量子力学第1章量子力学的诞生.ppt

量子力学导论,周先荣厦门大学物理系,2010.9-2011.1,教材：量子力学导论(第二版)，曾谨言著,参考书：1.量子力学，苏汝铿著2.量子力学教程，周世勋著3.QuantumMechanics，L.I.Schiff,中译本4.量子力学习题与解剖，曾谨言，钱伯初著,1.期中考试40%2.期末考试50%3.平时成绩10%4.答疑每周一次,课程安排,:80/htmlnews/2008/9/210866.html,Thesizeofthings,9,第一章量子力学的诞生,1.1黑体辐射与Planck的量子论1.2光电效应与Einstein的光量子论1.3原子结构与Bohr的量子论1.4Heisenberg矩阵力学的提出1.5deBroglie的物质波与Schrodinger波动力学的提出,10,黑体：能吸收射到其上的全部辐射的物体，这种物体就称为绝对黑体，简称黑体。,黑体辐射：由这样的空腔小孔发出的辐射就称为黑体辐射。,1.1黑体辐射与Planck的量子论,辐射热平衡状态:处于某一温度T下的腔壁，单位面积所发射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等时，辐射达到热平衡状态。,实验发现：热平衡时，空腔辐射的能量密度，对辐射的波长的分布曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温度T有关而与黑体的形状和材料无关。,11,表示在频率范围中黑体辐射的能量密度。,黑体辐射理论描述：,2.Rayleigh-Jeans公式,3.Planck公式,低频与实验有明显偏离,高频发散，即“紫外灾难”。,全波段与观测极为符合。,1.Wein公式,12,Planck的量子论：物体吸收或发射电磁辐射，只能以“量子”(Quantum)的方式进行，每个“量子”的能量为。,对Planck辐射定律的讨论：,(1)当很大（短波）时，因为exp(h/kT)-1exp(h/kT)，于是Planck定律化为Wien公式。,(2)当很小（长波）时，因为exp(h/kT)-11+(h/kT)-1=(h/kT)，则Planck定律变为Rayleigh-Jeans公式。,(3)Planck假定原子的性能和谐振子一样，以给定的频率v振荡；黑体只能以h为单位吸收或发射辐射能量，h称为Planck常数,则可以从理论上导出Plank公式。,13,1.2光电效应与Einstein的光量子,光电效应：光照射到金属上，有电子从金属上逸出的现象。这种电子称之为光电子。,实验发现光电效应有两个特征：1.临界频率v0:只有当光的频率大于某一定值v0时，才有光电子发射出来。2.电子的能量只是与光的频率有关，与光强无关，光强只决定电子数目的多少。按照光的电磁理论，光的能量只决定于光的强度而与频率无关。,14,实验发现光电效应有两个特征：1.临界频率v0:只有当光的频率大于某一定值v0时，才有光电子发射出来。2.电子的能量只是与光的频率有关，与光强无关，光强只决定电子数目的多少。按照光的电磁理论，光的能量只决定于光的强度而与频率无关。,15,光量子(光子)的能量E与辐射的频率的关系是：,再由相对论中光动量和能量关系：得到光子的动量与辐射的波长有下列关系：E，P的量子化通过h这个不为零的常量表示出来的。在宏观现象中趋于0，E，P是连续的。凡是h在其中起重要作用的现象都可称为量子现象。,Einstein的光量子观点,16,Planck-Einstein关系,两者通过,相互关联。,17,用光量子解释光电效应：,18,19,20,1.3原子结构与Bohr的量子论,21,Rutherford模型存在的两大难题,原子的大小问题。即：在经典物理的框架中来考虑卢瑟福模型，找不到一个合理的特征长度。,原子的稳定性问题。即：电子围绕原子核旋转的运动是加速运动，按经典电动力学，电子将不断辐射能量而减速，轨道半径不断缩小，最后将掉到原子核上去。,22,Bohr的量子论,23,Bohr的量子论,定态的轨道如何确定？,原子中的电子具有确定的分立轨道.“确定”:经典；”分立”:量子。,24,Bohr的角动量量子化条件,25,Bohr量子论的优缺点,1.解决了Ruthford模型的两个困难。2.可计算Rydberg常数，与实验完全符合。3.解释H及一价碱金属的光谱的频率。4.E-1/n2,优点：,缺点：,1.不能证明较复杂的原子光谱；2.不能给出光谱的谱线强度（相对强度）；3.Bohr只能处理周期运动,不能处理非束缚态问题，如散射问题；4.从理论上讲，能量量子化概念与经典力学不相容。多少带有人为的性质，其物理本质还不清楚。,26,1.4Heisenberg矩阵力学的提出,量子力学的三种等价描述：,2.Schrodinger的波动力学实物粒子具有波动性（DeBroglie波），其波函数满足二阶偏微分方程（Schrodinger方程）,1.Heisenberg的矩阵力学赋予每个物理量以一个矩阵，两个量的乘积不满足交换律。,3.Feynman的路径积分构造量子力学的传播子，传播子直接与经典力学中的作用量相联系。,27,1、deBroglie假设,L.V.deBroglie（法，1892-1986）,从自然界的对称性出发，认为:,1.5deBroglie的物质波与Schrodinger波动力学的提出,28,一个能量为E，动量为P的实物粒子同时具有波动性，波长和频率分别是,爱因斯坦-德布罗意关系（相互独立）,29,若V=100伏则得=1.225,(),德布罗意指出:用电子在晶体上的衍射实验可以证明物质波的存在,非相对论电子的波长,设电子动能由V伏电压加速产生,X射线波段,30,2、实验验证,电子通过金薄膜的衍射实验,戴维逊(Davisson)革末(Germer)实验(1927),电子在镍单晶上的衍射实验,汤姆逊（G.P.Thomson）实验（1927）,31,电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验,约恩逊(Jonsson)实验（1961）,质子、中子、原子、分子也有波动性,基本数据,32,33,德布罗意获1929年诺贝尔物理奖,戴维逊、汤姆逊共同获1937年诺贝尔物理奖,34,按麦氏分布，最大能量（最可几）概率正比于,对非相对论情况,能量写为,最大能量对应的波长,如何理解宏观粒子也具有波动性？,宏观粒子也具有波动性，,m大时，0,波粒二象性是普遍的结论,35,例：m=0.01kgv=300m/s的子弹,h是太小了，使得宏观物体的波长小得难以测量，故宏观物体只表现出粒子性,或说h0时，,量子物理过渡到经典物理,36,自由粒子波函数,经典：,量子：,37,3、波粒二象性的意义（1）把物质粒子与光子这两者物质存在形式的理论统一起来（2）把原子定态和驻波联系起来，即能量量子化与驻波频率、波长的分立性联系起来。比如，电子绕原子核一周，按照驻波条件，要求周长是波长的整数倍.,38,例如：氢原子中作稳定圆周运动的电子相应的驻波示意图,要求圆周长是波长的整数倍,角动量：,由deBroglie关系,驻波条件,即得到Bohr的角动量量子化条件。,39,例题,粒子能量的表达式为,为利用量子化条件，需要寻找（广义）坐标和（广义）动量。在上式中是显然的。,但如何求积分？分析能量表达式,可知是个椭圆方程，问题就好办了。,解：,（解法1）