九章量子力学的建立.ppt
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1、九章量子力学的建立 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望上上一一代代人人能能取取得得自自然然知知识识的的如如此此神神奇奇进进展展,应应归归功功于于人人们们从从传传统统思思想想束束缚缚下下获获得得的的这一解放。这一解放。玻尔玻尔紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的的 量量 子子 假假 说说一一.紫外灾难紫外灾难二二.普朗克独步一时的研究普朗克独步一时的研究1.紫外灾难和普朗克的量子假说紫外灾难和普朗克的量子假说1.维恩定律维恩定律 1896年
2、,德国物理学家维恩通过年,德国物理学家维恩通过半理论半经验的方法半理论半经验的方法,得到一个辐射能量分布公式:得到一个辐射能量分布公式:这个公式只在短波区、温度较低时和实验结果符合,而这个公式只在短波区、温度较低时和实验结果符合,而在长波区不符。在长波区不符。紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的的 量量 子子 假假 说说2.瑞利瑞利金斯定律金斯定律这这一一公公式式却却只只有有在在长长波波区区和和实实验验结结果果符符合合,而而在在短短波波区区不不符符。由由于于辐辐射射能能量量与与频频率率的的平平方方成成正正比比,因因此此当当波波长长接近紫外时,能量为无限大接近紫外时,能量为无限大!
3、即在紫色端发散。即在紫色端发散。一一.紫外灾难紫外灾难但但瑞瑞利利、金金斯斯两两人人得得出出的的共共识识,是是根根据据经经典典物物理理的的理理论论严严密密推推导导的的,瑞瑞利利和和金金斯斯也也是是物物理理学学界界公公认认的的治治学学严严谨谨的的人人,理理论论值值与与实实验验值值在在短短波波区区的的北北辙辙南南辕辕,揭揭示示了了经经典典物物理理学面临的严重困难,使人们不得不称之为学面临的严重困难,使人们不得不称之为“紫外灾难紫外灾难”。紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的的 量量 子子 假假 说说紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的的 量量 子子 假假 说说二二.普朗
4、克的研究普朗克的研究1.普朗克普朗克 德国人,德国人,18741874年考入慕尼黑大学数学系,因为爱好又转年考入慕尼黑大学数学系,因为爱好又转向物理,他的老师约里劝他不要选物理,但普朗克选了物理向物理,他的老师约里劝他不要选物理,但普朗克选了物理并于并于18791879年获得博士学位。年获得博士学位。18801880年起先后在慕尼黑大学和麦年起先后在慕尼黑大学和麦基尔大学任教。基尔大学任教。18881888年柏林大学任命他为年柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人基尔霍夫的继任人和为他新设立的理论物理研究所所长。和为他新设立的理论物理研究所所长。1894年当选为普鲁士年当选为普鲁士皇家科学院院士,皇
5、家科学院院士,1918年因发现能量子获得诺贝尔物理学奖。年因发现能量子获得诺贝尔物理学奖。同年被选为英国皇家学会会员,同年被选为英国皇家学会会员,1930-1937年任威廉皇家协会年任威廉皇家协会会长。会长。2.普朗克的内插公式普朗克的内插公式 普朗克将代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的实验结普朗克将代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的实验结果结合在一起,得到普朗克辐射定律:果结合在一起,得到普朗克辐射定律:紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的的 量量 子子 假假 说说 当当00,即在长波范围,普朗克定律变为瑞利,即在长波范围,普朗克定律变为瑞利金斯公金斯公式。式。当当,即
6、在短波范围,又与维恩定律一致。,即在短波范围,又与维恩定律一致。鲁本斯鲁本斯得知这一公式后,立即把自己的实验结果和理论得知这一公式后,立即把自己的实验结果和理论曲线相比较,完全符合。于是两人于曲线相比较,完全符合。于是两人于19001900年年1010月月1919日向德国日向德国物理学会做了报告。题目是维恩光谱方程的改进。物理学会做了报告。题目是维恩光谱方程的改进。3.普朗克的能量子假设普朗克的能量子假设 普朗克为一理论物理学家,普朗克为一理论物理学家,他不满足于找到一个经验公他不满足于找到一个经验公式,式,普朗克写道普朗克写道:“从从10月月19日提出这个公式开始,我就日提出这个公式开始,我
7、就致力于找出致力于找出这个公式的真正物理意义这个公式的真正物理意义。这个问题使我直接去。这个问题使我直接去考虑熵和几率之间的关系,也就是说把我引到了波尔兹曼的考虑熵和几率之间的关系,也就是说把我引到了波尔兹曼的思想。思想。”19001900年年1212月月1414日日,普普朗朗克克明明确确提提出出了了能能量量子子概概念念,并并指指出出每每个个能能量量子子的的能能量量 与与频频率率成成正正比比,这这一一天天,被被称称为为量量子子力学的诞生日。力学的诞生日。普朗克从普朗克从这些假设出发可以得到他的这些假设出发可以得到他的黑体辐射公式。黑体辐射公式。紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的
8、的 量量 子子 假假 说说普朗克的矛盾普朗克的矛盾 普朗克的能量子假说,对能量连续的观点形成了严重冲击,普朗克的能量子假说,对能量连续的观点形成了严重冲击,人们只承认普朗克公式,却不接受他的能量子假说人们只承认普朗克公式,却不接受他的能量子假说。就连普朗。就连普朗克本人也不能正确理解能量子的物理意义。对此,他的心情非克本人也不能正确理解能量子的物理意义。对此,他的心情非常矛盾,一方面直觉告诉他:这个发现不同寻常,另一方面他常矛盾,一方面直觉告诉他:这个发现不同寻常,另一方面他又总想回到经典理论的立场上去。他说:又总想回到经典理论的立场上去。他说:“在将作用量子在将作用量子h引引入理论时,应当尽
9、可能保守从事;这就是说,除非业已表明绝入理论时,应当尽可能保守从事;这就是说,除非业已表明绝对必要,否则不要改变现有理论。对必要,否则不要改变现有理论。”1911年普朗克认为只是在发射过程中才是量子化的,而吸年普朗克认为只是在发射过程中才是量子化的,而吸收则完全是连续进行的。到了收则完全是连续进行的。到了1914年,干脆取消了量子假说年,干脆取消了量子假说(0),认为发射过程也是连续的。但一次一次的失败使他),认为发射过程也是连续的。但一次一次的失败使他最终放弃了自己的倒退立场。为此他百感交集:最终放弃了自己的倒退立场。为此他百感交集:“为了使作用为了使作用量子能以某种方式容入经典理论中,我花
10、了几年的时间(一直量子能以某种方式容入经典理论中,我花了几年的时间(一直到到1915年),它们耗费了我大量的精力。年),它们耗费了我大量的精力。现在我懂得了一件现在我懂得了一件事实,基本作用量子在物理学中所起的作用远比我最初设想的事实,基本作用量子在物理学中所起的作用远比我最初设想的要深刻的多。要深刻的多。”一一.光电效应光电效应二二.康普顿效应康普顿效应 2.爱因斯坦的光量子理论爱因斯坦的光量子理论1.光电效应的发现光电效应的发现 1887年赫兹发现了光电效应年赫兹发现了光电效应。当时赫兹在验证麦克撕韦的当时赫兹在验证麦克撕韦的电磁理论的火花放电实验时,意外发现:如果接收电磁波的电电磁理论的
11、火花放电实验时,意外发现:如果接收电磁波的电极受到紫外线照射,火花放电就变的容易产生。并将这一现象极受到紫外线照射,火花放电就变的容易产生。并将这一现象发表于论文紫外线对放电的影响。发表于论文紫外线对放电的影响。2.爱因斯坦的光量子假说的提出爱因斯坦的光量子假说的提出 1905年年6月、月、1906年年3月、月、11月,爱因斯坦连续发表了三篇月,爱因斯坦连续发表了三篇论文关于光的产生和转化的一个启发性观点论光的产生论文关于光的产生和转化的一个启发性观点论光的产生与吸收普朗克的辐射和比热理论。提出光两字理论,并与吸收普朗克的辐射和比热理论。提出光两字理论,并对光电效应进行了解释。对光电效应进行了
12、解释。3.光电效应理论的验证光电效应理论的验证 美国实验物理学家美国实验物理学家密立根密立根从从1905年起,花了十年时间。年起,花了十年时间。爱因斯坦爱因斯坦“因对理论物理所做的贡献,特别是发现了光电因对理论物理所做的贡献,特别是发现了光电效应定律效应定律”获获1921年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。密立根也因此获密立根也因此获1923年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。一、光电效应一、光电效应 康普顿效应进一步证实了光量子理论的正确性。康普顿效应进一步证实了光量子理论的正确性。1918年美国物理学家康普顿年美国物理学家康普顿(A.H.Compton)开始研究开始研究X射射线的散射,线的
13、散射,1922年,他把年,他把X射线投射到石墨上,以观察被散射射线投射到石墨上,以观察被散射后的后的X射线,射线,发现其中有两种不同的频率成分:一种频率与入发现其中有两种不同的频率成分:一种频率与入射线相同,另一种频率则低于入射线。按照经典理论,散射过射线相同,另一种频率则低于入射线。按照经典理论,散射过程不会改变入射线的频率。程不会改变入射线的频率。1923年康普顿利用爱因斯坦年康普顿利用爱因斯坦1916年提出的光量子的动量表达式,对光子与电子的碰撞过程应用年提出的光量子的动量表达式,对光子与电子的碰撞过程应用质能守恒和动量守恒定律,圆满解释了实验结果。质能守恒和动量守恒定律,圆满解释了实验
14、结果。英国物理学家英国物理学家威尔逊威尔逊(C.T.R.Wilson)用自己发明的用自己发明的“云云室室”发现了这些反冲电子。发现了这些反冲电子。康普顿因发现康普顿效应、威尔逊康普顿因发现康普顿效应、威尔逊“因发现用蒸汽凝聚因发现用蒸汽凝聚观察电子粒子轨迹的方法观察电子粒子轨迹的方法”分享了分享了1927年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。二、康普顿效应二、康普顿效应吴有训吴有训:18971897年年4 4月月2 2日出生,江西高安人。物理学家。日出生,江西高安人。物理学家。19201920年年毕业于南京高等师范学校。毕业于南京高等师范学校。19261926年获美国芝加哥大学物理学博年获美
15、国芝加哥大学物理学博士学位。士学位。19481948年选聘为中央研究院院士。中国科学院研究员、年选聘为中央研究院院士。中国科学院研究员、副院长,中国物理学会理事长。主要从事近代物理学特别是副院长,中国物理学会理事长。主要从事近代物理学特别是X X射射线散射光谱方面的研究工作,是中国开展近代物理学实验研究线散射光谱方面的研究工作,是中国开展近代物理学实验研究的先驱者之一。的先驱者之一。2020年代在康普顿的年代在康普顿的X X射线散射研究中进行了多项射线散射研究中进行了多项实验,为康普顿效应的进一步确立和公认作出了部分重要工作。实验,为康普顿效应的进一步确立和公认作出了部分重要工作。195519
16、55年选聘为中国科学院院士(学部委员)。年选聘为中国科学院院士(学部委员)。19771977年年1111月月3030日日于北京去世。于北京去世。康普顿最初发表的论文只涉及一种散射物质(石墨),为康普顿最初发表的论文只涉及一种散射物质(石墨),为了证明这一效应的普遍性,吴有训在康普顿的指导下,做了了证明这一效应的普遍性,吴有训在康普顿的指导下,做了种物质的射线散射曲线,证明只要散射角相同,不同物质散种物质的射线散射曲线,证明只要散射角相同,不同物质散射的效果都一样。射的效果都一样。1925 1925年年吴有训吴有训以康普顿效应的论文获得博士学位。以康普顿效应的论文获得博士学位。一一.原子模型的历
17、史演变原子模型的历史演变二二.卢瑟福的核式结构卢瑟福的核式结构3.卢瑟福的卢瑟福的原子核式结构原子核式结构一一.原子模型的历史演变原子模型的历史演变 电子的发现,引起了人们对原子内部结构的兴趣,提出电子的发现,引起了人们对原子内部结构的兴趣,提出了各种结构模型。了各种结构模型。卢卢 瑟瑟 福福 的的 原原 子子 核核 式式 结结 构构3.JJ汤姆逊汤姆逊西瓜模型西瓜模型:正电荷像西瓜瓤,负电荷像西瓜子正电荷像西瓜瓤,负电荷像西瓜子分布其上(面包和葡萄干模型)。分布其上(面包和葡萄干模型)。2.长岗的长岗的土星模型土星模型:19041904年,提出土星卫环模型。这一模型年,提出土星卫环模型。这一
18、模型实际已经提出了原子的有核结构模型,只是未对核的大小实际已经提出了原子的有核结构模型,只是未对核的大小的数量级及原子的稳定性等问题给予明确的阐述。的数量级及原子的稳定性等问题给予明确的阐述。1.勒纳德的勒纳德的动力子模型动力子模型:1902-1903年勒纳德通过作阴极射年勒纳德通过作阴极射线透过金属箔的实验表明,金属中的原子并不是相互紧靠线透过金属箔的实验表明,金属中的原子并不是相互紧靠着的刚性小球,其中存在大量空隙,刚性球约占全部空间着的刚性小球,其中存在大量空隙,刚性球约占全部空间的的10-9。于是他提出:原子内的每个电子与每个正电荷组。于是他提出:原子内的每个电子与每个正电荷组成一个中
19、性的成一个中性的“刚性配偶体刚性配偶体”,并取名为,并取名为“动力子动力子”,无,无数动力子漂浮于空旷的原子太空中。数动力子漂浮于空旷的原子太空中。1.1.卢瑟福行星模型提出的过程卢瑟福行星模型提出的过程二二.卢瑟福的卢瑟福的行星模型行星模型-核式结构核式结构JJJJ汤汤姆姆逊逊认认为为:“原原子子内内的的正正电电荷荷是是均均匀匀地地分分布布在在原原子子中中的的,而而并并非非呈呈粒粒子子状状态态”。而而卢卢瑟瑟福福认认为为应应该该用用带带电电粒子碰撞去试探。粒子碰撞去试探。19091909年年,卢卢瑟瑟福福和和盖盖革革、马马斯斯顿顿,用用氦氦核核轰轰击击厚厚度度为为1010-6-6米米的的金金
20、箔箔(散散射射实实验验)。起起初初盖盖革革什什么么现现象象也也没没看看到到,卢卢瑟瑟福福告告诉诉他他要要仔仔细细观观察察:“要要多多看看细细看看,实实验验要要重重复复几几十十次次、几几百百次次、几几千千次次,才才能能发发现现偶偶然然的的现现象象。”结结果果,实实验验测测得得散散射射角角大大于于9090的的比比例例约约为为1/80001/8000。根根据据汤汤姆姆逊逊模模型型,粒粒子子的的大大角角偏偏折折是是多多次次小小偏偏折折积积累累造造成成的的。其其概概率率约约为为1/101/1035003500。实验结果和模型明显不符。实验结果和模型明显不符。卢瑟福说卢瑟福说:“:“犹如一发犹如一发151
21、5寸的炮弹去轰一张薄纸,而寸的炮弹去轰一张薄纸,而炮弹却掉过头来击中你自己一样。炮弹却掉过头来击中你自己一样。”卢卢 瑟瑟 福福 的的 原原 子子 核核 式式 结结 构构 为了解决这一矛盾,卢瑟福放弃比汤姆逊模型,为了解决这一矛盾,卢瑟福放弃比汤姆逊模型,利用长利用长冈半太郎的土星模型进行计算冈半太郎的土星模型进行计算,结果与实验值基本相符。于,结果与实验值基本相符。于是是19111911年发表了物质的年发表了物质的粒子和粒子和粒子的散射和原子结构粒子的散射和原子结构的论文,提出原子的有核模型。在论文中他写到:的论文,提出原子的有核模型。在论文中他写到:“经过经过思考,我认为反向散射必定是单次
22、碰撞的结果,而当我作出思考,我认为反向散射必定是单次碰撞的结果,而当我作出计算时看到,除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微计算时看到,除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统,是无法得到数量级的任何结果的,这就使小的核内的系统,是无法得到数量级的任何结果的,这就使我后来提出原子具有很小而质量很大的核心的想法。我后来提出原子具有很小而质量很大的核心的想法。”1911-1913 1911-1913年间年间盖革和马斯顿在卢瑟福指导下做了一系盖革和马斯顿在卢瑟福指导下做了一系列列粒子的散射实验,粒子的散射实验,“记录下了记录下了100000100000次以上的闪烁,次以上的闪烁,所有
23、结果都和卢瑟福理论符合的很好,结果都证明:原子所有结果都和卢瑟福理论符合的很好,结果都证明:原子中心有很强的电荷,这个中心比原子直径要小的多。中心有很强的电荷,这个中心比原子直径要小的多。”原子核式结构模型的建立,只肯定了原子核原子核式结构模型的建立,只肯定了原子核的存在,但还不知道原子核外电子的情况。的存在,但还不知道原子核外电子的情况。卢卢 瑟瑟 福福 的的 原原 子子 核核 式式 结结 构构2.2.卢瑟福的有核原子结构与经典理论的矛盾卢瑟福的有核原子结构与经典理论的矛盾 电子轨道及转动频率不断变化,辐射电磁波频率也是电子轨道及转动频率不断变化,辐射电磁波频率也是连续的,连续的,原子光谱应
24、是连续的光谱。实验测得原子光谱是原子光谱应是连续的光谱。实验测得原子光谱是不连续的谱线。不连续的谱线。按经典理论电子绕核旋转,作加速运动,电子将不断按经典理论电子绕核旋转,作加速运动,电子将不断向四周辐射电磁波,它的能量不断减小,从而将逐渐靠近向四周辐射电磁波,它的能量不断减小,从而将逐渐靠近原子核,最后落入原子核中。计算表明,原子的寿命将仅原子核,最后落入原子核中。计算表明,原子的寿命将仅有有1010-12-12秒。而实验表明原子相当稳定。秒。而实验表明原子相当稳定。一一.玻尔玻尔(1885-1962)二二.玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论三三 玻尔理论的验证玻尔理论的验证四四.玻尔理论的缺
25、陷玻尔理论的缺陷4.玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论玻玻 尔尔 的的 氢氢 原原 子子 理理 论论一一.玻尔玻尔(N.D.Bohr,1885-1962)丹麦物理学家尼尔斯丹麦物理学家尼尔斯玻尔,生于丹麦哥本哈根的一个玻尔,生于丹麦哥本哈根的一个富裕知识分子家庭,父亲是哥本哈根大学生理学教授。富裕知识分子家庭,父亲是哥本哈根大学生理学教授。1903年进入哥本哈根大学数学和自然科学系,大学二年级时他热年进入哥本哈根大学数学和自然科学系,大学二年级时他热中于研究水的表面张力问题,并在丹麦皇家科学院的有奖征中于研究水的表面张力问题,并在丹麦皇家科学院的有奖征文中容获金质奖章,文中容获金质奖章,1909
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