近代物理 01.ppt

量子力学基础 牛人 图 这张照片是1927年第五届索尔维会议 布鲁塞尔 参加者的合影 索尔维是一个很像诺贝尔的人 本身既是科学家又是家底雄厚的实业家 万贯家财都捐给科学事业 诺贝尔是设立了以自己名字命名的科学奖金 索尔维则是提供了召开世界最高水平学术会议的经费 这就是索尔维会议的来历 1 彼得 德拜 PetrusJosephusWilhelmusDebye 美国物理化学家 1884年出生于荷兰 1901年进入德国亚琛工业大学学习电气工程 1905年获电子工程师学位 因他通过偶极矩研究及x射线衍射研究对分子结构学科所作贡献而于1936年获诺贝尔化学奖金 1966年逝世 2 威廉 亨利 布喇格 WilliamHenryBragg 1862 1942 英国物理学家 是现代固体物理学的奠基人之一 由于在使用x射线衍射研究晶体原子和分子结构方面所作出的开创性贡献 他与儿子分享了1915年诺贝尔物理学奖 父子两代同获一个诺贝尔奖 这在历史上恐怕是绝无仅有的 3 爱因斯坦 AlbertEinstein 1879 1955 举世闻名的德裔美国科学家 现代物理学的开创者和奠基人 是20世纪最伟大的科学家 被公认为人类历史上最具有创造性才智的人物之一 他的名字与相对论密不可分 其实 相对论包括两种理论 其一是他1905年提出声狭义相对论 其二是他1915年提出的广义相对论 后者 我们最好称之为爱因斯坦引力论 爱因斯坦1900年毕业于苏黎士工业大学 1909年开始在大学任教 1914年任 威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授 后被迫移居美国 1940年入美国籍 十九世纪末期是物理学的变革时期 爱因斯坦从实验事实出发 从新考查了物理学的基本概念 在理论上作出了根本性的突破 他的一些成就大大推动了天文学的发展 他的量子理论对天体物理学 特别是理论天体物理学都有很大的影响 理论天体物理学的第一个成熟的方面 恒星大气理论 就是在量子理论和辐射理论的基础上建立起来的 爱因斯坦的狭义相对论成功地揭示了能量与质量之间的关系 解决了长期存在的恒星能源来源的难题 近年来发现越来越多的高能物理现象 狭义相对论已成为解释这种现象的一种最基本的理论工具 其广义相对论也解决了一个天文学上多年的不解之谜 并推断出后来被验证了的光线弯曲现象 还成为后来许多天文概念的理论基础 爱因斯坦对天文学最大的贡献莫过于他的宇宙学理论 他创立了相对论宇宙学 建立了静态有限无边的自洽的动力学宇宙模型 并引进了宇宙学原理 弯曲空间等新概念 大大推动了现代天文学的发展 4 埃伦费斯特 PaulEhrenfest 1880 1933 荷兰物理学家 如果说 玻尔的对应原理是在经典物理学和量子力学之间架起的一座桥梁 那么 埃伦费斯特的浸渐原理则是两者之间的又一座桥梁 埃伦费斯特是奥地利人 在维也纳大学听过玻尔兹曼讲授热的分子运动论 1904年获博士学位后从事统计物理学研究 鉴于他出色的理论素养 洛仑兹在1912年推荐他接任自己在荷兰莱顿大学的教授职务 此后 埃伦费斯特一直在莱顿大学主持工作 1913年 埃伦费斯特提出一条原理 两相互以浸渐变换联系的体系A B之间存在如下关系 无限缓慢变化的一个或几个参量 可以使不同体系在它们之间相互导出 这些参量 埃伦费斯特称为浸渐不变量 浸渐原理揭示了量子化条件的奥秘 因为玻尔在不久前提出的量子化条件式 2W nh及由此推出的角动量量子化条件M nh 2 都是埃伦费斯特的浸渐不变量 5 保罗 狄拉克 pauladrienmauricedirac 1902 1984 英国物理学家 1930年 他用数学方法描述电子运动规律时 发现电子的电荷可以是负电荷 也可以是正电荷的 狄拉克猜想 在自然界中可能存在一种 反常的 带正电荷的电子 6 薛定谔 erwinschrodinger 1887 1961 奥地利理论物理学家 与爱因斯坦 玻尔 玻恩 海森伯等一起于20世纪20年代后期 发展了量子力学 因建立描述电子和其他亚原子粒子的运动的波动方程 获得1933年诺贝尔物理奖 7 康普敦 ArthurHollyCompton1892 1962 1922 1923年间研究了x射线经金属或石墨等物质散射后的光谱 1921年在实验中证明了X射线的粒子性 1923年他发表了X射线被电子散射所引起的频率变小现象 即康普顿效应 这是近代物理学的一大发现 按经典波动理论 静止物体对波的散射不会改变频率 而按爱因斯坦光量子说这是两个 粒子 碰撞的结果 光量子在碰撞时不仅将能量传递而且也将动量传递给了电子 它进一步证实了爱因斯坦的光子理论 揭示出光的二象性 8 沃尔夫冈 泡利 wolfgangpauli 1900 1958 美籍奥地利科学家 是迎着20世纪一同来到世界的 父亲是维也纳大学的物理化学教授 教父是奥地利的物理学家兼哲学家 其提出了不相容原理 为周期表奠定了理论基础 其发表了 不相容原理 原子中不可能有两个或两个以上的电子处于同一量子态 这一原理使当时许多有关原子结构的问题得以圆满解决 对所有实体物质的基本粒子 通常称之为费米子 如质子 中子 夸克等 都适用 构成了量子统计力学 费米统计的基点 9 海森伯 wernerkarlheisenberg1907 1976 德国理论物理学家 量子力学第一种有效形式 矩阵力学 的创建者 海森伯鉴于玻尔原子模型所存在的问题 抛弃了所有的原子模型 而着眼于观察发射光谱线的频率 强度和极化 利用矩阵数学 将这三者从数学上联系起来 从而提出微观粒子的不可观察的力学量 如位置 动量应由其所发光谱的可观察的频率 强度经过一定运算 矩阵法则 来表示 他和玻尔等合作 建立了量子理论第一个数学描述 矩阵力学 1927年 他阐述了著名的不确定关系 即亚原子粒子的位置和动量不可能同时准确测量 成为量子力学的一个基本原理 10 玻恩 maxborn1882 1970 德国理论物理学家 量子力学的奠基人之一 1915年起任洪堡大学理论物理学教授 由于在相对论和量子力学方面的突出贡献与德国的另一位科学家瓦尔特 波西于1954年同获诺贝尔奖 11 尼尔斯 玻尔 bohrniels 1885年10月7日生于丹麦首都哥本哈根 玻尔早在大学作硕士论文和博士论文时 就考察了金属中的电子运动 并明确意识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷 赞赏普朗克和爱因斯坦在电磁理论方面引入的量子学说 在他研究原子结构问题时 就创造性地把普朗克的量子说和卢瑟福的原子核概念结合了起来 在玻尔离开曼彻斯特大学以前 曾向卢瑟福呈交了一份论文提纲 引入了定态的概念 给出了定态应满足的量子条件 回到哥本哈根后 1913年初 有朋友建议他研究原子结构 应很好地联系和应用当时已有的丰富而精确的光谱学资料 这使他思路大开 通过对光谱学资料的考察 玻尔的思维和理论有了巨大的飞跃 使他写出了 论原子构造和分子构造 的长篇论著 提出了量子不连续性 成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质 1921年 玻尔发表了 各元素的原子结构及其物理性质和化学性质 的长篇演讲 阐述了光谱和原子结构理论的新发展 诠释了元素周期表的形成 对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明 同时对周期表上的第72号元素的性质作了预言 1922年 发现了这种元素铪 证实了玻尔预言的正确 1922年玻尔获诺贝尔物理学奖 12 普朗克 MaxKarlErnstLudwigPlanck1858 1947 近代伟大的德国物理学家 量子论的奠基人 1900年12月 普朗克终于在德国物理学会上发表了他那影响现代文明的著名论文 关于正常光谱的能量分布定律的理论 宣告了量子论的诞生 是现代物理学上的一场革命性突破 根据普朗克的量子论 能量并非以连续的形式而存在 而是以个别 小包 的形式存在 这些不连续的 小包 被称为能量子或量子 量子是大小不一的 它们随着各量子的放射频率的不同而变化 量子的大小与频率之间的比例常数可以用一个常数来代表 这个常数就是当今物理学上的普朗克常数 由于他的理论打破了经典物理学的旧体系 许多物理学家起初都拒绝接受它 直到1913年 丹麦物理学权威尼尔斯 波尔用量子论第一次成功地计算出光谱的特殊谱线的位置时 普朗克理论的伟大意义才被人们所公认 普朗克的量子概念破坏了经典物理学的庞大体系 成了当今科学的重要基础 在量子化概念的引导下 微观物理学迅速发展为20世纪物理学的主流 并为后来的爱因斯坦在这一理论上的推进和突破打下了坚实的基础 凭借敢于创新的精神和所取得的开拓性成果 普朗克得到了极大的荣誉 1918年 他得到了物理学的最高荣誉奖 诺贝尔物理学奖 13 居里夫人 MarieCurie1867 1934 是最著名的女物理学家 她曾两次获诺贝尔奖 1903年的物理奖 1911年的化学奖 她受教育较晚 于1893年获物理学位 1894年获数学学位 1903年获博士学位 局里夫人以放射性作为论文题目 她研究了很多物质 发现钍及其化合物的特性与铀相同 研究沥青铀矿时 她发现了镭和仆 1910年她成功的分离了纯镭 居里夫人对巴黎的局里实验室的建立作出很大贡献 14 洛仑兹 hendrikantoonlorentz1853 1928 荷兰物理学家 数学家 1853年7月18日生于阿纳姆 1870年入莱顿大学学习数学 物理学 1875年获博士学位 25岁起任莱顿大学理论物理学教授 达35年 洛伦兹是经典电子论的创立者 他认为电具有 原子性 电的本身是由微小的实体组成的 后来这些微小实体被称为电子 洛伦兹以电子概念为基础来解释物质的电性质 从电子论推导出运动电荷在磁场中要受到力的作用 即洛伦兹力 他把物体的发光解释为原子内部电子的振动产生的 这样当光源放在磁场中时 光源的原子内电子的振动将发生改变 使电子的振动频率增大或减小 导致光谱线的增宽或分裂 1896年10月 洛伦兹的学生塞曼发现 在强磁场中钠光谱的D线有明显的增宽 即产生塞曼效应 证实了洛伦兹的预言 塞曼和洛伦兹共同获得1902年诺贝尔物理学奖 1904年 洛伦兹证明 当把麦克斯韦的电磁场方程组用伽利略变换从一个参考系变换到另一个参考系时 真空中的光速将不是一个不变的量 从而导致对不同惯性系的观察者来说 麦克斯韦方程及各种电磁效应可能是不同的 为了解决这个问题 洛伦兹提出了另一种变换公式 即洛伦兹变换 用洛伦兹变换 将使麦克斯韦方程从一个惯性系变换到另一个惯性系时保持不变 后来 爱因斯坦把洛伦兹变换用于力学关系式 创立了狭义相对论 15 朗之万 PaulLangevin 1872 1946 1872年1月23日生于巴黎 法国著名的物理学家 于1905年发表顺磁性的经典理论 一次世界大战期间 朗之万用压电效应激发的石英板 在水下成功地发射了声波 并接收到了海底的回声 研制出第一台水声设备 测深仪 以后 根据这种原理制造出译名叫 声呐 sonar 的设备 可用来发现海面下的潜水艇 礁石及其他水下目标 现在 利用近代的信息理论 结合电子技术 研究声波在海水中的发射 传播和接收的问题 已形成一门内容十分丰富的近代声学科学 水声学 以上这些人物 是二十世纪物理科学的最杰出代表 他们在量子论和相对论两个方向上所做的贡献 不仅彻底改变了人们的物质生活 而且改变了人类的思维方式和时空观念 在知识界可以这样说 不懂得这些思想的人 基本上可以视为落后于这个时代 他们都先后获得过诺贝尔物理奖 诺贝尔奖金之所以被公认为科学界的最高荣誉 实际上正是因为在二十世纪前期 年年都授予这些人 从而确立了这项奖金的威信 当把铁块加热时 随着温度的不断升高 它的颜色由暗红变为赤红 橙色 而最后变成黄白色 热辐射 能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射 1黑体辐射普朗克量子假设 黑体 能完全吸收照射到表面的各种频率的光而不发生任何反射和投射的物体称黑体 平衡热辐射 如果在同一时间内从物体表面辐射的电磁波的能量和它吸收的电磁波的能量相等 物体的辐射就处于温度一定的热平衡状态 辐射出射度M 单位时间内从物体单位表面积发出的频率在 附近单位频率区间的电磁波的能量 一 黑体辐射及其基本规律 光谱吸收比 在温度为T时 物体表面吸收的频率在 d 区间的辐射能量占全部入射的该区间的辐射能量的份额 称做物体的光谱吸收比 单位 W m2Hz 19世纪末 许多物理学家欲从理论上导出黑体的单色辐射出射度M 和 的关系式 普朗克公式 在长波长与瑞利 金斯公式一致 在紫外极限下与维恩公式一致 在全波长范围与实验结果吻合很好 二 普朗克量子假设 MaxKarlErnstLudwigPlank1858 1947TheNobelPrizeinPhysics1918 WilhelmWien1864 1928TheNobelPrizeinPhysics1911 由普朗克公式可导出已被证实的两条实验定律 1 斯特藩 波尔兹曼定律 2 维恩位移定律 M 曲线 2光电效应爱因斯坦光量子假说 一 光电效应的实验规律 1887年 如图所示 为光电效应的基本装置 S 真空的玻璃容器m 石英玻璃窗A 阳极K 阴极 金属板 当紫外线或波长很短的可见光照在阴极时 金属板将释放电子即光电子 称光电效应 1 饱和光电流强度与入射光强度成正比 或者说 单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光强成正比 如图即为相同频率 不同入射光强度 1 光电效应的实验规律 实验结果 Is称为饱和光电流强度 U0称为遏止电压 I 0的电压 2 光电子的初动能与入射光强度无关 而与入射光的频率成正比 3 产生光电效应的金属具有一定的截止频率 4 光电效应具有瞬时性 或说响应速度很快 10 9秒 只要 则在光照射金属表面后 几乎立即就有光电子逸出 与光的强度无关 经典认为光强越大 饱和电流应该大 光电子的初动能也该大 即初动能正比于光强 但实验上光电子初动能只与频率有关 结果2 而与光强无关 只要频率高于红限 既使光强很弱也有光电流 频率低于红限时 无论光强再大也没有光电流 而经典认为有无光电效应不应与频率有关 结果3 瞬时性 经典认为光能量分布在波面上 吸收能量需要时间 即需能量的积累过程 结果4 二 经典理论的困难 例如 强度为1W m2的光照在金属Na上 需107秒即115天电子才能逸出 经典 三 爱因斯坦的光量子假说 1 爱因斯坦光量子假说 光子论 假设 一束光是一粒一粒以速度c运动的粒子流 这些粒子称光子 但它们仍保留频率 波长的概念 认为光不仅在与物质相互作用时 发射和吸收 具有粒子性 而且在传播过程中也有粒子性 一个频率为的光子具有能量 其中h为普朗克常数 值为 可见 光子即具有粒子特性m P 又具有波动性 我们将这种波动性和粒子性并存的性质称为光的波粒二象性 光的波动性 和粒子性 p 是通过普朗克常数联系在一起的 2 用光量子假说解释光电效应 2 当入射光子的能量小于逸出功时 光电子的初动能为零 不能逸出 只有当h A时 才能产生光电效应 截止频率 A h 3 光的强弱只表明光子数的多少 而光子的能量恒定 一个光子的能量是一次地被电子吸收 所以 只要h A 电子吸收光子即逸出 具有瞬时性 3光电效应在近代技术中的应用 光控继电器 自动控制 自动计数 自动报警等 光电倍增管 例1设有一半径为的薄圆片 它距光源1 0m 此光源的功率为1W 发射波长为589nm的单色光 假定光源向各个方向发射的能量是相同的 试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数 解