量子力学量子力学的诞生课件.ppt
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1、第一章第一章 :量子力学的诞生:量子力学的诞生第一节第一节 光的波粒二象性光的波粒二象性第二节第二节 原子结构的玻尔理论原子结构的玻尔理论第三节第三节 微粒的波粒二象性微粒的波粒二象性为什么要学习量子力学为什么要学习量子力学l量子力学开创了物理学的新时代量子力学开创了物理学的新时代十十九九世世纪纪末末期期,物物理理学学理理论论一一方方面面被被看看成成是是发发展展到到了了相相当当完完善善的的阶阶段段,但但另另一一方方面面又又在在生生产产与与科科学学实实验验面面前前遇遇到到了了不少严重的困难(见这章内容)。不少严重的困难(见这章内容)。量量子子力力学学的的发发现现在在物物理理学学史史上上是是一一件
2、件划划时时代代的的大大事事。在在此此以以前前的的物物理理学学统统称称为为经经典典物物理理学学,以以后后的的就就叫叫做做近近代代物物理理学学。而而所所谓谓的的近近代代物物理理学学,实实际际上上可可定定义义为为需需要要用用量量子子力力学和相对论解释的物理学。学和相对论解释的物理学。2020世纪物理学取得的两个最大的进展是相对论和量子理论。世纪物理学取得的两个最大的进展是相对论和量子理论。相对论的建立从根本上改变了人们原有的空间和时间的概相对论的建立从根本上改变了人们原有的空间和时间的概念,指明了牛顿力学的适用范围(即物理的运动速度念,指明了牛顿力学的适用范围(即物理的运动速度vC vC)。)。微观
3、现象必须用量子力学去描述微观现象必须用量子力学去描述l大量的科学实验结果经典物理无法解决。如黑体辐大量的科学实验结果经典物理无法解决。如黑体辐射、卢瑟福的散射实验、光电效应、固体在低温下射、卢瑟福的散射实验、光电效应、固体在低温下的比热等等;的比热等等;l一切想将经典物理学用到微观领域的企图破灭一切想将经典物理学用到微观领域的企图破灭 对宏观现象的研究也应立足于量子力学。对宏观现象的研究也应立足于量子力学。l这是因为既然宏观物体是由大量微观粒子组成的,这是因为既然宏观物体是由大量微观粒子组成的,那么一些已知的宏观现象原则上也应该可以由微观那么一些已知的宏观现象原则上也应该可以由微观现象的规律推
4、导出来。可以说,一切宏观理论都可现象的规律推导出来。可以说,一切宏观理论都可以由微观量子理论在一定的近似条件下推导出来。以由微观量子理论在一定的近似条件下推导出来。量子宏观现象的存在,科技发展和应用量子宏观现象的存在,科技发展和应用。l经经典典理理论论,也也不不能能完完全全解解决决所所有有的的宏宏观观现现象象。还还存存在在着着大大量量的的用用经经典典理理论论无无法法解解释释的的宏宏观观现现象象,这这些些现现象象往往往往就就是是量量子子力力学学现现象象的的宏宏观观表表现现,如如:超超导导、超流、半导体的导电行为、宏观量子隧道效应等等。超流、半导体的导电行为、宏观量子隧道效应等等。本章基本要求本章
5、基本要求1 了解经典物理学遇到的困难2 理解和掌握波粒二象性一一 19 世纪后期经典物理学的辉煌世纪后期经典物理学的辉煌 模型:(1665-1685)引力作用和三大定律 描述宏观物体的运动和作用:地球上 物体运动 力 动量 能量 交换等 天体运动 预言和发现海王星 天-地 统一起来 第 1 次物理理论大统一实验表明:牛顿力学工作得很好 1 牛顿(1642-1727)力学 200年发展 1.1 光的波粒二象性光的波粒二象性2 电磁学的统一电磁学的统一 Maxwell 1864 电磁学方程组电磁学方程组 很好地解释了电磁现象很好地解释了电磁现象 预言存在电磁波预言存在电磁波 赫兹赫兹1888年发现
6、了电磁波年发现了电磁波 证实了麦克斯韦的预言证实了麦克斯韦的预言第第2次物理理论的统一:电磁光次物理理论的统一:电磁光 3 热力学和统计物理学形成系统理热力学和统计物理学形成系统理论框架论框架 解释了许多热学现象解释了许多热学现象4 物质构造物质构造 原子分子论的建立原子分子论的建立 道尔顿道尔顿 原子学说原子学说 1807 肯定原子存在肯定原子存在 阿佛加德罗阿佛加德罗 分子假说分子假说 1811 门捷列夫门捷列夫 元素周期律元素周期律 1869 对化学一次综合对化学一次综合 光谱分析光谱分析精确地指明化学元素名称精确地指明化学元素名称 5 19世纪末物理学世纪末物理学l辉煌篇章辉煌篇章:牛
7、顿力学和电磁学都已得到圆满的说明,:牛顿力学和电磁学都已得到圆满的说明,热学现象已有热力学定律予以说明,物质构造确认热学现象已有热力学定律予以说明,物质构造确认了了“基本砖块基本砖块”-原子;物理学上两次大的综合和统原子;物理学上两次大的综合和统一,使古典物理学显示出形式上的完整。一,使古典物理学显示出形式上的完整。l陶醉陶醉:把物理学誉为:把物理学誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦美丽的庙宇动人心弦美丽的庙宇”,科学大厦即将竣工,剩下的科学大厦即将竣工,剩下的只是将已经建立起来的原理用于解释自然界种种现只是将已经建立起来的原理用于解释自然界种种现象,测准一些物理学
8、常数(小数点后第象,测准一些物理学常数(小数点后第6位)或把一位)或把一些定律进行实际的应用。些定律进行实际的应用。6 问题与局限问题与局限19世纪古典物理学发展到了顶峰,但是世纪古典物理学发展到了顶峰,但是1)晴空中仍有)晴空中仍有“两朵乌云两朵乌云”(开尔文勋爵语开尔文勋爵语):紫外灾紫外灾难难 以太飘移以太飘移 2)世纪末的新发现使古典物理学出现了)世纪末的新发现使古典物理学出现了“危机危机”3)实际上人类对自然界的认识仅限于宏观和低速,)实际上人类对自然界的认识仅限于宏观和低速,对于对于微观和高速、原子内部和宇观不知或知之甚少!微观和高速、原子内部和宇观不知或知之甚少!乌云和危机乌云和
9、危机导致了物理学创新,产生了新的理论!导致了物理学创新,产生了新的理论!事实上事实上,物理学面临的不是危机物理学面临的不是危机,而是一场伟大的革命。而是一场伟大的革命。20世纪物理学两个划时代的里程碑l狭义相对论-改变了牛顿力学的绝对时空观,指明牛顿力学只适用于VCl量子力学 物体运动形式和规律的根本变革适用于微观世界和一定条件下的某些宏观运动(极低温下的超导、超流、Bose-Einstein凝聚等)量子力学是历史上最成功、并且为实验精确检验了的一个理论。观测尺度和观测工具宇观宇观 (10107 7 m)m)宏观宏观 (m)(m)介观介观 (10(10-9-9 m)m)微观微观(1010-9-
10、9m 10102626-10-1027 27 m m 10-15 m观测工具观测工具1 1 黑体黑体 黑体辐射黑体辐射 (1 1)热辐射)热辐射 实验证明不同温度下物体能发出实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波,这种能量按频率的分布随温度而不同不同的电磁波,这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射的电磁辐射叫做热辐射.(2 2)单色辐射出射度)单色辐射出射度 单位时间内从物体单位表单位时间内从物体单位表面积发出的频率在面积发出的频率在 附近单位频率区间(或波长在附近单位频率区间(或波长在 附近单位波长区间)的电磁波的能量附近单位波长区间)的电磁波的能量 .单色辐射出射度单色辐射
11、出射度 单位:单位:单色辐射出射度单色辐射出射度 单位:单位:二二 黑体黑体辐射射 普朗克能量子假普朗克能量子假设(3 3)辐射出射度)辐射出射度 (辐出度)(辐出度)单位时间,单位单位时间,单位面积上所辐射出的各面积上所辐射出的各种频率(或各种波长)种频率(或各种波长)的电磁波的能量总和的电磁波的能量总和.0 2 4 6 8 10 12钨丝和太阳的单色辐出度曲线钨丝和太阳的单色辐出度曲线21210468太阳太阳可见可见光区光区 钨丝钨丝(5800K5800K)太阳太阳(5800K5800K)钨丝钨丝实验表明实验表明 辐射能力越强的物体,其吸收能力也越强辐射能力越强的物体,其吸收能力也越强.(
12、4 4)黑体)黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体的电磁辐射的物体称为黑体 .(黑体是理想模型)(黑体是理想模型)0 1 2 3 6123 45瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式实验曲线实验曲线*2 黑体辐射的瑞利黑体辐射的瑞利金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式紫外灾难紫外灾难普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式3 普朗克假设普朗克假设 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式(1900 年)年)能量子能量子 为单元来吸收为单元来吸收或发射能量或发射能量.普朗克认为:金属空腔壁中电子的振动可视为一普朗克认为
13、:金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子,它吸收或者发射电磁辐射能量时,不是过维谐振子,它吸收或者发射电磁辐射能量时,不是过去经典物理认为的那样可以连续地吸收或发射能量,去经典物理认为的那样可以连续地吸收或发射能量,而是以与振子的频率成正比的而是以与振子的频率成正比的普朗克常量普朗克常量 空腔壁上的带空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为电谐振子吸收或发射能量应为 0 1 2 3 6瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式123 45普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线实验值实验值*1 1 光电效应实验的规律光电效应实验的规律VA(1)实验装置实验装置 光照射至金属表面光照射至金属表面,电子从金电子从
14、金属表面逸出属表面逸出,称其为称其为光电子光电子.(2)实验规律实验规律 截止频率(红限)截止频率(红限)几种几种纯金属的纯金属的截止截止频率频率 仅当仅当 才发生光电效应,才发生光电效应,截止频率与截止频率与材料有关材料有关与与光强无关光强无关 .金属金属截止频率截止频率4.545 5.508.065 11.53铯铯 钠钠 锌锌 铱铱 铂铂 19.29三三 光光电效效应 电流饱和值电流饱和值 遏止电压遏止电压 瞬时性瞬时性 遏止电压与入射光频率具遏止电压与入射光频率具有线性关系有线性关系.当光照射到金属表面上时,当光照射到金属表面上时,几乎立即就有光电子逸出几乎立即就有光电子逸出(光强)(光
15、强)遏止电压遏止电压 与光强无关与光强无关 按经典理论,电子逸出金属所需的能量,需要有按经典理论,电子逸出金属所需的能量,需要有一定的时间来积累,一直积累到足以使电子逸出金属一定的时间来积累,一直积累到足以使电子逸出金属表面为止表面为止.与实验结果不符与实验结果不符 .(3 3)经典理论遇到的困难经典理论遇到的困难 红限问题红限问题 瞬时性问题瞬时性问题 按经典理论按经典理论,无论何种频率的入射光无论何种频率的入射光,只要其强度只要其强度足够大,就能使电子具有足够的能量逸出金属足够大,就能使电子具有足够的能量逸出金属 .与实与实验结果不符验结果不符.2 光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程 (1
16、905年年)(1)“光量子光量子”假设假设光子的能量为光子的能量为(2)解释实验解释实验几种金属的逸出功几种金属的逸出功金属金属钠钠 铝铝 锌锌 铜铜 银银 铂铂2.28 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35爱因斯坦方程爱因斯坦方程 逸出功与逸出功与材料有关材料有关 对同一种金属,对同一种金属,一定,一定,与光强无关,与光强无关 逸出功逸出功爱因斯坦方程爱因斯坦方程产生光电效应条件条件产生光电效应条件条件(截止频率)(截止频率)光强越大,光子数目越多,即单位时间内产生光电光强越大,光子数目越多,即单位时间内产生光电 子数目越多,光电流越大子数目越多,光电流越大.(时)时)光子射至金
17、属表面,一个光子携带的能量光子射至金属表面,一个光子携带的能量 将一将一 次性被一个电子吸收,若次性被一个电子吸收,若 ,电子立即逸出,电子立即逸出,无需时间积累(无需时间积累(瞬时瞬时性)性).1920年,美国物理学家康普顿在观察年,美国物理学家康普顿在观察X射线被物质散射线被物质散射时,发现射时,发现散射散射线中含有线中含有波长波长发生发生变化变化了的成分了的成分.1 1 实验装置实验装置四四 康普康普顿散射散射 经典电磁理论预言,经典电磁理论预言,散射辐射具有和入射辐射散射辐射具有和入射辐射一样的频率一样的频率.经典理论无经典理论无法解释波长变化法解释波长变化.2 实验结果实验结果(相对
18、强度)(相对强度)(波长)(波长)在散射在散射X 射线中除有射线中除有与入射波长相同的射线外,与入射波长相同的射线外,还有波长比入射波长更长还有波长比入射波长更长的射线的射线.3 经典理论的困难经典理论的困难光子光子电子电子 电子反冲速度很大,需用电子反冲速度很大,需用相对论力学相对论力学来处理来处理.物理模型物理模型 入射光子(入射光子(X 射线或射线或 射线)能量大射线)能量大 .固体表面电子束缚较弱,可视为固体表面电子束缚较弱,可视为近自由电子近自由电子.4 量子解释量子解释电子电子光子光子 电子热运动能量电子热运动能量 ,可近似为,可近似为静止电子静止电子.范围为:范围为:散射光波长的
19、改变量散射光波长的改变量 仅与仅与 有关有关 散射光子能量减小散射光子能量减小康普顿公式康普顿公式结论结论五五 光的波粒二象性光的波粒二象性描述光的描述光的 粒子性粒子性 描述光的描述光的 波动性波动性 光子光子 相对论能量和动量关系相对论能量和动量关系(2)粒子性:粒子性:指它具有集中的不可分割的性指它具有集中的不可分割的性质,一,一颗光子就是集中的不可分割的一光子就是集中的不可分割的一颗,它具有能量、,它具有能量、动量。量。(1)波动性:波动性:在空在空间表表现出干涉、衍射等波出干涉、衍射等波动现象,具象,具有一定的波有一定的波长、频率率光的波粒二象性光的波粒二象性粒子性粒子性波动性波动性
20、(具有能量)具有能量)(具有频率)(具有频率)(具有动量)(具有动量)(具有波长)(具有波长)h二者通过二者通过 h来联系来联系波矢波矢普朗克常量普朗克常量焦耳秒一一 氢原子光谱的规律性氢原子光谱的规律性 1885 年瑞士数学家巴耳末发现氢原子光谱可见光年瑞士数学家巴耳末发现氢原子光谱可见光部分的规律部分的规律 1890 年瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式年瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式频率频率 里德伯常量里德伯常量 1.2 原子原子结构的玻构的玻尔理理论莱曼系莱曼系(1916年年)紫外紫外巴尔末系巴尔末系(1885年年)可见光可见光帕邢系帕邢系(1908年年)布拉开系布拉开系(19
21、22年年)普丰德系普丰德系(1924年年)汉弗莱系汉弗莱系(1953年年)红外红外1908年年发现碱金属的碱金属的线光光谱也有也有类似的似的规律律里里兹(W.Ritz)并合原并合原则:1908年所有元素原子光谱的每一个线系谱线的频率有一般的表示形式,都可以写成相应的两个光谱项之差:光谱项,n和m是某些正整数对于氢原子:有关原子光谱最一般化的规律二二 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论(1)经典核模型的困难经典核模型的困难 根据经典电磁理论,电子绕核根据经典电磁理论,电子绕核作匀速圆周运动,作加速运动的作匀速圆周运动,作加速运动的电子将不断向外辐射电磁波电子将不断向外辐射电磁波.+原子不断地向外辐
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