福建省漳州市芗城中学高三物理学史《早期量子论和量子力学的准备》课件.ppt

早期量子论和量子力学的准备 19世纪末 经典物理学已发展到顶峰 牛顿力学 1846发现海王星 电磁学 光的电磁性 光学 热学 统计力学在当时看来 已知的一切物理现象 都可以从现成的理论里得到解释 物理学的大厦已基本建成 后辈物理学家只要做些修补工作就行了 j j 汤姆孙 3 经典物理学 量子力学的诞生 三个实验 1 黑体辐射 2 光电效应 3 原子光谱 三个飞跃 1 普朗克能量子假说 2 德布罗意物质波假设 3 薛定谔方程与玻恩概率波解释 5 1905年爱因斯坦光量子假说1910年卢瑟福原子有核模型1913年波尔氢原子光谱规律 原子及量子概念 1924年德布罗意物质波 波粒二象性1925年海森伯矩阵力学1926年薛定谔波动力学量子力学理论1927年海森伯测不准关系波恩波函数的统计诠释狄拉克相对论量子力学 量子力学理论 1900年普朗克能量子 旧量子论 a 旧量子论的形成 冲破经典 量子假说 b 量子力学的建立 崭新概念 c 量子力学的进一步发展 应用 发展 热辐射普朗克量子假说 一 热辐射的基本概念 1 辐射出射度 辐出度 m 温度为t时 单位时间内从物体表面单位面积上所辐射出来的各种频率电磁波能量的总和 2 单色辐射出射度 单色辐出度 热辐射 物体发出的各种电磁波的能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射现象 温度为t时 单位时间内从物体表面单位面积上所辐射出来的 波长在 附近 单位波长间隔内的电磁波能量 式中dm是频率在 d 范围内单位时间从物体表面单位面积上辐射的电磁波能量 3 单色吸收比 光谱吸收比 和单色反射比 光谱反射比 物体在温度t 吸收和反射频率 d 范围内电磁波能量与相应频率入射电磁波能量之比 对于不透明物体 1 1 辐射出射度 辐出度 m 2 单色辐射出射度 单色辐出度 光谱辐射出射度 单位 w m2 hz 基尔霍夫定侓和黑体 2 黑体 若一个物体在任何温度下 对于任何波长入射辐射能的吸收比都等于1 则称它为绝对黑体 黑体 即 1 基尔霍夫定侓 普适函数 人造绝对黑体模型 封闭空腔的小孔 绝对黑体的单色辐出度 研究热辐射的中心问题 吸收 发射 11 热辐射 温度不同时辐射的波长分布不同 是热能转化为电磁能的过程 热辐射及其定量描述 由于分子热运动导致物体辐射电磁波 热辐射过程的实质是物体向外辐射电磁波 辐射能 热辐射谱是连续的 平衡热辐射 只要t 0k 就有热辐射 黑体辐射的实验研究 黑体辐射的基本规律 1 斯特藩 玻耳兹曼定律 斯特藩常数 2 维恩位移定律 黑体辐射出的光谱中辐射最强的波长 m与黑体温度t之间满足关系 维恩常数 或 14 为解释黑体辐射规律 1900年瑞利和金斯用能量均分定理和电磁理论导出一个公式 黑体辐射的瑞利 金斯公式经典物理的困难 该公式只适用于长波段 而在短波段 紫外区 与实验不符 紫外灾难 1900 12 14普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式 m planck 普朗克常数 15 15 普朗克常数 h是一个普适常数 普朗克能量子假定 振子的能量不连续 e n n 1 2 3 h 能量子 基本物理思想 辐射黑体中的分子 原子可看作线性谐振子 振动时向外辐射能量 也可吸收能量 物体发射或吸收电磁辐射时交换能量的最小单位是 能量子 h 二 普朗克量子假设 我试图将h 纳入经典理论的范围 但这样的尝试都失败了 这个量非常顽固 后来他又说 普朗克的能量子假说导致了量子力学的产生 普朗克也成为量子力学的奠基人 于1918年获得诺贝尔奖 1900年12月14日成为量子物理的诞生日 在好几年内我花费了很大的劳动 徒劳地去尝试如何将作用量子引入到经典理论中去 但我从这种深入剖析中也获得了极大的好处 我终于确切地知道能量子将在物理中发挥出巨大作用 1900年12月14日普朗克在德国物理学会的例会上以题为 关于正常谱中能量分布定律的理论 条理清晰地推导和论证了他得到的黑体辐射公式 光电效应 18 实验装置 gd为光电管 光通过石英窗口照射阴极k 光电子从阴极表面逸出 光电子在电场加速下向阳极a运动 形成光电流 实验规律如下 光电效应 光照射某些金属时能从表面释放出电子的效应 产生的电子称为光电子 改变a k几间的电势差vak 可测的光电流i随vak的变化关系 伏安特性曲线 一 光电效应的实验规律 19 1 光电流和入射光强度关系 入射光频率一定时 饱和光电流强度im与入射光强度成正比 伏安特性曲线 2 光电子的初动能和入射光频率的关系 与频率 有关 存在红限频率 截止电压va与光强i无关 k 常数 v0与材料有关 3 光电效应和时间的关系 光电转换时间极短 10 9s 即使光非常非常弱 1 光辐射是由在真空中以速率c传播的光量子组成的粒子流每个光量子的能量与辐射频率 的关系为 2 爱因斯坦方程 为电子逸出功 为光电子的最大初动能 二 经典理论的困难 三 爱因斯坦的光量子假设 n为单位时间垂直通过单位面积的光子数 1 一个光子被金属中的一个自由电子整体吸收 瞬时性 3 爱因斯坦方程表明 4 入射光子能量必须大于逸出功a 红限频率 实验 3 解释光电效应 2 i 光子数n 打出光电子多 im 在确定的光强下i nh 打出的最多电子数就是n 饱和电流 爱因斯坦方程 22 光的波粒二象性 能量 质量 动量 基本关系式 粒子性 能量 动量p 波动性 波长 频率 一些情况下突出显示波动性 如光的干涉和衍射一些情况下突出显示粒子性 如光电效应等 光具有波粒二象性 23 四 光电效应的应用 光控继电器 自动控制 自动计数 自动报警等 光电倍增管 康普顿效应 25 1 实验装置 1922 23年康普顿研究了x射线在石墨上的散射 康普顿效应 散射角 3 实验规律 出现 0称为康普顿散射 2 散射曲线的三个特点 c 2 41 10 3nm 实验值 1 波长改变量 0 随散射角而异 称为compton波长 新波长 散射角 散射角 i0 i 1 与散射物质无关 仅与散射角有关 实验表明 2 对同一散射角 原子量较小的物质散射强度大 但波长改变量 0 相同 经典电磁理论预言 散射辐射具有和入射辐射一样的频率 经典理论无法解释波长变化 经典理论的困难 28 28 用光量子概念解释康普顿效应 能量守恒 1 动量守恒 2 光子与电子弹性碰撞 x方向 3 y方向 由 1 2 3 得 29 2 光子与石墨中和原子核束缚很紧的内层电子的碰撞 应看做是光子和整个原子的碰撞 1 上式表明波长的改变量 与散射角 有关 散射角 越大 也越大 弹性碰撞中 入射光子几乎不损失能量 这时散射光子波长不变 讨论 物理意义 光子假设的正确性 狭义相对论力学的正确性 微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律 氢原子光谱玻尔的氢原子理论 31 1 原子的核式结构 1911卢瑟福核式模型 原子的行星模型 原子的中心有一带正电的原子核 它几乎集中了原子的全部质量 电子围绕这个核旋转 核的尺寸与整个原子相比是很小的 一 氢原子光谱规律 32 2 氢原子光谱的规律 式中r 里德堡常数 氢原子光谱经验规律 1885 1908年 巴尔末公式 波数 里德堡 33 赖曼系 巴尔末系 帕邢系 布喇开系 普芳德系 紫外区 红外区 可见光 氢光谱的其他线系 光谱规律 n 2 3 4 n 3 4 5 n 4 5 6 n 5 6 7 n 6 7 8 广义巴尔末公式 里兹组合原理 式中 k 1 2 3 4 n k 1 k 2 k 3 光谱项 1 光谱是线状分立的 2 可构成谱线系 3 波数可表为二光谱项的差 34 3 用经典理论解释原子结构所遇到的困难 1 加速运动的电子辐射的电磁波的频率是连续分布的 这与氢原子光谱线状分布完全不符 2 据卢瑟福的原子模型 绕核加速运动的电子 最后被吸到核上 原子不稳定 但是实际上原子是非常稳定的 35 二 玻尔的氢原子理论 电子在原子中 可以在一些特定的轨道上运动而不辐射电磁波 这时原子处于稳定状态 定态 并具有一定的能量 称为能级 电子以速度v在半径为r的圆周上绕核运动时 只有电子的角动量l等于h 2 的整数倍的那些轨道是稳定的 1 定态假设 3 轨道角动量量子化假设 称为量子数 2 跃迁假设 当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁时 要发射或吸收光子 玻尔的频率条件 36 由经典力学 玻尔量子化条件 根据基本假设推算氢原子的能量和轨道半径 玻尔半径 轨道能量 n 1态叫基态 其余态叫激发态 基态能量 电离能 能量量子化 37 37 里德伯理论值 e1 e1 4 e1 9 e1 n2 氢原子光谱的解释 光子能量 频率 波数 38 1 求出了氢原子的能级公式 2 氢原子光谱线的波数公式 1 成功地揭开了 巴耳末公式之迷 2 首次打开了人们认识原子结构的大门3 定态和频率假设在原子结构和分子结构的现代理论中仍是重要概念4 为量子力学的建立奠定了基础 但他的理论是半经典的 仍保留了 轨道 概念 普朗克能量子概念 爱因斯坦光子论 玻尔氢原子理论 旧量子论 早期量子论 玻尔对氢原子的工作 玻尔的贡献