yán)格因果關(guān)系！波恩、海森堡粒子波概率性就是自然界最后本質(zhì)德布羅意“上帝是不會(huì)跟宇宙玩擲骰子游戲”最后解釋應(yīng)當(dāng)是一些變量完全擬定數(shù)值演變結(jié)果第37頁(yè)第37頁(yè)7 不擬定性關(guān)系典型力學(xué)中：位置、動(dòng)量能夠同時(shí)準(zhǔn)確擬定量子概念下：由于概率性，粒子不再含有擬定位置xZqa 位置不擬定 xa 動(dòng)量不擬定 px psinq 由 = h/ p 得x pxh從而也就不含有擬定動(dòng)量電子單縫衍射中位置與動(dòng)量：縫寬a越小，中央明紋分布越寬x sinx 越小， px越大 x越大， px越小第38頁(yè)第38頁(yè)2.位置和動(dòng)量不擬定關(guān)系：1927年海森堡提出不擬定關(guān)系,1932年獲諾貝爾獎(jiǎng)假如測(cè)

14、量一個(gè)粒子位置不擬定范圍是x ，則同時(shí)測(cè)量其動(dòng)量也有一個(gè)不擬定范圍px，且滿足:不擬定性關(guān)系是物體固有性質(zhì)，自然界主線屬性3.能量和時(shí)間不擬定關(guān)系：基態(tài)能級(jí)最穩(wěn)定，時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)得E準(zhǔn)，相應(yīng)能級(jí)窄；激發(fā)態(tài)時(shí)間短，易躍遷，能級(jí)寬。不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量粒子位置和動(dòng)量第39頁(yè)第39頁(yè)例1.8 原子線度為1010 m，求原子中電子速度 不擬定量。例1.7 設(shè)子彈質(zhì)量為0.01kg，槍口直徑為0.5cm，試用不擬定性關(guān)系計(jì)算子彈射出槍口時(shí)橫向速度。第40頁(yè)第40頁(yè)練習(xí)：同時(shí)測(cè)量動(dòng)能為1Kev做一維運(yùn)動(dòng)電子位置與動(dòng)量時(shí)，若位置不擬定值在0.1nm內(nèi)，則動(dòng)量不擬定值百分比 p/p至少為何值？（me=9.1110-31Kg 1ev=1.6 10-19J h=6.63 10-34Js）第41頁(yè)第41頁(yè)典例3：光子波長(zhǎng)為3000假如擬定此波長(zhǎng)準(zhǔn)確度為/=10-5，試求此光子位置不擬定量。 第42頁(yè)第42頁(yè)典例3：已知電子德布羅意波長(zhǎng)與光子波長(zhǎng)相同。 （1）它們動(dòng)量大小是否相同？ （2）它們總能量是否相同？（1）（2）而相同，故p