量子力学的历史发展.ppt

第一章量子力学的历史发展,黑体辐射光电效应康普顿散射氢原子光谱玻尔的氢原子模型,量子力学的重大事件(1),1898Mme.CurieRadioactivepoloniumandradium1901PlanckBlackbodyradiation1905EinsteinPhotoeletriceffect1911RutherfordModeloftheatom1913BohrQuantumtheoryofspectraComptonScatteringphotosoffelectrons1924PauliExclusionprinciples1925deBroglieWavehypnosis,量子力学的重大事件(2),1926SchroedingerWaveequation1927HeisenbergUncertaintyprinciple1927DavissonandGermerExperimentonwavepropertiesofelectrons1927BohrInterpretationofthewavefunction1928DiracRelativisticwaveequation;predicationofexistenceofthepositron,经典理论的成就和困难,十九世纪末与二十世纪初，经典物理学理论（牛顿力学，热力学及统计物理，电动力学）取得极大成就。但在相对论领域和微观领域,经典理论遇到严重困难。例如微观领域中黑体辐射光电效应康普顿散射氢原子光谱,黑体辐射,任何温度的物体都会发出一定的热辐射，即各种频率的电磁波。,黑体：在任何温度下都能把照射在其上任何频率的辐射完全吸收。,黑体是理想化的物体，实际中我们用任何物体做的空腔，在它很小的开口处就是一个相当理想的黑体。,在温度T下，从物体单位面积发出的，频率在+d之间的辐射通量u(,T)d。,辐射谱密度和辐射本领,辐射谱密度u(,T)：辐射本领E(T):,辐射本领和辐射谱密度之间的关系,在温度T下，从物体表面单位面积发出的辐射通量。,T1T2T3,黑体辐射谱,Boltzmann-Stefanlaw,维恩公式和瑞利金斯公式,普朗克公式,普朗克能量量子假说,电磁辐射的能量交换只能是离散的，其取值只能是的整数倍。其中h为普朗克常数。,称为能量子。,Discrete,Plancksconstant,Quantum(Pl.Quanta),普朗克常数,用普朗克公式拟合黑体辐射谱密度的实验数据，得到普朗克常数也可以由光电实验测出。,光电效应的历史(1),H.R.Hertz,1886，在用莱顿瓶放电的实验中，当紫外线照在火花隙的负极上，放电比较容易发生。W.Hallwach,1888，清洁而绝缘的锌板在紫外线照射下获得正电荷，而带负电的板在光照射下失掉其负电荷。J.J.Thomson,1899，阴极射线由电子组成,光电效应的历史(2),PhillippLenard,1902，金属在紫外线照射下发射电子AlbertEinstein,1905，光量子假说RobertAndrewsMillikan,1916，验证爱因斯坦的光电效应量子公式，并精确测定了普朗克常量。,外光电效应,真空管光照射某种物质，致使部分电子逃逸物质表面。这些电子被称为光电子。光电倍增管(Photomultiplier),内光电效应,半导体光激载流子保留在材料内部。光电导本征光电导体吸收一个光子，就会从价带激发到导带，产生一个自由电子，同时在在价带产生一个空穴。对材料施加电场，使电子和空穴都通过材料运输，从而产生电流光电导探测器，光伏探测器，太阳能电池，CCD,摄像机,光电效应实验,经典麦克斯韦尔理论的推论,相比与蓝光，红光具有更长的周期，因而红光与电子的相互作用时间更长，这使得红光比蓝光更容易使电子逸出。若入射单色光的光强增强，则会有更多的电子逸出，且这些电子的能量也相应增大。由于弱光的能量相当小，因此在弱光的条件下，电子需要更多的时间才能逸出。入射波的能量将由上百万个电子分享。,遏止电压,将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值U0时，光电流恰为0。U0叫做遏止电压.,饱和电流和遏止电压,入射光频率固定，不同光强下，光电流i与电压V的关系,i,截止频率,当入射光频率0时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率0时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。,遏止电压和截止频率,对特定金属表面，遏止电势U0(遏止电压V0)和频率的关系,驰豫时间,光强I和频率固定，光电流i与产生光电子的时间t的关系,驰豫时间0时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应遏止电压-初动能及反向遏止电压与成正比效应瞬时性-电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关,康普顿散射实验,X射线被轻原子量的物质散射,康普顿散射实验结果(1),X射线被轻原子量的物质散射后，波长变长。,康普顿散射实验结果(2),若以不同元素作为散射物质，则波长变化量与散射物质无关。,康普顿散射模型,X射线的光子与电子的碰撞,康普顿散射公式,碰撞过程中，动量与能量守恒,光子性质,波长，频率，角频率，波矢量,光子能量,光子动量,氢原子光谱-棱镜光谱仪,Source,Slit,Prism,Screen,氢原子光谱,里德伯公式,n=1,=2,3,4,紫外区，赖曼系,n=2,=3,4,5,可见区，巴耳末系,n=3,=4,5,6,红外区，帕邢系,卢瑟福的原子模型,卢瑟福的有核模型,原子中的正电荷集中在占原子大小万分之一的小范围内.,玻尔的氢原子模型,原子的稳定状态，即定态只可能是某些具有一定的分离值能量(E1,E2,E3,)的状态。原子处于定态时是不辐射的。由于某种原因，电子可以从一个能级En跃迁到另外一个较低(高)的能级Em。此时，将发射(吸收)一个光子，光子的能量为,量子化条件和玻尔能