第十六章 量子物理基礎(chǔ)課件

第16章量子物理基礎(chǔ)第十六章量子物理基礎(chǔ)

量子概念是1900年普朗克首先提出，距今已有100多年的歷史.其間，經(jīng)過愛因斯坦、玻爾、德布羅意、玻恩、海森伯、薛定諤、狄拉克等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到20世紀(jì)30年代，就建立了一套完整的量子力學(xué)理論.第十六章量子物理基礎(chǔ)16.1.1熱輻射一、熱輻射的基本概念和基本定律

（1）單色輻射出射度

單位時間內(nèi)從物體單位表面積發(fā)出的頻率在附近單位頻率區(qū)間內(nèi)的電磁波的能量.單位：單位：16.1黑體輻射普朗克量子假設(shè)第十六章量子物理基礎(chǔ)（2）輻射出射度

單位時間，單位面積上所輻射出的各種頻率（或各種波長）的電磁波的能量總和.第十六章量子物理基礎(chǔ)02468101221210468太陽鎢絲可見光區(qū)

太陽

鎢絲鎢絲和太陽的單色輻出度曲線第十六章量子物理基礎(chǔ)入射吸收反射透射（3）單色吸收比和單色反射比

單色吸收比

(T)

：

在波長到范圍內(nèi)吸收的能量與入射的能量之比.第十六章量子物理基礎(chǔ)對于不透明物體

(T)+r

(T)=1入射吸收反射透射

在波長到范圍內(nèi)反射的能量與入射能量之比.

單色反射比r

(T)：第十六章量子物理基礎(chǔ)（4）黑體

黑體是理想模型

若物體在任何溫度下，對任何波長的輻射能的吸收比都等于1，則稱此物體為黑體.第十六章量子物理基礎(chǔ)

任何物體單色輻出度M

(T)

和單色吸收比

(T)之比，等于同一溫度T

時的絕對黑體對同一波長的單色輻出度MB(

,T),即（5）基爾霍夫定律通俗地講，好的吸收體是好的輻射體.第十六章量子物理基礎(chǔ)第十六章量子物理基礎(chǔ)01

0002

0000.5

可見光區(qū)3

000

K6

000

K黑體單色輻出度的實(shí)驗(yàn)曲線1.0二、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律第十六章量子物理基礎(chǔ)1.斯特藩-

玻耳茲曼定律斯特藩-玻耳茲曼常量總輻出度式中0100020001.0

可見光區(qū)3

000

K6

000

K0.5第十六章量子物理基礎(chǔ)2.維恩位移定律常量峰值波長0100020001.0

可見光區(qū)3

000

K6

000

K第十六章量子物理基礎(chǔ)三、瑞利-金斯公式經(jīng)典物理的困難0123624瑞利-金斯公式瑞利-金斯公式紫外災(zāi)難實(shí)驗(yàn)曲線****************T=2000K第十六章量子物理基礎(chǔ)例16.1在地球大氣層外的飛船上，測得太陽輻射本領(lǐng)的峰值在4650?處.假定太陽是一個黑體，試計(jì)算太陽表面的溫度和單位面積輻射的功率.解：根據(jù)維恩位移定律可得太陽表面的溫度為根據(jù)斯忒藩—玻耳茲曼定律，太陽單位面積所輻射的功率為

第十六章量子物理基礎(chǔ)普朗克（1858—

1947）

德國理論物理學(xué)家，量子論的奠基人.1900年他在德國物理學(xué)會上，宣讀了以《關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論》為題的論文.

勞厄稱這一天是“量子論的誕生日”.量子論和相對論構(gòu)成了近代物理學(xué)的研究基礎(chǔ).第十六章量子物理基礎(chǔ)四、普朗克假設(shè)普朗克黑體輻射公式1.普朗克黑體輻射公式普朗克常數(shù)第十六章量子物理基礎(chǔ)01236瑞利-金斯公式24普朗克公式的理論曲線實(shí)驗(yàn)值****************實(shí)驗(yàn)值與普朗克公式理論曲線比較T=2000K第十六章量子物理基礎(chǔ)

黑體中的分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子的能量狀態(tài)是分立的，相應(yīng)的能量是某一最小能量的整數(shù)倍，即

，2

，3

，

…n

,

稱為能量子，n

為量子數(shù).2.普朗克量子假設(shè)

普朗克量子假設(shè)是量子力學(xué)的里程碑.第十六章量子物理基礎(chǔ)例16.2某物體輻射頻率為的黃光，這種輻射的能量子的能量是多大？解：根據(jù)普朗克能量子公式此能量就是輻射體在輻射或吸收黃光過程中最小的能量單元.第十六章量子物理基礎(chǔ)16.2.1光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的規(guī)律VA

1.實(shí)驗(yàn)裝置及現(xiàn)象2.實(shí)驗(yàn)規(guī)律

（1）光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)成正比.16.2光的量子性第十六章量子物理基礎(chǔ)（2）截止頻率（紅限）截止頻率與材料有關(guān)與光強(qiáng)無關(guān).

對某種金屬來說，只有入射光的頻率大于某一頻率

0時，電子才會從金屬表面逸出.

0稱為截止頻率或紅限頻率.第十六章量子物理基礎(chǔ)

遏止電勢差與入射光頻率具有線性關(guān)系.（4）瞬時性

使光電流降為零所外加的反向電勢差稱為遏止電勢差

，對不同的金屬，

的量值不同.（3）遏止電勢差O第十六章量子物理基礎(chǔ)

按經(jīng)典理論,電子逸出金屬所需的能量，需要有一定的時間來積累,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符.3.經(jīng)典理論遇到的困難

紅限問題

瞬時性問題

按經(jīng)典理論,無論何種頻率的入射光,只要強(qiáng)度足夠大，就能使電子逸出金屬.

與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符.

第十六章量子物理基礎(chǔ)16.2.2光子愛因斯坦方程1.

“光量子”假設(shè)

光可看成是由光子組成的粒子流，單個光子的能量為.2.

愛因斯坦光電效應(yīng)方程

逸出功與材料有關(guān)第十六章量子物理基礎(chǔ)理論解釋:幾種金屬逸出功的近似值(eV)鈉鋁鋅銅銀鉑2.464.084.314.704.736.35

光強(qiáng)越大，光子數(shù)越多，單位時間內(nèi)產(chǎn)生光電子數(shù)目越多,光電流越大.(

時）第十六章量子物理基礎(chǔ)

遏止電勢差VA

外加反向的遏止電勢差恰能阻礙光電子到達(dá)陽極,即第十六章量子物理基礎(chǔ)

愛因斯坦的光子理論圓滿地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象.（截止頻率）

頻率限制:

只有時才會發(fā)生

瞬時性：光子射至金屬表面，一個光子的能量將一次性被一個電子吸收，若，電子立即逸出，無需時間積累.第十六章量子物理基礎(chǔ)3.普朗克常數(shù)的測定遏止電勢差和入射光頻率的關(guān)系O第十六章量子物理基礎(chǔ)例1.黑體輻射，光電效應(yīng)及康普頓效應(yīng)皆突出表明了光的（A）波動性;（B）粒子性;（C）單色性;（D）片振性.[B]第十六章量子物理基礎(chǔ)例2:某金屬的光電效應(yīng)中，所發(fā)射的光電子的初動能Ek隨入射光頻率n的變化關(guān)系如圖所示，由圖可知逸出功W和普朗克常數(shù)h為：(A)A=OQ；h=OR;(B)A=OR;h=PQ;(C)A=OP;h=OP/OQ;(D)A=QS;h=QS/OS.[C]第十六章量子物理基礎(chǔ)光電倍增管放大器接控制機(jī)構(gòu)光光控繼電器示意圖16.2.3光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光控繼電器、自動控制、自動計(jì)數(shù)、自動報(bào)警等.第十六章量子物理基礎(chǔ)16.2.4光的波粒二象性

相對論能量和動量關(guān)系（2）粒子性：（光電效應(yīng)等）（1）波動性：光的干涉和衍射

光子

第十六章量子物理基礎(chǔ)描述光的粒子性

描述光的波動性

光子

END第十六章量子物理基礎(chǔ)16.3.1氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

1885

年瑞士數(shù)學(xué)家巴耳末發(fā)現(xiàn)氫原子光譜可見光部分的規(guī)律:近代氫原子觀的回顧16.3玻爾的氫原子理論

第十六章量子物理基礎(chǔ)

1890

年瑞典物理學(xué)家里德伯給出氫原子光譜公式波數(shù)里德伯常量

第十六章量子物理基礎(chǔ)萊曼系紫外巴爾末系可見光第十六章量子物理基礎(chǔ)帕邢系布拉開系普豐德系漢弗萊系紅外第十六章量子物理基礎(chǔ)氫原子光譜的巴耳末系656.3nm486.1nm434.1nm410.2nm364.6nm第十六章量子物理基礎(chǔ)盧瑟福的原子有核模型

1897年，J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子.

1903年，湯姆孫提出原子的“葡萄干蛋糕模型”.

原子中的正電荷和原子的質(zhì)量均勻地分布在半徑為的球體范圍內(nèi)，電子浸于其中

.第十六章量子物理基礎(chǔ)盧瑟福

(E.Rufherford，1871—1937)

英國物理學(xué)家.1899年發(fā)現(xiàn)鈾鹽放射出α、β射線，提出天然放射性元素的衰變理論和定律.

根據(jù)

α粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出了原子的有核模型，把原子結(jié)構(gòu)的研究引上了正確的軌道，因而被譽(yù)為原子物理之父．第十六章量子物理基礎(chǔ)

盧瑟福的原子有核模型（行星模型）

原子的中心有一帶正電的原子核，它幾乎集中了原子的全部質(zhì)量，電子圍繞這個核旋轉(zhuǎn)，核的尺寸與整個原子相比是很小的.第十六章量子物理基礎(chǔ)16.3.2玻爾的氫原子理論1.經(jīng)典有核模型的困難

根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子繞核作勻速圓周運(yùn)動，作加速運(yùn)動的電子將不斷向外輻射電磁波.

第十六章量子物理基礎(chǔ)

原子不斷向外輻射能量，能量逐漸減小，電子旋轉(zhuǎn)的頻率也逐漸改變，發(fā)射光譜應(yīng)是連續(xù)譜；

由于原子總能量減小，電子將逐漸的接近原子核而后相遇，原子不穩(wěn)定.第十六章量子物理基礎(chǔ)玻爾(Bohr.Niels1885—1962)

丹麥理論物理學(xué)家，現(xiàn)代物理學(xué)的創(chuàng)始人之一.在盧瑟福原子有核模型基礎(chǔ)上提出了關(guān)于原子穩(wěn)定性和量子躍遷理論的三條假設(shè)，從而完滿地解釋了氫原子光譜的規(guī)律.1922年玻爾獲諾貝爾物理學(xué)獎.第十六章量子物理基礎(chǔ)

1913年玻爾在盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，將量子化概念應(yīng)用于原子系統(tǒng)，提出三條假設(shè)：

2.玻爾的氫原子理論(2)頻率條件(1)定態(tài)假設(shè)(3)量子化條件第十六章量子物理基礎(chǔ)

電子在原子中可以在一些特定的圓軌道上運(yùn)動而不輻射電磁波，這時，原子處于穩(wěn)定狀態(tài)，簡稱定態(tài).(1)定態(tài)假設(shè)

與定態(tài)相應(yīng)的能量分別為E1，E2…，E1<E2<E3

+E1E3

第十六章量子物理基礎(chǔ)(2)

頻率條件(3)量子化條件EfEi發(fā)射吸收主量子數(shù)第十六章量子物理基礎(chǔ)3.

氫原子軌道半徑和能量的計(jì)算(1)軌道半徑

量子化條件：

經(jīng)典力學(xué)：+

rn第十六章量子物理基礎(chǔ),

玻爾半徑(2)

能量第

軌道電子總能量：第十六章量子物理基礎(chǔ)(電離能)基態(tài)能量激發(fā)態(tài)能量第十六章量子物理基礎(chǔ)

氫原子能級躍遷與光譜圖萊曼系巴耳末系布拉開系帕邢系-13.6eV-3.40eV-1.51eV-0.85eV-0.54eV0n=1n=2n=3n=4n=5n=

第十六章量子物理基礎(chǔ)4.玻爾理論對氫原子光譜的解釋(里德伯常量)第十六章量子物理基礎(chǔ)例1.氫原子的賴曼系是原子由激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)而發(fā)射的譜線系，為使處于基態(tài)的氫原子發(fā)射此線系中最大波長的譜線，則向該原子提供的能量至少應(yīng)是：(A)1.5eV;(B)3.4eV;(C)10.2eV;(D)13.6eV.[C]第十六章量子物理基礎(chǔ)例2.用玻爾氫原子理論判斷，氫原子巴爾末系（向第1激發(fā)態(tài)躍遷而發(fā)射的譜線系）中最小波長與最大波長之比為：(A)5/9;(B)4/9;(C)7/9;(D)2/9.

[A]第十六章量子物理基礎(chǔ)(1)正確地指出原子能級的存在(原子能量量子化).16.3.3氫原子玻爾理論的意義和困難1.意義(3)正確地解釋了氫原子及類氫離子光譜規(guī)律.(2)正確地指出定態(tài)和角動量量子化的概念.第十六章量子物理基礎(chǔ)(3)對譜線的強(qiáng)度、寬度、偏振等一系列問題無法處理.(4)半經(jīng)典半量子理論,既把微觀粒子看成是遵守經(jīng)典力學(xué)的質(zhì)點(diǎn)，同時，又賦予它們量子化的特征.2.缺陷(1)無法解釋比氫原子更復(fù)雜的原子.(2)微觀粒子的運(yùn)動視為有確定的軌道.END第十六章量子物理基礎(chǔ)16.4.1德布羅意假設(shè)(1924

年)

“整個世紀(jì)以來，在輻射理論上，比起波動的研究方法來，是過于忽略了粒子的研究方法；在實(shí)物理論上，是否發(fā)生了相反的錯誤呢？是不是我們關(guān)于‘粒子’的圖像想得太多，而過分地忽略了波的圖像呢？”16.4粒子的波動性第十六章量子物理基礎(chǔ)法國物理學(xué)家1924年在他的博士論文《關(guān)于量子理論的研究》中提出把粒子性和波動性統(tǒng)一起來.為量子力學(xué)的建立提供了物理基礎(chǔ).德布羅意（1892—

1987）第十六章量子物理基礎(chǔ)

思想方法自然界在許多方面都是明顯地對稱的，德布羅意采用類比的方法提出物質(zhì)波的假設(shè).

德布羅意假設(shè)：實(shí)物粒子具有波粒二象性粒子性波動性第十六章量子物理基礎(chǔ)

德布羅意公式這種波稱為德布羅意波或物質(zhì)波注意若則(1)若則第十六章量子物理基礎(chǔ)

(2)宏觀物體的德布羅意波長小到實(shí)驗(yàn)難以測量的程度，因此宏觀物體僅表現(xiàn)出粒子性.

例1一束電子中，電子的動能，求此電子的德布羅意波長.解第十六章量子物理基礎(chǔ)此波長的數(shù)量級與

X

射線波長的數(shù)量級相當(dāng).第十六章量子物理基礎(chǔ)例16.10計(jì)算質(zhì)量m＝0.01kg，速率v＝300m/s子彈的德布羅意波長.解：根據(jù)德布羅意公式，可得可以看出，因?yàn)槠绽士顺?shù)很小，所以宏觀物體的波長小到實(shí)驗(yàn)難以測量的程度，因而宏觀物體僅表現(xiàn)出粒子性.第十六章量子物理基礎(chǔ)應(yīng)用舉例

1932年魯斯卡成功研制了電子顯微鏡;

1981年賓尼希和羅雷爾制成了掃描隧穿顯微鏡.第十六章量子物理基礎(chǔ)

經(jīng)典粒子

不被分割的整體，有確定位置和運(yùn)動軌道

.

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，波具有相干疊加性

.

二象性要求將波和粒子兩種對立的屬性統(tǒng)一到同一物體上.16.4.2德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋第十六章量子物理基礎(chǔ)

單個粒子在何處出現(xiàn)具有偶然性;大量粒子在某處出現(xiàn)的多少具有規(guī)律性.粒子在各處出現(xiàn)的概率不同.1.從粒子性方面解釋電子束狹縫電子的單縫衍射第十六章量子物理基礎(chǔ)

電子密集處，波的強(qiáng)度大；電子稀疏處，波的強(qiáng)度小.2.從波動性方面解釋電子束狹縫電子的單縫衍射第十六章量子物理基礎(chǔ)

在某處德布羅意波的強(qiáng)度與粒子在該處附近出現(xiàn)的概率成正比.3.結(jié)論(統(tǒng)計(jì)解釋)

1926

年玻恩提出，德布羅意波為概率波.END第十六章量子物理基礎(chǔ)海森伯坐標(biāo)和動量的不確定關(guān)系

一級最小衍射角

電