《物理量子物理》PPT课件.ppt

量子物理 研究对象的变化引起的危机 一系列重大实验发现无法用经典物理的理论 来解释，迫使 物理学家跳出传统的经典物理的 理论框架，最终导致了量子物理的诞生！ 1 黑体辐射和普朗克的能量子假说 一. 基本概念 1. 热辐射 例如：加热铁块 第一章 波粒二象性 辐射能量按频率的分布随温度而变的 电磁辐射 温度 电磁波的短波成分 2. 光谱辐射出射度 M 单位:W/(m2Hz) 单位时间内从物体单位表面发出的频率在 附近单位频率间隔内的电磁波的能量。 开始发光暗红橙色兰白色 3.平衡热辐射 4. 实验表明辐射能力越强的物体，吸收能 力也越强 二. 黑体和黑体辐射的基本规律 1. 黑体 能完全吸收各种波长电磁波而无反射的 物体，M 最大且只与温度有关而和材料 及表面状态无关 物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量， 物体达到热平衡，称为平衡热辐射。 此时物体具有固定的温度。 2. 维恩设计的黑体 3. 维恩黑体辐射公式 4. 瑞利金斯公式 维恩公式 瑞利金斯公式 高频符合实验结果 “紫外灾难” 5. 普朗克公式 在全波段与实验 结果惊人符合！ 普朗克假定（1900年）： h= 6.626075510 -34 Js 普朗克常数 E = nh n0,1,2,3， 谐振子以能量子发 射或吸收能量 “量子”概念的提出获1918年诺贝尔物理学奖 能量量子化 (不连续) ! 6.由普朗克公式可 导出两条实验定律 v 斯特藩玻尔兹曼定律 v 维恩位移定律 = 5.6710-8 W/m2K4 M黑体全部辐射出射度 黑体辐射中，光谱辐射出射度最大 的光的频率随温度的变化 6000K 4500K 3000K 测量高温、遥感和红外 追踪等的物理基础。 红外辐射热象图 红外夜视仪拍的照片 炼钢的热辐射 室温下，反射光 1100K，自身辐射光 一个黑白花盘子的两张照片 2 2 光电效应光电效应 一. 光电效应实验 1光电效应 光电子 2实验装置 光金属发射电子： 光电流 KA GD 光 G V 3. 实验规律 4.0 6.08.0 10.0(1014Hz) 0.0 1.0 2.0 Uc(V) CsNaCa 2） Uc= K - U0 与入射光的频率有关 1） i im2 im1 I2 I1 (光强I2 I1) o U-Uc 饱和光电流强度 im 入射光强 与入射光的强度无关 3） 只有当入射光频率 v大于一定的频率v0时 ，才会产生光电效应 0 称为截止频率或红限频率 4）光电效应是瞬时发生的 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。 二.经典物理学所遇到的困难 按照光的经典电磁理论： 光波的能量分布在波面上，阴极电子积 光波的强度与频率无关，电子吸收的能 量也与频率无关，更不存在截止频率！ 累能量需要一段时间，光电效应不可能 瞬时发生！ 光量子具有“整体性” 电磁辐射由以光速c 运动的局限于空间 某一小范围的光量子（光子）组成， E = h 1.爱因斯坦光量子假设(1905) 2. 对光电效应的解释 逸出功A电子逸出金属表面克服阻力所需功 三.爱因斯坦的光量子论 当 A/h时，不发生光电效应。 红限频率 光电效应方程 四.光的波粒二象性 1. 近代认为光具有波粒二象性 在有些情况下，光突出显示出波动性； 而在另一些情况下，则突出显示出粒子性。 光电效应的瞬时性 2. 基本关系式 粒子性：能量E ，动量P，质量m 波动性：波长 ，频率 光子 描述光的性质的 基本关系式 例图中所示为在一次光电效应实验中得 出的曲线 （1）由图中数据求出普朗克恒量 。 （2）该金属光电效应的红限频率。 光电管的阴极用逸出功A=2.2 eV的金属制成， 今用一单色光照射此光电管，阴极发射出光电 子，测得截止电压为5 V，求： （1）光电管阴极金属的光电效应红限波长？ （2）入射光波长？（普朗克恒量 ） 基本电荷 3 . 3 . 康普顿散射康普顿散射 1. 康普顿研究X射线在石墨上的散射 准直系统 入射光 0 散射光 探测器 石墨 散射体 散射的X射线中有波长变大的现象 2. 康普顿的解释 X射线光子与“静止”的 “自由电子”弹性碰撞 碰撞过程中能量与动量守恒 反冲电子反冲电子 波长偏移 电子的康普顿波长 3. 康普顿散射实验的意义 过程讨论： 光子将一部分能量传给电子，变小，增加 一部分光子波长不变，称为瑞利散射 证明了光的波粒二象性 光子与粒子的作用过程严格遵守动量、能量守恒 X射线的康普顿效应明显 例:波长00.01nm的X射线与静止的自由电子碰撞。 在与入射方向成90角的方向上观察时，散射X射线的 波长多大？反冲电子的动能和动量各如何？ 1. 2. 3. 反冲电子获得的最大动能？ 光子能量为0.5MeV的X射线，入射到某种物质 上而发生康普顿散射，若反冲电子的动能为 0.1MeV，则散射光波长的改变量与入射光的 波长之比为？ P174 选择题1 光的波粒 二象性 光子 光波 能量E 动量P 频率 波长l E=h P=h/ l 4 4 粒子的波动性粒子的波动性 一. 德布罗意假设 实物粒子具有波动性光(波)具有粒子性 粒子粒子波 能量Emc2 动量P=mv 频率mc2/h 波长l=h/P=h/mv 与粒子相联系的波称为物质波或德布罗意波 德布罗意公式 l：德布罗 意波长 量子力学的基础就是波粒二象性思想 二实验验证 电子通过镍单晶的衍射实验 1.1927年，戴维逊和革末实验 d q 德布罗意波长 l1.671010 m与实验结果相符 电子通过多晶薄膜的衍射实验 电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验 2.1927年G.P汤姆逊实验 3.1961年约恩逊 多晶薄膜 电子束 1937年戴维逊革 末和G.P汤姆逊获得 诺贝尔奖 1929年德布罗意因 其博士论文获得诺 贝尔物理学奖 4. 中子、质子等微观粒子也具有波粒二象 性，德布罗意公式也适用。 例: 计算电子经过U1=100V和U2=10000V电压加 速后的德布罗意波长1和2各是多少？ 解：电子动能为 假如电子运动速度与光速可以比拟，则当电 子的动能等于它静止能量的2倍时，其德布罗 意波长为多少？ (普朗克常量h =6.6310-34 Js，电子静止质量me=9.1110-31 kg) 练习1. 求动能为1.00105ev的电子的德布罗意波长。 （me=9.11 10-31Kg） 练习2. 中子的德布罗意波长为1A，求其速度和动能。 （m中子=1.675 10-27Kg） 例1.5 m=0.01kg，v=300m/s子弹的？ h极其微小，宏观物体的波长小得实验难以测量 “宏观物体只表现出粒子性” 一. 关于粒子的波粒二象性 德布罗意波的本质是什么？ 6 6 概率波与概率幅概率波与概率幅 1.在经典物理中 粒子：“颗粒性”集中于一点（整体性）， 确定的位置、速度、运动轨迹。 波：某种实在的物理量的空间分布在作周 期性的变化(连续性，扩展于空间) 统一起来？ 2.“波是由粒子组成的” 认为波是大量粒子组成的； 波动性是大量粒子相互作用而形成的， 但这和单个粒子就具有波动性相矛盾。 一、历史上两种典型的看法 把微观粒子看作是经典粒子和经典波的混 合体。 1.“粒子是由波组成的” 把粒子看作是由很多波组成的波包， 但波包在媒质中要扩散、消失(和粒子性矛盾) 。 物质波：描述粒子在各处被发现的概率 二、概率波 1.概率波 对光辐射(电磁波)，爱因斯坦1917年 波动观点：光强E2 粒子观点：光强 某处光子数 E2 某处发现一个光子的概率 玻恩1926年提出德布罗意波是概率波 对机械波有 物质波波函数： 2.波函数 量子力学中引入波函数 定义： 时刻t，在点（x,y,z)附近单位 体积内发现粒子的概率 概率密度 概率幅波函数称为概率幅 物质波的强度也应与波函数中振幅平方成正比 粒子到达该处的概率 3. 电子双缝衍射现象 1 2 单个电子的去向是概率性的，但在一定条件下 （如双缝），又有确定的规律. 微观粒子对应的物质波不是经典波是概率波 明纹处：电子到达的数量多（对大量粒子） 粒子到达该处的概率大 物质波的本质：描述粒子在空间出现的概率 70000个 来源于“一个 电子”所具有 的波动性，而 不是电子间相 互作用的结果 。 若使一个电子 反复多次通过 缝，会出现相 同的衍射图样 。 子弹对双缝乱射，观察屏上枪眼的强度分布。 两缝都打开时的强度分布是两缝分别打 开时强度的直接相加 n12 = n1 + n2 无干涉现象。 机枪的双缝实验 1 2 电子双缝衍射现象 微观粒子 不是经典 粒子！ 4.概率幅叠加 1 缝单独开： 2 缝单独开： 应为概率幅叠加 交叉项即为干涉项 1、2 都开： 物质波的干涉，是由于概率幅的线性叠加产生的。 微观粒子的物质波是一种几率波，这种几率好像一只 无形的手控制着电子出现在空间某一位置的几率。 5. 波函数统计诠释涉及对世界本质的认 识争论至今未息 哥本哈根学派： 爱因斯坦狄拉克 概率波的哲学意义： 在已知给定条件下，不可能精确 地预知结果，只能预言某些可能结果的概率。 即没有严格的因果关系！ 波恩、海森堡 粒子波的概率性就是自然界的最终本质 德布罗意 “上帝是不会跟宇宙玩掷骰子游戏的” 最终的解释应该是某些变量的完全确定的数值演变 的结果 7 不确定性关系 经典力学中：位置、动量可以同时精确确定 量子概念下：由于概率性，粒子不再具有确定的位置 x Z q a 位置的不确定 xa 动量的不确定 px psinq 由 = h/ p 得x pxh 从而也就不具有确定的动量 电子单缝衍射中的位置与动量： 缝宽a越小，中央明纹分布越宽 x sin x 越小， px越大 x越大， px越小 2.位置和动量的不确定关系： 1927年海 森堡提出 不确定关 系,1932 年获诺贝 尔奖 如果测量一个粒子的位置的不确 定范围是x ，则同时测量其动 量也有一个不确定范围px，且满 足: 不确定性关系是物 体固有的性质，自 然界的根本属性 3.能量和时间的不确定关系： 基态能级最稳定，时间长，测得的 E准，相应能级窄；激发态时间短 ，易跃迁，能级宽。 不能同时 准确测量 粒子的位 置和动量 例1.8 原子线度为1010 m，求原子中电子速度 的不确定量。 例1.7 设子弹的质量为0.01kg，枪口的直径为 0.5cm，试用不确定性关系计算子弹射出枪口 时的横向速度。 练习：同时测量动能为1Kev做一维运动的电子的位置 与动量时，若位置的不确定值在0.1nm内，则动量的不 确定值的百分比 p/p至少为何值？ （me=9.1110-31Kg 1ev=1.6 10-19J h=6.63 10-34Js） 典例3：光子的波长为3000如果确定 此波长的精确度为/=10-5，试求此 光子位置的不确定量。 典例3：已知电子的德布罗意波长与光子的波长相同。 （1）它们的动量大小是否相同？ （2）它们的总能量是否相同？