六篇近代物理基礎(chǔ)省公開課一等獎(jiǎng)全國(guó)示范課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

第1頁(yè)第六篇近代物理基礎(chǔ)第十五章狹義相對(duì)論基礎(chǔ)第十六章量子物理第2頁(yè)第十六章量子物理

◆教學(xué)基本要求1.了解氫原子光譜試驗(yàn)規(guī)律及玻爾氫原子理論。2.了解光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)試驗(yàn)規(guī)律以及愛因斯坦光子理論對(duì)這兩個(gè)效應(yīng)解釋，了解光波粒二象性。3.了解德布羅意物質(zhì)波假設(shè)及其正確性試驗(yàn)證實(shí)。了解實(shí)物粒子波粒二象性。4.了解描述物質(zhì)波動(dòng)性物理量（波長(zhǎng)、頻率）和粒子性物理量（動(dòng)量、能量）間關(guān)系。第3頁(yè)5.了解波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋。了解一維坐標(biāo)動(dòng)量不確定關(guān)系。了解一維定態(tài)薛定諤方程。6.了解怎樣用駐波觀點(diǎn)說(shuō)明能量量子化。了解角動(dòng)量量子化及空間量子化。了解施特恩·格拉赫試驗(yàn)及微觀粒子自旋。7.了解描述原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)四個(gè)量子數(shù)。了解泡利不相容原理和原子電子殼層結(jié)構(gòu)。第4頁(yè)光量子性§1黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)一.熱輻射(溫度輻射)1.熱輻射:任何物體在任何溫度下,因?yàn)榉肿訜徇\(yùn)動(dòng)使物體向外輻射各種波長(zhǎng)電磁波.平衡熱輻射:輻射能量等于在同一時(shí)間所吸收能量單位時(shí)間內(nèi)從物體單位表面發(fā)出波長(zhǎng)在

附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)電磁波能量.輻出度:單位:W·m－2單位時(shí)間從物體表面單位面積輻射總能量.當(dāng)溫度上升時(shí),輻射總能增加,輻射最大波長(zhǎng)減小.物體輻射同時(shí),也吸收輻射.2.輻出度和吸收比單色輻出度:黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第5頁(yè)單色吸收比:物體在溫度T時(shí),對(duì)于波長(zhǎng)在

附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)吸收能量與輻射能量比值.若用表示對(duì)應(yīng)單色反射比,對(duì)于不透明物體有3.基爾霍夫定律(1859)推論I:在熱平衡態(tài)下,凡強(qiáng)吸收體必定是強(qiáng)輻射體.單位時(shí)間內(nèi)從物體單位表面發(fā)出波長(zhǎng)在

附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)電磁波能量.輻出度:單位:W·m－2單位時(shí)間從物體表面單位面積輻射總能量.2.輻出度和吸收比單色輻出度:黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第6頁(yè)單色吸收比:物體在溫度T時(shí),對(duì)于波長(zhǎng)在

附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)吸收能量與輻射能量比值.若用表示對(duì)應(yīng)單色反射比,對(duì)于不透明物體有3.基爾霍夫定律(1859)推論I:在熱平衡態(tài)下,凡強(qiáng)吸收體必定是強(qiáng)輻射體.能完全吸收各種波長(zhǎng)電磁波而無(wú)反射物體.二.黑體和黑體輻射基本規(guī)律空腔小孔可近似作為黑體.推論II:(某)物體若不能發(fā)射某波長(zhǎng)輻射能,那么它也不能吸收這一波長(zhǎng)輻射能,反之亦然.1.黑體黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第7頁(yè)能完全吸收各種波長(zhǎng)電磁波而無(wú)反射物體.二.黑體和黑體輻射基本規(guī)律空腔小孔可近似作為黑體.推論II:(某)物體若不能發(fā)射某波長(zhǎng)輻射能,那么它也不能吸收這一波長(zhǎng)輻射能,反之亦然.1.黑體在相同溫度下,黑體吸收本事最大,其發(fā)射本事也最大.顯然有:MB

最大,MB

和組成黑體材料及表面無(wú)關(guān).2.黑體輻射試驗(yàn)結(jié)果:當(dāng)T↑,MB

↑↑;每一溫度T對(duì)應(yīng)一條曲線;且T↑,↓.黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第8頁(yè)在相同溫度下,黑體吸收本事最大,其發(fā)射本事也最大.顯然有:MB

最大,MB

和組成黑體材料及表面無(wú)關(guān).2.黑體輻射試驗(yàn)結(jié)果:當(dāng)T↑,MB

↑↑;每一溫度T對(duì)應(yīng)一條曲線;且T↑,↓.理論物理學(xué)家尋找3.斯特藩-玻耳茲曼定律黑體輻出度與黑體溫度四次方成正比.(由熱力學(xué)得出)黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第9頁(yè)理論物理學(xué)家尋找3.斯特藩-玻耳茲曼定律黑體輻出度與黑體溫度四次方成正比.(由熱力學(xué)得出)

=5.67

10-8W/m2K4定律只適合用于黑體.顯然,斯特藩-玻耳茲曼未找出4．維恩定律假設(shè)腔內(nèi)諧振子能量按玻耳茲曼分布,可得出:——斯特藩-玻耳茲曼常數(shù)黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第10頁(yè)公式只在短波(高頻)區(qū),低溫時(shí)才和試驗(yàn)相符,在長(zhǎng)波范圍內(nèi)與試驗(yàn)不符.顯然,維恩未找出但令

=5.67

10-8W/m2K4定律只適合用于黑體.顯然,斯特藩-玻耳茲曼未找出4．維恩定律假設(shè)腔內(nèi)諧振子能量按玻耳茲曼分布,可得出:——斯特藩-玻耳茲曼常數(shù)可得

mT=bb=2.897756×10-3m·K當(dāng)黑體溫度升高時(shí),與單色輻出度M

峰值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)m向短波方向移動(dòng).這與試驗(yàn)一致.維恩位移定律黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第11頁(yè)公式只在短波(高頻)區(qū),低溫時(shí)才和試驗(yàn)相符,在長(zhǎng)波范圍內(nèi)與試驗(yàn)不符.顯然,維恩未找出但令可得

mT=bb=2.897756×10-3m·K當(dāng)黑體溫度升高時(shí),與單色輻出度M

峰值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)m向短波方向移動(dòng).這與試驗(yàn)一致.維恩位移定律例1:從太陽(yáng)光譜試驗(yàn)觀察中,測(cè)知單色輻出度峰值所相對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為483nm.試由此預(yù)計(jì)太陽(yáng)表面溫度.解:太陽(yáng)可視為黑體由維恩位移定律也可由此方法估算宇宙中其它發(fā)光星體表面溫度.黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第12頁(yè)例1:從太陽(yáng)光譜試驗(yàn)觀察中,測(cè)知單色輻出度峰值所相對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為483nm.試由此預(yù)計(jì)太陽(yáng)表面溫度.解:太陽(yáng)可視為黑體由維恩位移定律也可由此方法估算宇宙中其它發(fā)光星體表面溫度.把腔內(nèi)電磁場(chǎng)看作是含有一定數(shù)目本征振動(dòng)駐波場(chǎng),然后,據(jù)能量按自由度均分定理,可得出:定律只在長(zhǎng)波(低頻)區(qū),高溫時(shí)才和試驗(yàn)相符,而在短波范圍內(nèi)與試驗(yàn)完全不符.這被稱為“紫外災(zāi)難”.顯然,瑞利和金斯也未找出5．瑞利-金斯定律黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第13頁(yè)把腔內(nèi)電磁場(chǎng)看作是含有一定數(shù)目本征振動(dòng)駐波場(chǎng),然后,據(jù)能量按自由度均分定理,可得出:定律只在長(zhǎng)波(低頻)區(qū),高溫時(shí)才和試驗(yàn)相符,而在短波范圍內(nèi)與試驗(yàn)完全不符.這被稱為“紫外災(zāi)難”.顯然,瑞利和金斯也未找出5．瑞利-金斯定律三.普朗克假設(shè)和普朗克黑體輻射公式維恩公式只適用短波,瑞利-金斯公式只適用長(zhǎng)波區(qū),在短波與試驗(yàn)完全不符(“紫外災(zāi)難”).原因何在?他們用都是經(jīng)典物理理論.經(jīng)典物理碰到了困難.黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第14頁(yè)三.普朗克假設(shè)和普朗克黑體輻射公式維恩公式只適用短波,瑞利-金斯公式只適用長(zhǎng)波區(qū),在短波與試驗(yàn)完全不符(“紫外災(zāi)難”).原因何在?他們用都是經(jīng)典物理理論.經(jīng)典物理碰到了困難.1.普朗克能量子假說(shuō)

（1900）組成黑體腔壁輻射物質(zhì)中電子振動(dòng)可視為一維帶電線性諧振子,它們和腔內(nèi)電磁場(chǎng)交換能量(輻射和吸收).而這些微觀諧振子只能處于一些特殊狀態(tài),在這些特狀態(tài)中,它們對(duì)應(yīng)能量是某一最小能量

(

叫能量子)整數(shù)倍.在輻射和吸收能量時(shí),振子只能從一個(gè)可能狀態(tài)躍遷到其它一個(gè)可能狀態(tài).黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第15頁(yè)對(duì)頻率為

諧振子,其最小能量為

=h(h=6.63×10-34J·s).一個(gè)諧振子能量為1.普朗克能量子假說(shuō)

（1900）組成黑體腔壁輻射物質(zhì)中電子振動(dòng)可視為一維帶電線性諧振子,它們和腔內(nèi)電磁場(chǎng)交換能量(輻射和吸收).而這些微觀諧振子只能處于一些特殊狀態(tài),在這些特狀態(tài)中,它們對(duì)應(yīng)能量是某一最小能量

(

叫能量子)整數(shù)倍.在輻射和吸收能量時(shí),振子只能從一個(gè)可能狀態(tài)躍遷到其它一個(gè)可能狀態(tài).2.普朗克黑體輻射公式在普朗克能量子假說(shuō)基礎(chǔ)上,據(jù)玻耳茲曼分布,一個(gè)振子在一定溫度T時(shí),處于能量E=n

一個(gè)狀態(tài)幾率正比于,每個(gè)振子平均能量為:黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第16頁(yè)2.普朗克黑體輻射公式對(duì)頻率為

諧振子,其最小能量為

=h(h=6.63×10-34J·s).一個(gè)諧振子能量為在普朗克能量子假說(shuō)基礎(chǔ)上,據(jù)玻耳茲曼分布,一個(gè)振子在一定溫度T時(shí),處于能量E=n

一個(gè)狀態(tài)幾率正比于,每個(gè)振子平均能量為:又令黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第17頁(yè)又令黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第18頁(yè)將E代入瑞利-金斯公式中KT,可得黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第19頁(yè)這就是著名普朗克黑體輻射公式.在全波段與試驗(yàn)結(jié)果驚人符合.將E代入瑞利-金斯公式中KT,可得可得維恩公式和瑞利-金斯公式黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第20頁(yè)例2.試由普朗克公式導(dǎo)出維恩位移公式和斯特藩-玻耳茲曼公式.這就是著名普朗克黑體輻射公式.在全波段與試驗(yàn)結(jié)果驚人符合.可得維恩公式和瑞利-金斯公式解:由公式令上式化為對(duì)上式求極值:黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第21頁(yè)有解得例2.試由普朗克公式導(dǎo)出維恩位移公式和斯特藩-玻耳茲曼公式.解:由公式令上式化為對(duì)上式求極值:再由得維恩位移公式.黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第22頁(yè)利用積分公式斯特藩-玻耳茲曼公式有解得再由得維恩位移公式.黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第23頁(yè)例3.設(shè)有一音叉尖端質(zhì)量為0.050Kg,將其頻率調(diào)到=480Hz,振幅A=1.0nm,求:(1)尖端振動(dòng)量子數(shù);(2)當(dāng)量子數(shù)由n增加到n+1時(shí),振幅改變是多少?解:(1)音叉尖端振動(dòng)能量為=0.227J由E=nh

得:利用積分公式斯特藩-玻耳茲曼公式黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第24頁(yè)(2)由例3.設(shè)有一音叉尖端質(zhì)量為0.050Kg,將其頻率調(diào)到=480Hz,振幅A=1.0nm,求:(1)尖端振動(dòng)量子數(shù);(2)當(dāng)量子數(shù)由n增加到n+1時(shí),振幅改變是多少?解:(1)音叉尖端振動(dòng)能量為=0.227J由E=nh

得:對(duì)上式微分:=7.01×10-34m可見改變很小,難以覺察.黑體輻射和普朗克能量子假說(shuō)第25頁(yè)§2光電效應(yīng)一.光電效應(yīng)試驗(yàn)規(guī)律1．光電效應(yīng)在光照射下,電子從金屬表面逸出現(xiàn)象叫光電效應(yīng)逸出電子叫光電子2．光電效應(yīng)試驗(yàn)裝置A為陽(yáng)極,K為陰極.光照射在K上,電子從K逸出,在電壓UAK作用下,形成光電流。?測(cè)其電流,?測(cè)電壓3.試驗(yàn)規(guī)律(1)只有當(dāng)入射光頻率

v大于一定頻率v0時(shí),才會(huì)產(chǎn)生光電流.

0叫截止頻率(也稱紅限).(2)遏止電勢(shì)差Uc——使光電流為零時(shí)反向電壓.遏止電勢(shì)差(eUc=Ekmax)與入射光頻率成線性關(guān)系光電效應(yīng)第26頁(yè)A為陽(yáng)極,K為陰極.光照射在K上,電子從K逸出,在電壓UAK作用下,形成光電流.?測(cè)其電流,?測(cè)電壓3.試驗(yàn)規(guī)律(1)只有當(dāng)入射光頻率

v大于一定頻率v0時(shí),才會(huì)產(chǎn)生光電流.

0叫截止頻率(也稱紅限).(2)遏止電勢(shì)差Uc——使光電流為零時(shí)反向電壓.遏止電勢(shì)差(eUc=Ekmax)與入射光頻率成線性關(guān)系

Uc=K

-U0與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān).(3)瞬時(shí)性:只要頻率大于截止頻率,光電效應(yīng)產(chǎn)生時(shí)間不超出10-9s.4.06.08.010.0

(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)NaCaCs

0光電效應(yīng)第27頁(yè)(4)飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度關(guān)系

Uc=K

-U0與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān).(3)瞬時(shí)性:只要頻率大于截止頻率,光電效應(yīng)產(chǎn)生時(shí)間不超出10-9s.4.06.08.010.0

(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)NaCaCs

0在

相同條件下,飽和光電流強(qiáng)度iS與入射光強(qiáng)成正比.-UciUO光強(qiáng)較弱iS1iS2光強(qiáng)較強(qiáng)光電效應(yīng)第28頁(yè)二.經(jīng)典物理學(xué)所碰到困難經(jīng)典電磁理論認(rèn)為:光波強(qiáng)度與頻率無(wú)關(guān),電子吸收能量也與頻率無(wú)關(guān),更不存在截止頻率！光波能量分布在波面上,陰極電子積累能量克服逸出功需要一段時(shí)間,光電效就不可能曖時(shí)發(fā)生!(4)飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度關(guān)系在

相同條件下,飽和光電流強(qiáng)度iS與入射光強(qiáng)成正比.-UciUO光強(qiáng)較弱iS1iS2光強(qiáng)較強(qiáng)光電效應(yīng)第29頁(yè)1.普朗克假定是不協(xié)調(diào),只包括光發(fā)射或吸收,未包括輻射在空間傳輸.2.愛因斯坦光量子假設(shè)(1905)三.愛因斯坦光量子論即腔壁振子量子化,腔內(nèi)仍是電磁波.愛因斯坦認(rèn)為,光在空間傳輸時(shí)也是量子化.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,每一個(gè)光子能量為）組成.二.經(jīng)典物理學(xué)所碰到困難經(jīng)典電磁理論認(rèn)為:光波強(qiáng)度與頻率無(wú)關(guān),電子吸收能量也與頻率無(wú)關(guān),更不存在截止頻率！光波能量分布在波面上,陰極電子積累能量克服逸出功需要一段時(shí)間,光電效就不可能曖時(shí)發(fā)生!光電效應(yīng)第30頁(yè)3.

對(duì)光電效應(yīng)解釋此式為光電效應(yīng)方程入射光子能量光電子初動(dòng)能金屬逸出功入射光強(qiáng)增大?光子數(shù)增多?光電子增多?光電流大光量子含有“整體性”—粒子性.1.普朗克假定是不協(xié)調(diào),只包括光發(fā)射或吸收,未包括輻射在空間傳輸.2.愛因斯坦光量子假設(shè)(1905)三.愛因斯坦光量子論即腔壁振子量子化,腔內(nèi)仍是電磁波.愛因斯坦認(rèn)為,光在空間傳輸時(shí)也是量子化.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,每一個(gè)光子能量為）組成.光電效應(yīng)第31頁(yè)電子初動(dòng)能正比于頻率.3.對(duì)光電效應(yīng)解釋此式為光電效應(yīng)方程入射光子能量光電子初動(dòng)能金屬逸出功入射光強(qiáng)增大?光子數(shù)增多?光電子增多?光電流大光量子含有“整體性”—粒子性.比較得:h=eK,W=eU0電子一次吸收一個(gè)光子,不需要時(shí)間累積—瞬時(shí)性.當(dāng)

＜W/h時(shí).不發(fā)生光電效應(yīng)紅限頻率光電效應(yīng)第32頁(yè)四.光子光子即光量子能量:

=h

光子總是以光速c運(yùn)動(dòng),所以光子是相對(duì)論粒子.質(zhì)量:m0=0,光子無(wú)靜質(zhì)量.動(dòng)量:由相對(duì)論關(guān)系:電子初動(dòng)能正比于頻率.比較得:h=eK,W=eU0電子一次吸收一個(gè)光子,不需要時(shí)間累積—瞬時(shí)性.當(dāng)

＜W/h時(shí).不發(fā)生光電效應(yīng)紅限頻率E0=m0c2=0得E=pc光電效應(yīng)第33頁(yè)也可寫為光波粒二象性:光在傳輸過(guò)程中,波動(dòng)性(

,

)表現(xiàn)比較顯著;當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí),粒子性(E,p)表現(xiàn)比較顯著.E0=m0c2=0四.光子光子即光量子能量:

=h

光子總是以光速c運(yùn)動(dòng),所以光子是相對(duì)論粒子.質(zhì)量:m0=0,光子無(wú)靜質(zhì)量.動(dòng)量:由相對(duì)論關(guān)系:得E=pc光電效應(yīng)第34頁(yè)例1.波長(zhǎng)為450單色光

射到純鈉表面上.求(1)這種光光子能量和動(dòng)量;(2)光電子逸出表面時(shí)動(dòng)能;(3)若光子能量為2.40eV,其波長(zhǎng)為多少?解(1)光子能量:=4.42×10-19J=2.67eV也可寫為光波粒二象性:光在傳輸過(guò)程中,波動(dòng)性(

,

)表現(xiàn)比較顯著;當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí),粒子性(E,p)表現(xiàn)比較顯著.光電效應(yīng)第35頁(yè)光子動(dòng)量:=1.47×10-27kg·m·s-1例1.波長(zhǎng)為450單色光射到純鈉表面上.求(1)這種光光子能量和動(dòng)量;(2)光電子逸出表面時(shí)動(dòng)能;(3)若光子能量為2.40eV,其波長(zhǎng)為多少?解(1)光子能量:=4.42×10-19J=2.67eV(2)已知鈉逸出功為W=2.28eV光電子初動(dòng)能為Ek=2.76-2.28=0.48eV光電效應(yīng)第36頁(yè)(3)波長(zhǎng):=518nm例2設(shè)有二分之一徑為1.0×10-3m薄圓片,它距光源1.0m.此光源功率為1W,發(fā)射波長(zhǎng)為589nm單色光.假定光源向各個(gè)方向發(fā)射能量相同,光子動(dòng)量:=1.47×10-27kg·m·s-1(2)已知鈉逸出功為W=2.28eV光電子初動(dòng)能為Ek=2.76-2.28=0.48eV光電效應(yīng)第37頁(yè)解圓片面積為S=×(1.0×10-3)2=×10-6m2單位時(shí)間落到圓片上能量為光子數(shù)為=7.4×1011s-1試計(jì)算在單位時(shí)間內(nèi)落在薄圓片上光子數(shù).例2(3)波長(zhǎng):=518nm設(shè)有二分之一徑為1.0×10-3m薄圓片,它距光源1.0m.此光源功率為1W,發(fā)射波長(zhǎng)為589nm單色光.假定光源向各個(gè)方向發(fā)射能量相同,光電效應(yīng)第38頁(yè)§3康普頓效應(yīng)入射光

0探測(cè)器準(zhǔn)直系統(tǒng)石墨散射體散射光

光波動(dòng)理論能解釋波長(zhǎng)不變散射,不能解釋紅移現(xiàn)象.

e?

康普頓研究X射線(

0很短)在石墨上散射,發(fā)覺散射光中不但有與原入射線波長(zhǎng)

0相同譜線,也有波長(zhǎng)>0譜線.這種波長(zhǎng)變長(zhǎng)現(xiàn)象稱康普頓紅移.康普頓認(rèn)為這是因?yàn)槿肷渚€中光子和散射物質(zhì)中近自由電子作彈性碰撞結(jié)果.康普頓效應(yīng)第39頁(yè)因?yàn)槭菑椥耘鲎?動(dòng)量和能量都守恒,所以有光波動(dòng)理論能解釋波長(zhǎng)不變散射,不能解釋紅移現(xiàn)象.康普頓認(rèn)為這是因?yàn)槿肷渚€中光子和散射物質(zhì)中近自由電子作彈性碰撞結(jié)果.

e?動(dòng)量守恒大小關(guān)系為考慮康普頓效應(yīng)第40頁(yè)電子Compton波長(zhǎng)

,;=0,=0,=0為原波長(zhǎng).

=90o時(shí),=0.024?得因?yàn)槭菑椥耘鲎?動(dòng)量和能量都守恒,所以有動(dòng)量守恒大小關(guān)系為考慮康普頓效應(yīng)第41頁(yè)

康普頓效應(yīng)解釋X射線光子與“靜止”“近自由電子”彈性碰撞,光子把部分能量傳給電子h

0h(散射光),<0,則散射光波長(zhǎng)>0電子Compton波長(zhǎng)

,;=0,=0,=0為原波長(zhǎng).

=90o時(shí),=0.024?得在同一散射角下,

與散射物質(zhì)無(wú)關(guān);

與入射波長(zhǎng)

無(wú)關(guān),對(duì)長(zhǎng)波,無(wú);對(duì)短波,顯著;光子與束縛電子發(fā)生