19量子物理基础

回上页下一页回首页回上页下一页回首页11第五篇量子论引言第十五章量子物理基础第十七章新技术的物理基础回上页下一页回首页回上页下一页回首页22十九世纪末，物理学经过三次大的综合后，经典物理已相当成熟，对物理现象本质的认识似乎已经完成。1900年元旦，Kelvin勋爵在新年献词中十分满意地宣布：“在已基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了…”。但在喜悦的气氛中，一系列实验发现无法用经典物理学解释在物理学晴空万里的天际出现了两朵乌云：引言第一朵乌云：迈克尔逊的否定性实验，涉及以太和有质量物体之间的相对运动；这里引出的是第三章讲到的相对论。第二朵乌云：黑体辐射，涉及关于分子体系的能量按自由度均分的Maxwell—Boltzmann定律的失败。这迫使人们跳出传统的物理学框架，去寻找新的解决途径，从而导致了量子理论的诞生。历史上，量子论首先是在黑体辐射问题上突破的。回上页下一页回首页回上页下一页回首页33第十五章量子物理基础普朗克玻尔海森堡薛定谔回上页下一页回首页回上页下一页回首页44第十五章量子物理基础§15-1黑体辐射、普朗克量子假说§15-2光的量子性§15-4粒子的波动性§15-5测不准关系§15-6波函数薛定谔方程§15-8量子力学对氢原子的处理§15-7薛定谔方程在几个一维问题中的应用§15-11原子的壳层结构§15-3玻尔的氢原子理论§15-10电子自旋§15-9斯特恩－盖拉赫实验回上页下一页回首页回上页下一页回首页551、辐射：辐射可分为几种不同的形式。化学发光、光致发光、场致发光、阴极发光、热辐射§15-1黑体辐射、普朗克量子假说2、热辐射：3、热辐射的一般特点：(1）物质在任何温度下都有热辐射。(2）温度越高，发射的能量越大，发射的电磁波的波长越短。一、热辐射4、平衡热辐射：以下只讨论平衡热辐射。在任一时刻,如果物体辐射的能量等于所吸收的能量，辐射过程达到热平衡，称为平衡热辐射。此时物体具有固定的温度。组成物质的诸微观粒子在热运动时都要使物体辐射电磁波，产生辐射场。这种与温度有关的辐射现象，称为热辐射是物质以发射电磁波的形式向外界输出能量。回上页下一页回首页回上页下一页回首页66二、单色辐射本领为了定量地描述不同物体在不同温度下物体进行热辐射的能力，而引入单色辐射本领。ddMTM)(即1、单色辐射本领M（T）单位时间内从物体单位表面发出的波长在附近单位波长间隔内的电磁波的能量M（T）。称单色辐射本领(单色辐出度)•单色辐本领反映了在不同温度下辐射能按波长分布的情况。•单色辐射本领M（T）是温度T和波长的函数。•实验表明：不同的物体，不同的表面（如光滑程度）其单色发射本领是大不相同的。（例如：如果我们目的是散热，则应：加大表面积，使表面粗糙，使其颜色加深）回上页下一页回首页回上页下一页回首页772、吸收比反射比基尔霍夫定律（1）吸收比反射比吸收比：物体吸收的能量和入射总能量的比值，（，T）反射比：物体反射的能量和入射总能量的比值，（，T）（2）基尔霍夫定律基尔霍夫在1860年从理论上推得物体单色辐射本领与单色吸收比之间的关系:恒量)()(TTM所有物体的单色辐射本领M（T）与该物体的单色吸收比的比值为一恒量。回上页下一页回首页回上页下一页回首页88①这个恒量与物体的性质无关，而只与物体的温度和辐射能的波长有关。②说明物体的单色吸收比大的物体，其单色辐出度也大。（例如黑色物体，吸热能力强，其辐出本领也大）③若物体不能发射某一波长的辐射能，那么该物体也就不能吸收这一波长的辐射能。＊关于物体颜色的说明：――均指可见光范围。例如，红色――表示除红光外，其余都吸收（余类推）白色――表示对所有波长的光都不吸收。黑色――表示对所有波长的光都吸收晚上在灯光下看物体的颜色和白天看的结果不一样。回上页下一页回首页回上页下一页回首页99三、绝对黑体1、绝对黑体模型由于物体辐射的光和吸收的光相同。因此黑体能辐射各种波长的光。它的M（T）最大且只和温度有关。用不透明材料制成的开一个小孔的空腔。小孔面积远小于空腔内表面积，射入的电磁波能量几乎全部被吸收。小孔能完全吸收各种波长的入射电磁波而成为黑体模型。有一类物体不论它们组成成分如何，它们在常温下，几乎对所有波长的辐射能都能吸收。黑体:能完全吸收照射到它上面的各种波长的光的物体.例如优质烟煤和黑色珐琅对太阳光的吸收能力可达99％。回上页下一页回首页回上页下一页回首页1010（1）任何物体的单色辐射本领和单色吸收比等于一个恒量，而这个恒量就是同温度下绝对黑体的单色辐射本领。（2）若知道了绝对黑体的单色辐射本领，就可了解所有物体的辐射规律，因此，研究绝对黑体的辐射规律就对研究热辐射极为重要。式中MB(T）叫做绝对黑体的单色辐射本领。（Ｔ）＝ＭＴ）（（Ｔ）Ｍ＝ＢＢBTTMTTM)()()()(2211由基尔霍夫定律2、绝对黑体就是吸收系数等于(,T)＝1的物体。可知，这类物体在温度相同时，发射的辐射能按波长分布的规律就完全相同。回上页下一页回首页回上页下一页回首页11113、绝对黑体单色辐射本领按波长分布曲线M（T）只和温度有关保持一定温度，用实验方法可测出单色辐射本领随波长的变化曲线。取不同的温度得到不同的实验曲线，如图。(Å)MB（T）20003000回上页下一页回首页回上页下一页回首页1212对待这个实验曲线，许多物理学家从不同的侧面进行了研究，并得出许多重要结论。下面是有代表意义的两条：斯忒藩――玻尔兹曼定律(Å)MB（T）20003000维恩位移定律由图可看出对应于每一条单色辐射本领按波长分布的曲线都有一个极大值。与这极大值对应的波长，叫做峰值波长m。该定律主要是计算分布曲线下的面积。4TTMBbTm回上页下一页回首页回上页下一页回首页1313四、经典物理学所遇到的困难1、维恩公式上述结果并没有给出单色辐射本领的具体函数式，十九世纪未，有许多物理学家，用经典理论导出的M（T）公式都与实验结果不符合，其中最典型的是维恩公式和瑞利—金斯公式。维恩假设：黑体的辐射可看成是由许多具有带电的简谐振子（分子，原子的振动）所发射，辐射能按频率（波长）分布的规律类似于麦克斯韦的分子速度分布律。于1896年得出绝对黑体的单色辐出度与波长,温度关系的一个半经验公式TCBeCTM251)(按照这个函数绘制出的曲线,其在高频(即短波)部份与实验曲线能很好地相符,但在低频(长波)部份与实验曲线相差较远。decdET/c231回上页下一页回首页回上页下一页回首页14142，瑞利－金斯公式他们把分子物理中的能量按自由均分的原理运用到电磁辐射上，并认为在黑体空腔中辐射的电磁波是谐振子所发射的驻波，这样得到的公式为E瑞-金线维恩线实验结果回上页下一页回首页回上页下一页回首页1515在低频段，瑞--金线与实验曲线符合的很好；在高频段，瑞--金线与实验曲线有明显的偏离。kTcTMB42)(dkTcdE238E瑞-金线维恩线实验结果回上页下一页回首页回上页下一页回首页1616五、普朗克的能量子假说和黑体辐射公式普朗克既注意到维恩公式在长波(即低频）方面的不足，又注意到了瑞利－金斯在短波（即高频）方面的不足，为了找到一个符合黑体辐射的表达式，普朗克作了如下两条假设，1.普朗克假定（1900年）(1)黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波，并和周围的电磁场交换能量。(2)这些谐振子的能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些分立值是最小能量ε的整数倍，ε,2ε，3ε，…，nε，…n为正整数，称为能量子，h称为普朗克常数h=6.6260755×10-34J·s。而且假设频率为的谐振子的最小能量为ε=hν回上页下一页回首页回上页下一页回首页17172.普朗克公式能量不连续的概念是经典物理学完全不容许的！112)(52kThcBehcTMdecdET/c1231当，趋于维恩公式；当0，趋于瑞利—金斯公式。但从这个假定出发，Plank导出了与实验曲线极为符合的普朗克公式：回上页下一页回首页回上页下一页回首页18183、普朗克假设的意义当时普朗克提出的能量子的假设并没有很深刻的道理，仅仅是为了从理论上推导出一个和实验相符的公式。这件事本身对物理学的意义是极其深远的。能量子假设是对经典物理的巨大突破，它直接导致了量子力学的诞生。能量子概念在提出5年后没人理会，首先是爱因斯坦认识到其深远的意义，并成功地解释了“固体比热”和“光电效应”。普朗克本入一开始也没能认识到这一点。13年后才接收了他自己提出的这个概念（1918年，获诺贝尔奖）。回上页下一页回首页回上页下一页回首页1919一、光电效应金属及其化合物在光波的照射下发射电子的现象称为光电效应，所发射的电子称为光电子1、实验装置§15-2光的量子性（1）饱和光电流强度Im与入射光强成正比（不变）。单位时间内从金属表面逸出的光电子数和光强成正比。neIGVGDKA光2、光电效应的实验规律当光电流达到饱和时，阴极K上逸出的光电子全部飞到了阳极A上。即Im＝neeu回上页下一页回首页回上页下一页回首页2020截止电压(遏止电势差）ameUmv221光电子的最大初动能与入射光强无关。im2im1I2I1-UaU这表明：从阴极逸出的光电子必有初动能(指光电子刚逸出金属表面时具有的动能)。则对于最大初动能有。当电压U=0时，光电流并不为零；只有当两极间加了反向电压U=－Ua0时，光电流才为零。此电压称为截止电压(遏止电势差)。（2）光电子的最大初动能随入射光的频率的增大而增大(可利用此公式，用测量遏止电势差的方法来测量光电子的最大初动能)回上页下一页回首页回上页下一页回首页21210UKUa0221eUekeUmvam从金属表面逸出的最大初动能,随入射光的频率v呈线性增加。k：与金属材料无关的普适常数,U0：对同一金属是一个常量，不同金属不同ameUmv221把代入上式可得Ov0vUCsNa截止电压Ua与入射光频率呈线性关系实验表明，截止电压与光的强度无关，但与光频率成线性关系，回上页下一页回首页回上页下一页回首页2222（4）光电效应是瞬时发生的实验表明，只要入射光频率0，无论光多微弱，从光照射阴极到光电子逸出，驰豫时间不超过10-9s，无滞后现象。(3)只有当入射光频率大于一定的红限频率0时，才会产生光电效应。KU00当入射光频率降低到0时，光电子的最大初动能为零。若入射光频率再降低，则无论光强多大都没有光电子产生，不发生光电效应。0称为这种金属的红限频率(截止频率)。回上页下一页回首页回上页下一页回首页2323回顾（1）饱和光电流强度Im与入射光强成正比（不变）。一、光电效应的实验规律ameUmv221（2）光电子的最大初动能随入射光的频率的增大而增大最大初动能与截止电压的关系(3)只有当入射光频率大于一定的红限频率0时，才会产生光电效应。（4）光电效应是瞬时发生的0221eUekeUmvam回上页下一页回首页回上页下一页回首页2424二、经典物理学所遇到的困难自由态逸出功束缚态按照经典的物理理论，金属中的自由电子是处在晶格上正电荷所产生的“势阱”之中。这就好象在井底中的动物，如果没有足够的能量是跳不上去的。1、逸出功，初动能与光强，频率的关系+rU单原子势场双原子势场多原子势场E1E2回上页下一页回首页回上页下一页回首页2525按照经典的波动理论，光波的能量应与光振幅平方成正比亦即应与光强有关。因此，按经典理论，光电子的初动能应随入射光的光强的增加而增加。但实验表明，光电子的初动能与光强无关，而只与入射光的频率呈线性增加，且存在光电效应的频率红限。。当光波的电场作用于电子，电子将从光波中吸取能量，克服逸出功，从低能的束缚态，跳过势垒而达到高能的自由态，并具有一定的初动能。2、光波的能