第10章量子力学基础

1第十章量子力学基础思考题10-1什么是绝对黑体？它与平常所说的黑色物体有何区别？答：(1)在任何温度下都能全部吸收照射到它表面上的各种波长的光，这种物体称为绝对黑体，简称黑体。但黑体自身要向外界辐射能量，黑体并不一定是黑色，它的颜色是由它自身所发射的辐射频率决定的。若温度较低，则它辐射的能量就很少，辐射的峰值波长会远大于可见光波长，会呈现黑色；若温度较高，则它辐射的能量就很大，辐射的峰值波长处于可见光波长范围内，会呈现各种颜色。(2)平常所说的黑色的物体，用肉眼看起来是黑色的，只表明它对可见光强烈吸收，并不能说它对不可见光（红外线、紫外线）都强烈吸收，所以黑色物体的单色吸收本领并不恒等于1，一般不能称为黑体。10-2若一个物体的温度(绝对温度数值)增加一倍，它的总辐射能增加到多少倍?答：根据斯特藩－玻耳兹曼定律，绝对黑体的总辐出度(总辐射能)为40dTTMTMBB现在，212TT，于是162441212TTMM即绝对黑体的温度增加一倍，它的总辐射能将增至为原来的16倍。10-3假设人体的热辐射是黑体辐射，请用维恩位移定律估算人体的电磁辐射中单色辐出度的最大波长（设人体的温度为310K）。答：根据维恩位移定律mTb可得(m)1035.931010898.263Tbm10-4所有物体都能发射电磁辐射，为什么用肉眼看不见黑暗中的物体？答：物体要能够被眼睛观察到，必须需要两个条件：（1）物体要发射或者反射出眼睛能感觉到的可见光，其波长范围大约为0.40～0.78μm；（2）可见光的能量要达到一定的阈值。根据黑体辐射，任何物体在一定温度下都发射出各种波长的电磁辐射，在不同温度下单色辐出度的峰值波长不同。黑暗中周围物体的温度等于环境温度（近似为人体温度），单色辐出度的峰值波长在10μm附近，在可见光波长范围的电磁辐射能量都比较低，因此不能引起眼睛的视觉响应。210-5请用一些日常生活中所见到的例子说明在物体热辐射的各种波长中单色辐出度最大的波长随物体温度的升高而减小。答：火焰外焰温度高，内焰相对温度低；观察火焰，发现内焰颜色偏红，外焰颜色偏蓝（红光波长大于蓝光波长），可见单色辐出度的峰值波长随物体温度的升高而减小。10-6普朗克提出了能量量子化的概念，在经典物理学范围内有没有量子化的物理量？请举出例子。答：在经典物理学范围内有量子化的物理量，比如说电荷的量子化。10-7什么是爱因斯坦的光量子假说，光子的能量和动量与什么因素有关？答：爱因斯坦认为，一束光是一束以光速运动的粒子流。这些粒子称为光量子，后来简称光子。不同颜色的光的光子能量不同，若光的频率为，一个光子具有的能量为Eh，光子的动量为ph/，可见光子的能量和动量都与它的频率或者波长有关。10-8光子与其他微观粒子有什么相似和不同？答：(1)相同点：光子与其他微观粒子（电子、质子、中子等）都具有波粒二象性，都可以用E、p、和等物理量描述；他们都遵守能量守恒与动量守恒定律。（2）不同点：光子的静止质量为0且呈电中性，而其他微观粒子（如电子）静止质量不为0且有可能带电；光子与其他微观粒子的自旋也不同，服从不同的统计规律。10-9“光的强度越大，光子的能量就越大”。这句话对吗？答：不对,光的强度是单位时间内照射在单位面积上的光的总能量。一定频率的光强度越大，表明光子数量越多，但每个光子的能量是一定的，只与频率有关，而与光子数量无关。10-10已知一些材料的逸出功如下：钽4.12eV，钨4.50eV，铝4.20eV，钡2.50eV，锂2.30eV。试问：如果制造在可见光下工作的光电管，应取哪种材料?答：可见光的波长范围(按能量从低到高排列)可取为(760～400)nm，对应的光子能量由chh可知在(1.64～3.11)eV范围内。根据爱因斯坦光电效应方程，在可见光下能发生光电效应的材料应满足：Ah≥0。所以，应取钡和锂。10-11日常生活中，为什么觉察不到粒子的波动性和电磁辐射的粒子性？答：根据德布罗意假设，粒子的动量大，相应的波长就小。日常生活中的粒子动量很大，波长很短，故粒子的波动性不明显。日常生活中的电磁辐射的波长相对较长（频率为M100数量级，波长为m1左右），容易绕过障碍物，所以电磁辐射的粒子性很难觉察到。10-12一个电子和一个原子具有相同的动能，相应的德布罗意波长哪个大？答：电子和原子的动能均为3mpmEk22122又因为hp所以222mhEk由于原子的质量大于电子的质量，根据上式可知原子的德布罗意波长小于电子的德布罗意波长。10-13说明物质波与机械波和电磁波的区别。答：物质波与机械波和电磁波都有本质的区别。（1）机械波是机械振动在弹性介质中的传播形成的；电磁波表示电场强度E和磁场强度H的周期性变化在空间的传播过程；而物质波（又称德布罗意波）是对实物粒子的统计描述，其振幅的平方只表示粒子出现的概率，是概率波。（2）机械波)π2(cosxtAy和电磁波)π2(cos0xtEE，当其对应的振幅A和0E分别增大为A2和02E时，相应的波的能量和强度都增大为原来的4倍；而物质波的波函数乘以任意一个常数后，并不改变粒子的运动状态。所以，对于波函数而言，有意义的是相对概率分布，从相对概率分布角度来说，)(x与)(xc是等价的。10-14在经典力学中用粒子的位置和速度来描述粒子的运动状态。在量子力学中，粒子的运动状态是如何描述的？答：量子力学指出，微观粒子的运动状态用波函数来描述。一般来说，波函数是空间和时间的函数，即),,,(tzyx。在量子力学中，用薛定谔方程来描述势场中的粒子状态（波函数）随时间变化的规律。10-15在一维无限深势阱中，如果减小势阱的宽度，其能级将如何变化？如果增大势阱的宽度，其能级又将如何变化？答：一维无限深的方势阱中粒子可能的能量为2228nhEnma式中a为势阱宽度。由此可见，能级的能量nE与2a成反比关系，如果减小势阱的宽度，每个能级的能量将增大，能级间隔增大；如果增大势阱的宽度，每个能级的能量将减小，能级间隔减小。4练习题10-1宇宙大爆炸遗留在宇宙空间的均匀背景热辐射相当于3K辐射，求：(1)此辐射的单色辐射本领在什么波长下有极大值?(2)地球表面接收此辐射的功率有多大?(设地球半径为6106m)解：(1)由维恩位移定律得(m)10669310898243m..Tb(2)根据斯特藩－玻耳兹曼定律4TTMB设地球表面接收此辐射的功率为P，地球的表面积为S，则有244EBRTSTMP代入数据，解得92648100821061434310675...P（W）10-2白炽灯工作时的温度为2400K，灯丝可看作黑体，如果灯的功率为100W，则灯丝的表面积多大?解：根据斯特藩一玻耳兹曼定律4TTMB则灯的功率为STMPB其中，S为灯丝的表面积。于是54841035240010675100..TPTMPSB（m2）10-3太阳辐射到地球大气层外表面单位面积的辐射通量0I称为太阳常量，实验测5得20mkW3.1I。把太阳近似当作黑体，试由太阳常量估算太阳的表面温度(已知太阳半径为m10078.，日地距离为m105111.)。解：根据能量守恒，有1102MSIS其中，21,SS分别为太阳表面积、以地球和太阳距离为半径的球面积。220211π4π4rIrM(1)其中,21,rr分别为太阳半径、地球和太阳距离：m100.781r，m105.1112r。又根据斯特藩－玻尔兹曼定律4MT(2)其中，810670.542KmW由式（1）和式（2）可得4/121220rrIT代入数据可得太阳的表面温度为)K(107.5)100.7(10670.5)105.1(103.134/128821134/121220rrIT10-4单位时间内太阳发射到地球上每单位面积的辐射能量为0.14J·cm-2·s-1，假定太阳辐射的平均波长为550nm，问这相当于每秒钟向地球表面每平方厘米上发射多少个光子?解：一个光子的能量为chh能量为E＝0.14J的能量辐射包含的光子数为17834910873100031063610550140....hcEEn个10-5在理想条件下，如果正常人的眼睛接收550nm的可见光，此时只要每秒有100个光子数就会产生光的感觉。试问与此相当的光功率是多少？解：每个光子能量为h，其中h为普朗克常量（3410626.6hSJ），则100个波长为550nm的光子的光功率为6(W)1061.311055010310626.6100179834tnhctnhtEP10-6（1）广播天线以频率1MHz、功率1kW发射无线电波，试求它每秒发射的光子数；（2）利用太阳常量20mkW3.1I，计算每秒人眼接收到的来自太阳的光子数。假设人的瞳孔面积约为26m103，光波波长约为550nm。解：（1）每个光子能量为h，由tnhtEP（其中P、nhE分别为辐射功率和辐射能量）可得广播天线每秒发射的光子数为306343105111011062661101..hPtn（2）每秒人眼接收到的来自太阳的光子数为16834963001008.110310626.610550103103.1hcSIhSIn10-7从钠中脱出一个电子至少需要2.30eV的能量，若用波长为430nm的光投射到钠的表面上，试求：(1)钠的截止频率0ν及其相应的波长0λ；(2)出射光电子的最大动能maxkE和最小动能minkE；(3)截止电压0U。解：（1）由光电效应方程Amh221令电子的初动能0212m，得钠的截止频率(Hz)1055.510626.61060.130.21434190hA钠相应的波长为(m)1041.51055.5103714800c（2）当光子能量νh完全被光电子吸收，并在逸出过程中未因碰撞而损失能量时，该电子克服逸出功而逸出金属后将具有最大动能，即(J)1043.91060.130.21043010310626.620199834maxAhEk如果在光电子逸出金属的过程中部分能量因碰撞而损失后，使光电子刚好能克服逸出功而逸出金属，这些光电子将具有最小动能，即70minkE（3）光电效应的截止电压为截止电压(V)589.01060.11043.91920max0eEUk10-8一束带电量与电子电量相同的粒子经206V电压加速后，测得其德布罗意波长为0.002nm，试求粒子的质量（已知电子电量为1910601.C）。解：经过电压U加速后,带电粒子的动能为eUm221(1)其中e为电子电量。又根据德布罗意公式hmp(2)由式（1）和式（2）可得电子质量为222λeUhm（3）将已知数据代入式（3），得(kg)1067.1)10002.0(2061060.12)10626.6(227291923422eUhm10-9热中子平均动能为（3/2）kT，试问当温度为300K时，一个热中子的动能为多大？相应的德布罗意波长是多少?(已知热中子的质量为2710671.kg)解：（1）微观粒子的平均平动动能为32kT，其中k为玻耳兹曼常数，则2321331.38103006.2110(J)22kT（2）根据mp和221m由上两式可得mp2代入hp，可得德布罗意波长为8(m)10461106711021621