量子物理初步课件解读

早期量子论量子力学相对论量子力学普朗克能量量子化假说1900爱因斯坦光子假说1905玻尔的氢原子理论1913康普顿效应1922德布罗意实物粒子波粒二象性1924薛定谔方程1926波恩的物质波统计解释1926海森伯的测不准关系1927狄拉克把量子力学与狭义相对论相结合1928海森伯/泡利量子场论1939量子力学微观世界的理论宏观领域经典力学19世纪末，完整的经典物理学理论体系。成就:力学预言海王星，声学统一于力学电磁学预言电磁波，光学统一于电磁学，热力学与统计物理学建立（宏观/微观），对自然界的认识已经进入了微观领域。乐观。一系列重大实验都无法用经典物理学理论解释：物理学面临危机/革命。1887，迈克尔逊-莫雷实验，否定以太参考系*相对论，高速世界1900，瑞利-金斯，紫外灾难（能均分-热辐射）*普朗克的能量子1887，赫兹发现光电效应*爱因斯坦光量子理论1895，x射线；1896，放射性；1897，电子；*原子可分，原子物理学/粒子物理学/核物理学/，进入微观世界，玻尔的原子理论1900，开尔文（76岁），《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》。两朵乌云。光以太：为什么地球能够穿过光以太这样的弹性固体运动？紫外灾难乌云第19章量子物理一黑体辐射blackbodyradiation量子理论是从热辐射问题上突破的。物质分子（热运动）包含带电粒子，发射电磁波：热辐射。无论温度高低，都有热辐射（连续的能量谱）。19世纪末，由于冶金等各方面的需求，人们急于知道辐射强度与光波长之间的函数关系。单靠实验逐一找对应点的方法，犹如钝刀子割肉。维恩和瑞利-金斯分别发表了两个公式，试图解决这一问题。辐射强度随波长变化规律:发射能量与波长/温度有关。温度越高，发射能量越大，波长越短。800k以下，主要在红外区域，热效应；温度升高，导致光效应，人眼看见。0123456(μm))(TM铁加热过程:暗红-樱桃红-明亮橘黄-融化引入物理量，定量描述单位时间内从物体的单位面积上发出的波长在-+d范围内辐射的电磁波能量。dTdMTM)()(单色辐出度（单色辐射本领）关键量单位时间内从物体的单位面积上辐射出的各种波长电磁波能量总和。辐出度（总的辐射本领）)(TM除了发射电磁波，物体还具有反射和吸收电磁波的能力。辐射的能量=吸收的能量平衡热辐射，恒温一般物体：吸收能力随物体而异（深色强于浅色）同一个物体：吸收能力越强，辐射能力越强例：一块白色瓷片涂有一黑色圆。放在太阳下：黑色暗，白色亮。（吸收与反射）加热到高温，放到黑暗中：黑色亮，白色暗（辐射）如果一个物体能全部吸收入射辐射无反射，这种物体称为绝对黑体，简称黑体。理想模型。最好的吸收体，最好的辐射体。空腔小孔。确定黑体的单色辐出度中心问题。不透明的外壁0100020001.00.5)mW10/()(314TMnm/可见光区3000K6000K斯特藩—玻尔兹曼定律，1879。40d)()(TTMTM42KmW810670.5斯特藩—玻尔兹曼常量维恩位移定律，1893，热力学理论导出bTmKm10898.23b常量峰值波长m（曲线的面积）nmnmTbm956430310898.23KbTm6000'4420)'()()'(TTTMTM例（1）温度为室温30度的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？（2）若使一黑体单色辐出度的峰值所对应的波长为483nm，其温度应为多少？（3）以上两辐出度之比为多少？解nmm483（2）取（1）由维恩位移定律（3）由斯特藩—玻尔兹曼定律fireflyColdlight,Peak:5.40*1014Hz,555nmIfBlackbodyradiation:T=5200KNotablackbody!!0123456(μm))(TM4TTM)(bTm理论上推出黑体的单色辐出度表达式是最“炫”的课题实验值)(TM维恩瑞利-金斯紫外灾难0123456789)m(TCeCTM251)(TCTM43)(1896年，维恩根据实验数据得出有关热辐射的经验公式TCeCTM21)(511900瑞利-金斯定律,能量均分/经典电磁理论42)(ckTTM11)(251TCeCTM普朗克经验公式：与实验非常吻合h—普朗克常数sJh341063.6普朗克黑体辐射公式11252kThcehcTM)(c——光速k——玻尔兹曼常数量子之父普朗克能量子假说金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子，它吸收或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的吸收或发射能量，而是以与振子的频率成正比的的能量子为单元发射和吸收能量。h吸收和发射的能量不能连续变化，只能取一些分立值，是最小能量的整数倍。此谓：能量量子化。（台阶）有人说，这个出色的革命性的工作，实际上是普朗克从一个偶然或者明智猜测的结果出发，一步步向前反推出来的。勇敢接受离经叛道的量子概念——纵然没明白为什么，也不了解它的意义。苦恼~~多年徒劳无益试图使基本作用量子适用于经典理论—1915玻尔。。。30年后，他依然认为自己当年很冒险，但他承认：“为了得到正确的结果，我准备牺牲我以前有关物理定律的一切信念”。例设有一音叉尖端的质量为0.050kg，将其频率调到480赫兹，振幅1毫米，求尖端振动的量子数。讨论：当量子数由n增加到n+1时，振幅变化？解（1）JAmAmE227.0)π2(21212222nhE291013.7hEnJh311018.3在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明显的，即宏观物体的能量完全可视作是连续的.m1001.734AM.V.普朗克研究辐射的量子理论，发现基本量子，提出能量量子化的假设经典物理学不允许能量不连续概念。未能重视。普朗克本人也非常不安。直到1915年玻尔解释氢原子结构大获成功。1918诺贝尔物理学奖这个发现将人类的观念——不仅是有关经典科学的观念，而且是有关通常思维方式的观念的基础砸得粉碎。——玻尔h——普朗克常数，象普罗米修斯从天上引来的一粒火种，使人们从传统思想的束缚下获得了解放!黑体辐射，光电效应，原子光谱，康普顿效应等都是普朗克假说的发展结果，是经典物理不能解释的爱因斯坦:对于标新立异就没有这么多痛苦和心理负担。专利局期间，一年三篇文章，每一篇都足以让他成为一个杰出物理学家（布朗运动，相对论，光的本质）提出：有些现象不能用经典电磁理论的连续变量来解释，采用粒子模型更好。方法妙处：设法直接观察物理过程，如光的发射和吸收过程，白手起家进行解释。很难想象普朗克可以这样做（从经典理论出发……）1905,爱因斯坦：光量子概念，解释光电效应规律光电效应光照射到金属表面时，有电子从金属表面逸出的现象。光电子逸出的电子，具有初动能OOOOOOOOAKGVR光电子在电场的作用下由K飞向A，回路中形成光电流若反向，遏止电压/无电流时量子物理基础二光电效应photoelectriceffect实验规律1给定金属，当照射光频率小于某个频率（红限频率，截止频率），无论光强如何，都不会产生光电效应。（经典：能量与振幅有关）2光电效应瞬时响应性质（经典：能量分布在波面上，需要时间积累能量无论光强多微弱，从照射到光电子出现只需要的时间。s9103饱和光电流（单位时间内从阴极逸出的光电子数）与入射光的强度成正比。4用不同频率光照射，只要频率大于截止频率，遏止电压与频率成正比。最大初动能与频率有关4补：勒纳德1900发现，光电子最大初动能与光强无关。而经典理论认为，电子接受光的能量获得动能，光越强，获得的能量越大，电子速度越快种种抵触，揭露了经典理论的不足。但!因循守旧本能。勒纳德特意想出解释：光起触发作用，电子原本就有速度，只要光的频率与电子的振动频率一致，发生共振，电子就可以逃走……1905年因阴极射线获得诺贝尔奖。同年，爱因斯坦提出光量子理论和光电方程……爱因斯坦认为能量不仅以ε=hν形式发射，也以同样的方式一份份被吸收，光是由具有粒子性的光子所组成。他说：“光量子钻进物体的表面层，……把它的全部能量给予了单个电子……”爱因斯坦的光量子理论，圆满地解释了光电子效应，使量子概念进一步深入人心。爱因斯坦光电效应方程Amvhm221爱因斯坦光子假说光是以光速c运动的微粒流，称为光量子（光子）h光子的能量光的强度由光子数目决定。金属中的自由电子吸收一个光子能量h，一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸出功A，一部分转化为光电子的动能。ameUmv221Ah频率较小时截止频率时频率较大时4.光电子最大初动能（遏止电压）和照射光的频率成线性关系。密立根完成实验验证（本来试图否定），顺便测出普朗克常数。1904开始-1914发表-1923获奖。爱因斯坦：很感激密立根的研究。第一次判决性的证明了光电子的发射与光的振动周期有关。这一量子论的结果是辐射的粒子结构所特有的性质。2.电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积。1.光强大，光子数多，释放的光电子多，光电流大。3.截止频率取决于金属自身（逸出功）。Ah0Amvhm221例根据图示确定以下各量1、钠的红限频率2、钠的逸出功3、普朗克常数解：由爱因斯坦方程Amvhm221ameUmv221截止电压与入射光频率关系AheUa)V(UaO)Hz(141020.21065.00.6钠的截止电压与入射光频关系39.4eAehUa例：波长200nm光入射到铝表面，铝的逸出功为4.2eVeVAhEk2VeEUka2Amvhm221则出射电子动能遏止电压截止频率nmhA2.2950若入射光强S为2.0w/m2，单位时间落在单位面积上的平均光子数18102hSN•A.爱因斯坦对现物理方面的贡献，特别是阐明光电效应的定律揭示了光与物质相互作用时体现的光的微粒性。光传播:波动性光电池，光电管1921诺贝尔物理学奖暗视觉Darkvision人：光强4*10-11w/m2(505nm)；瞳孔直径pupil(6mm)每秒需要多少光子？Solution:瞳孔面积:S=2.83*10-5m2总能量:W=1.13*10-15J/s光子能量:hv=3.94*10-19J光子数目:2870个典型灯泡:1018photons比较:猫头鹰owls,5*10-13W/m2,8.5mm,700nm，~100另外一种光与电子相互作用：（光电效应以外）1922年，康普顿观察X射线通过物质散射，波长变长效应：康普顿效应。量子物理三康普顿散射ComptonScatteringX射线管R光阑1B2B0石墨体（散射物）A晶体探测器04590135（相对强度）（波长）I1.散射X射线的波长中有两个峰值002.与散射角有关3.不同散射物质，在同一散射角下波长的改变相同。4.波长为的散射光强度随散射物质原子序数的增加而减小。00经典理论：入射波激励碳原子中的电子，使它们受迫振动。辐射出同样频率/波长的波光子理论高能光子和低能自由电子(静止)弹性碰撞的结果1、若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,光子的能量减少，频率变低波长变长2、若光子和内层电子相碰撞时，碰撞前后光子能量几乎不变，故波长有不变的成分。3、因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。光子的能量、质量和动量由于光子速度恒为c，所以光子的“静止质量”为零.2201cvmm光子的动量：cEphch光子能量:hE420222cmcpE体会h的作用eV10~1054000vxy光子电子电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理.固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子.xy电子光子电子热运动能量，可近似为静止电子.h由能量守恒:由动量守恒:2