第17章电子教案

1,17.1热辐射,普朗克的量子假设17.2光的粒子性17.3氢原子光谱,玻尔的氢原子理论17.4粒子的波动性17.5薛定谔方程17.6氢原子的量子力学处理17.7电子自旋,四个量子数17.8原子核外电子的壳层结构,第17章量子物理,作业：练习册选择题：110填空题：110计算题：18,2,1热辐射普朗克的量子假设,1.热辐射,任何物体在任何温度下都要对外辐射各种波长的电磁波，这种辐射称为热辐射。,因辐射与温度有关，故称热辐射。,观察：,物体逐渐增加温度，物体看来从暗淡红变黄黄变白青白色。,3,测量体温是诊断疾病最常用的方法。传统测量体温的方法是在腋下、舌下，但这样的方法对于远程大量测量体温是不适合的。比如，当发生大规模流行疾病，需要在火车站、机场等公众场合测定旅客体温时。,与传统的体温针测量体温需分钟相比，应用红外线测量体温（红外测量眼睛或皮肤热辐射的方法）仅需秒钟，即可准确测出体温。,红外温度计能测量人体的红外热发射从而推得病人的身体温度，这在2003年的“抗非典”战斗中曾发挥了较大作用，那时我们可以看到机场、车站等公共场所匹配了各式各样的红外测温装置。,4,1）从经典物理学看来热辐射过程的实质是物质以电磁波的形式向外辐射电磁波的过程。其辐射的能量称之为辐射能。,2）热辐射有平衡热辐射与非平衡热辐射：,当物体因辐射而失去的能量等于从外界吸收的辐射能时，这时物体的状态可用一确定的温度来描述，这种热辐射称为平衡热辐射。反之称为非平衡热辐射。,注意：,实验表明：物体辐射能多少决定于物体的温度（T）、辐射的波长、时间的长短、发射的面积。,5,研究：在某个温度下，从物体一定表面积上发射的，在任何一段波长范围内、单位时间内的辐射能（辐射功率）。,引入物理量：单色辐射出射度：设从物体单位表面积上发射的，波长在到+d范围内的辐射功率为dM，dM和d的比值叫做该物体对于波长的单色辐射出射度M（T）。,问题的焦点就是求出辐射能与温度、波长之间的关系式。,6,M（T）与物体的温度T和波长有关，它反映了不同温度下辐射能按波长的分布情况。,从物体单位面积上辐射出的所有波长的总辐射功率，叫做该物体的辐射出射度（或称总辐出度），用M（T）表示。,7,十九世纪末叶之时，经典物理学大厦经过了从牛顿到麦克斯韦这些大师们的精心设计和建造，真可谓尽善尽美了。大自然中的物理现象也都能用经典理论解释得清清楚楚。可是好景不长，也真怪物理学家们无事生非，不知谁先想出了一个题目，要是一块全黑的物体，它是怎样吸收外来的热量又怎样放出热量呢？,8,一个物体对入射的电磁波能量全部吸收，我们就称它为黑体。例如宇宙中的黑洞。黑体只是一种理想模型。,2.黑体,当热辐射能入射到不透明物体表面时，一般是，一部分辐射能被物体吸收，另一部分能量被物体表面反射。,在同样的温度下，颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100的理想物体。,9,根据能量守恒定律：物体吸收的能量越多，加热时它辐射的本领愈大。黑体的吸收本领是一切物体中最大的，加热时它辐射本领也最大。,理想模型的建立和应用，是根据问题的性质和需要，抓住主要因素，略去次要因素，对所研究的复杂问题进行合理简化处理。,2.许多地物是较好的黑体近似(在某些波段上)。,研究热辐射的规律时，特别注意黑体的辐射本领的研究。,3.黑体辐射,1.辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，定义了一种理想物体黑体(blackbody)，以此作为热辐射研究的标准物体。,10,用不透明材料做成有小孔的空腔，可看作黑体。如图所示：从小孔射入黑体空腔中的电磁波，经多次反射吸收，强度逐渐减弱，最后从小孔中反射出去的辐射能近似地为零。,这就是黑体辐射。,当空腔处于某一温度T时，也会有一定的电磁波从小孔中辐射出去，,相当于面积为小孔面积，温度为T的黑体表面发出的辐射，,现在研究黑体辐射,11,用分光技术测出由它发出的电磁波的能量按波长的分布M（T），就可以研究黑体辐射的规律。,12,黑体辐射的单色辐射出射度与波长的关系的实验曲线如图所示：,1700k,1500k,1300k,通过对曲线的分析总结出黑体辐射的两条实验规律。,(1)维恩位移定律,实验发现：当绝对黑体的温度升高时，单色辐射出射度最大值对应的m向短波方向移动。,观察、分析,m,13,(2)斯忒藩(Stefan)-玻耳兹曼定律,黑体辐射出射度（总辐出度）（单色辐出射度与波长关系曲线下的总面积）与绝对温度有如下关系：,以上两规律只适用于黑体，对非黑体只近似成立。,斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温(如辐射高温计)、遥感和红外追踪等的物理基础。,14,人体也向外发出热辐射，为什么在黑暗中还是看不见人？,答：人体的辐射频率太低，远离可见光波段。,算出在人体热辐射的各种波长中，所对应的最大单色辐出度的波长应为：,m在远红外波段，为非可见光，所以是看不到人体辐射的，在黑暗中也如此。,如果设人体表面的温度为36C，则由维恩位移定律,15,从理论上导出符合实验曲线的关系式，一直是物理学研究的重要课题。,但是由经典电磁理论和热力学理论出发导出的理论公式都与实验结果不符合。,WilhelmWien(1864-1928)荣获1911年NobelPrize(forhisdiscoveriesregardingthelawsgoverningtheradiationofheat),维恩是一位理论、实验都有很高造诣的物理学家。他所在的研究单位称为德国帝国技术物理研究所，这个研究所以基本量度为主要任务。当时正值钢铁、化工等重工业大发展的时期，急需高温量测、光度计、辐射计等方面的新技术和新设备，所以，这个研究所就开展了许多有关热辐射的实验。,16,4.经典物理遇到的困难：,1896年，维恩根据经典热力学得出公式,这个公式能说明短波段，不能说明长波段。,1900年，瑞利和琼斯用能量均分定理电磁理论得出：,这个公式只能适合于长波段，在短波方向得出灾难性的结论。,开尔文称之为“紫外区灾难”,C1、C2为常数,C3为常数,17,当波长短到了紫外线或X射线，辐出度达到更大值，如果事实真是如此，地球上的一切生物都要遭受灭顶之灾，在科学史上，人们戏称这为“紫外灾难”。,按照该公式，随着辐射波长的变短，辐射出射度增大。,电磁波危害健康（波长越短频率越高）危害越大,放射防护学专家一致呼吁：慎用X射线检查,“紫外灾难”,幸亏事实上实验曲线到了中段变缓、变平，到了极大值后辐射出射度随着辐射波长的变短而下降。,18,按经典理论，热的辐射和吸收是一个完全连续的过程，就像管子里流出来的一股水，光和辐射是一种电磁波。这条连续性原理是经典物理学的一块基石。可是那些“无事生非”的物理学家们终于给自己找来了麻烦，他们用这种理论来解释黑体辐射，无论如何也不能使辐射能量和辐射谱统一起来。,所以，当时代步入20世纪第一个年头时，物理学界的老前辈开尔文在新年祝辞中一面庆贺物理学的新胜利，一面又忧心地提到，天空又出现了两朵乌云，这便是其中之一。,19,开尔文所提出的“紫外区灾难”被称为“物理学晴朗天空的两朵乌云”之一。,正是这朵乌云导致“量子力学”的诞生。,普郎克面对单色辐出度与波长的关系的实验曲线，没有从经典理论出发,而是发挥自己的数学才能，用数学表达式来拟合这条曲线，从而获得理论公式（即寻求一个数学表达式，在此公式代入相应的值后，所绘制出的曲线与实验曲线相符）。,既然由经典电磁理论和热力学理论出发导出的理论公式都与实验结果不符合。,20,普朗克根据维恩、瑞利和琼斯两公式，用数学内插法得出了与实验结果符合的普朗克公式,这真是太棒啦!,21,普郎克黑体辐射公式,通过计算，这个公式的理论值与实验曲线很好的吻合。,实验,瑞利-琼斯,维恩,普郎克,22,已知函数f（x）在自变量是x1，x2，xn时的对应值是f（x1）、f（x2），f（xn），求xi和xi1之间的函数值的方法，称作内插法。,如果xn是按等距离变化的，称自变数等间距内插法；如果xn是接不等距离变化的，称自变数不等间距内插法。,科学研究中处理数据常用“内插法”、“外推法”。,外推法也是一个很重要的研究方法：利用逻辑推理的方法，它是建立在可靠的实验基础上进行外推。,内插法,23,实验数据的拟合，用线性、对数、多项式、乘幂、指数函数来表示实验结果。（数学表达式拟合实验曲线）,介绍几种方法：MicrosoftExcel工作表趋势性的预测分析回归分析,24,Origin7.0Demo,13M，是一个非常有名并且易于使用的科学用途数据绘图与数据分析处理工具软件。.它可满足您根据实验数据作出经验曲线，或以平滑曲线联结各数据点的要求。支持三次样条插值算法、最小二乘法直线拟合算法、可化为直线方程处理的特殊.,使用科学计算语言MATLAB处理实验数据，包括：数据的输入和输出、平均值、偏差、可疑数值的判断、数据的拟合、插值和图象的绘制，只需要进行简单编程即可。函数关系更广。,另外，许多专业有自己研发的专用工具软件。,25,1900年10月19日普朗克在德国物理学会议上报告了他的黑体辐射公式(这公式是他“为了凑合实验数据而猜出来的”)。当天，两科学家发现此公式和实验符合很好，并在第二天把这一喜讯告诉了普朗克。,（1900年12月14日被认为是量子论的诞生之日）,这使普朗克决心“不惜一切代价找到一个理论的解释”。经过两个月的日夜奋斗，他于12月14日在德国物理学会上提出了他的假设。,26,真实的历史,普朗克在一次会议上宣读自己的观点，但全场除一人发言外，其余的人毫无反应，而这一人还是表示反对。,无一知音，普朗克对十几岁的儿子说：“我现在发现的那个东西，要么荒诞无稽，要么也许是牛顿以来物理学上最伟大的发现之一。”,1900年10月19日，柏林物理学会又在举行讨论会。热物理学家库尔鲍姆在会上报告了他最近的实验，仍与维恩公式不符，又是那道不可逾越的难题。这时普朗克恰巧在座，天赐良机，普朗克立即上前在黑板上写出一个自己推出的公式。这个式子无论对长波、短波、高温、低温都惊人地适用，瑞利金斯公式和维恩公式被和谐地统一到一起。于是满座大惊，虽然还没有一个人能完全弄清楚这个新公式，但是在事实面前却再无人能提出反对意见。,物理学会再也不能轻视普朗克的挑战了，两个月后，1900年12月14日他们召开会议，特请普朗克介绍他的新理论。,27,5.普朗克能量子假说,辐射体中的分子、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）,振子的能量不连续,E=nn=1,2,3.=h,辐射或吸收电磁辐射时交换能量的最小单位是“能量子”,其能量为:=h,由此,导出与实验结果极为符合的普朗克公式：,普朗克常数h=6.62606810-34m2kg/s,在电磁波的辐射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，能量值只能取某个最小能量元的整数倍。,28,讨论：,按波长分布的普朗克公式,29,1）当波长很短或温度较低时,维恩公式,令：,30,2）当波长很长或温度很高时,瑞利-琼斯公式,令：,31,普朗克(18581947)德国人(60岁获诺贝尔奖),MaxPlanck荣获1918年NobelPrize(forhisdiscoveryofenergyquanta),普朗克无论遇到什么困难，都没有动摇过他献身于科学的决心。他的家庭相继发生过许多不幸：1909年妻子去世，1916年儿子在第一次世界大战中战死，1917年和1919年两个女儿先后都死于难产，1944年长子被希特勒处死。但是普朗克总是用奋发忘我的工作抑制自己的感情和悲痛，为科学做出了一个又一个重要的贡献。,普朗克的墓在哥庭根市公墓内，其标志是一块简单的矩形石碑，上面只刻着他的名字，墓志铭也就一行字：h6.6310-34Js，这是对他毕生最大贡献：提出能量子假说的肯定。,32,普朗克是一位老派的学者。在学术工作中，他主张尽可能地谨慎，不到万不得已不愿意打破传统的“框框”。他把自己的量子假说称为“孤注一掷”的办法。就是说，只是在实验事实的逼迫下，他才终于“上了梁山”。因此，人们常说他是一个“不情愿的革命者”。,普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信h的引入确实反映了新理论的本质。,由于量子化的概念和经典物理严重背离，正因为量子说和经典物理概念如此不同，在提出后的五年内没人理会。在此后的十余年内，普朗克很后悔当时提出“量子说”，并想尽办法试图把它纳入经典范畴。,33,普朗克所提出的能量量子化假设打破了一切自然过程都是连续的经典定论，第一次向人们揭示了自然的非连续本性。,从日常经验出发，建立在一切自然过程（包括物体性质的变化）都是连续的这一定论之上的经典理论牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论又已经被大量的实验所证实。,“量子论”违背了实验事实？,连续性原理是经典物理学的一块基石,34,例：设想一质量为m=1g的小珠子悬挂在一个小轻弹簧下面作振幅A=1mm的谐振动。弹簧的劲度系数k=0.1N/m。按量子论计算此弹簧振子（谐振子）的能级间隔多大？减少一个能量子时振动能量的相对变化是多少？,思考题:在宏观世界中能够观察到（谐振子）能量分立的现象?！,解：弹簧振子的频率,谐振子能级间隔,谐振子能量,减少一个能量子时振动能量的相对能量变化,这样小的相对能量变化在现在的技术条件下还不可能测量出来。,现在能达到的最高的能量分辨率为：,所以宏观的能量变化看起来都是连续的!,35,普朗克的发现使神秘的量子从此出现在人们的面前，它让物理学家们即兴奋，又烦恼。,这些能量子在运动中并不分裂，而且只能作为整体被吸收或发射。能量子是什么？,量子论翻开第二页“光电效应”,36,赫兹试验示意图,光照射金属表面使之逸出电子的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。,这一现象首先是赫兹在1886-1887年间在实验中偶然发现的。,2光的粒子性,赫兹在电磁波实验中还顺便发现了光电效应。1887年，他发现当检测器振子的两极受到发射振子的火花光线照射时，检测器的火花会有所加强。进一步的研究表明这是由于紫外线的照射,紫外线会从负电极上打出带负电的粒子。他将此事写成论文发表，但没有进一步研究。,37,光电效应的实验简图,U,G,K,A,当光（特别是波长较短的紫外光）照射到密封的真空管内的的金属K（负极）上时，就有光电子从表面逸出，逸出的光电子在加速电势差U=UA-UK的作用下，从K到A，从而在电路中形成电流，称为光电流，光电流强度可由电流计G读出。,莱纳德光电效应实验1902年,换向开关,真空管,注意观察！,1.光电效应,38,通过实验，我们可以画出以下实验特征曲线。,(1)光电效应伏-安曲线图,-US为反向截止电压,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。,当降低U，I随着降低，当U=0时，I一般不等于0。,只有当U=UA-Uk变为负值（由换向开关实现），I减少以至为零。,入射光频率恒定,39,(1)光电效应伏-安曲线图,反向电势差截止电势差Us,光电子最大初动能,截止电压的存在说明此时从阴极逸出的最快的光电子，由于受到电场的阻碍，也不能达到阳极。根据能量分析应有：,-US为反向截止电压,入射光频率恒定,当降低U，I随着降低，当U=0时，I一般不等于0。,只有当U=UA-Uk变为负值（由换向开关实现），I减少以至为零。,40,k与金属材料无关,由实验确定!,(2)US实验曲线图,为入射光频率,截止电压与入射光频率有线性关系（即光电子最大初动能和光频率成线性关系）,不同金属的USv曲线是斜率相同的平行直线,使金属产生光电效应的最低频率v0称为红限频率。,红限频率,红限频率与金属材料有关,时，才能产生光电效应。,时，无论光强多么强都不能产生光电效应。,41,经典物理与实验规律的矛盾,电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量(与光强I有关)逸出，不应存在红限0。,当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累。,只有光的频率0时，电子才会逸出。,逸出光电子的多少取决于光强I。,光电子即时发射，滞后时间不超过109秒。,总结,光电子最大初动能和光频率成线性关系。,光电子最大初动能取决于光强，和光的频率无关。,42,普郎克提出的量子假设在以后的几年里，并没有引起人们的注意。当时大多数物理学家只是把普郎克公式看作是一个局限于辐射问题的“经验公式”。,首先认识到量子概念的重要性并对它的发展起了巨大推动作用的是专利局三级技术员、年轻的科学爱好者爱因斯坦（26岁）。,43,一个频率为的光子具有能量,2.爱因斯坦光子（光量子）假设(1905年),（1）爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论：,h为普郎克恒量，h=6.62610-34Js,（2）光电效应的解释：,金属中自由电子从照射光中吸收一个光子的能量h,1.电子的逸出功A,2.光电子的初动能,逸出功A：金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的最低能量），单位eV，与材料有关的常数。,44,或写成：,解释红限频率的存在,实验结果：,对比理论公式,所以k与金属种类无关,而A与金属种类有关,45,入射光强度越大，表明光量子数越多；它被金属中的电子吸收的可能性就越大，可解释光电子的多少取决于光强I。,光子被电子一次吸收而增大动能的过程需时很短，由此，可解释光电效应的瞬时性。,1916年，密立根利用截止电压与入射光频率线性关系h=ek计算得：h=6.5610-34Js，与当时其他方法测得的值符合得很好！对光子论的正确性是一个很好的证明。密立根由此获诺贝尔奖（另是他用油滴法精确地测定了电子电量）。,另外，逸出光电子的多少取决于光强I。,光电子即时发射，滞后时间不超过109秒。,普朗克墓志铭刻着：h6.6310-34Js,46,爱因斯坦的光量子理论（1905年）虽然成功地解释了光电效应，但它并没有被广大物理学家所承认。因为在他们看来，这一理论与光的波动理论是完全违背的。普郎克也认为这一理论“太过份了”，甚至到1913年他仍持否定态度。,密立根也不相信光的量子理论，他从1905年开始作“光电效应”的实验来否定它，可是于1915年他却宣布：“结果于我所有的预期相反。”,47,光电效应的研究历经三十年，有三人荣获诺贝尔物理奖,莱纳德完美实验1905年爱因斯坦理论解释1921年密立根实验证实1923年,莱纳德（1862-1947）曾担任赫兹教授的助手,后发现光电效应的两条重要规律，获得诺贝尔奖。希特勒上台后，莱纳德加入了纳粹党籍，成为希特勒的科学顾问,多次在公开场合批判犹太人科学家爱因斯坦。,密立根(1868-1953)研究基本电荷和光电效应，通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。他测量了遏止电子从金属中逸出所需的最小电压，验证了爱因斯坦关系，并首次对普朗克常数h直接运用光电学方法作了测定。,48,爱因斯坦在1905年解释光电效应，当初爱因斯坦并没有想的那么多，但是他当时解释的光电效应，一直到现代都有非常重要的应用。,光电效应的现代应用实在太多了，包括空间科学、生命科学。举一个最贴近我们生活的例子，数码相机或者数码摄像机，最关键的是CCD摄像阵列。大家买数码相机的时候都要问有多少像素，从200万像素到400万像素，专业的是800万像素，即有800万个最基本的光电探测单元。,研究天文、宇宙的起源，不管用什么样的天文显微镜，最后都有摄像的基本单元，都是要利用所谓的光电效应。现在都讲数字地球，这是全球定位系统，对海洋资源、陆地资源等等定位。在空间要对地球进行定位，最基本的必须要有一个非常灵敏的光电探测器。,49,光电成像器件能将可见或不可见的辐射图像转换或增强成为可观察记录、传输、储存的图像。,红外变像管,红外辐射图像可见光图像,像增强器,微弱光学图像高亮度可见光学图像,光电倍增管：是灵敏度极高，响应速度极快的光探测器。感光的材料主要是金属铯的氧化物，其中并掺杂了其他一些活性金属。用这些材料制成的光电阴极射线管，在光线的照射下能够发射光电子，它经栅极加速放大后去冲击阳极，最终形成了电流。可测量波长在2001200nm极微弱光。,光电倍增管,50,例：铝的逸出功为4.2eV，今用波长为2000埃的紫外线照射铝表面，求：,(1)光电子的最大初动能,(2)截止电压,(3)铝的红限波长。(*1eV=1.6021764610-19J),解：,光子能量：,电子最大初动能：,由：,得：US=2.0V,由：,51,1909年9月21日，爱因斯坦应邀参加德国自然科学家协会第81次大会。这是爱因斯坦第一次正式参加学术界的活动，也是他第一次会见普朗克等著名物理学家。爱因斯坦在这次大会上首次提出光具有波粒二象性。,光的波粒二象性。,光在传播过程中表现为波动性，如光的干涉和衍射。,光在与物质相互作用时表现为粒子性，如光电效应。,光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性。,52,光的波动性（，v）和粒子性（m，p）是通过普朗克常数联系在一起的。,光子动量：,又因为：,所以，光子的静止质量为零。,光子能量：,光子质量：,让我们在心里读两遍,53,1911年10月30日，当时世界上在这一领域内最优秀的18名领袖齐集布鲁塞尔的大都会饭店。但是年高望重的瑞利未能到会，他送来一封短信，对量子论表示反对。琼斯和彭加勒（在数学、物理学和天文学等领域做出了举世瞩目的贡献）两个大人物也表示反对。不过，临散会时彭加勒已经背叛了经典原理而加入这支义军。,还有卢瑟福、居里夫人等五位实验物理学家，他们对这个很玄的理论问题原来也不怎么关心，所以持中立立场，其余十一位科学家表示赞成。十一年过去了，这支新军从一人发展到十二人，稍成气候。,54,会议的主力当然是普朗克和爱因斯坦。,“不过爱因斯坦先生，为什么您不全力以赴在这个理论上再做贡献呢？”爱因斯坦说：“可惜上帝给物理学的晴空里送来两朵乌云。我现被那另一朵乌云罩住正脱不得身呢。”,布鲁塞尔的女巫盛宴,完完全全的奇幻世界。这个世界光怪陆离，和我们平常所感知认同的那个迥然不同。,55,1905年，爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后1915年11月，爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文，在这四篇论文中，他提出了新的看法，证明了水星近日点的进动，并给出了正确的引力场方程。至此，广义相对论的基本问题都解决了，广义相对论诞生了。1916年，爱因斯坦完成了长篇论文广义相对论的基础，,能量子、光量子、波粒二象性、相对论。一波未平，一波又起。,爱因斯坦理论公式是否是一个局限于光电效应问题的“经验公式”？！,56,3康普顿效应（1922年）,康普顿实验原理如下图：,R：X射线源,D：光栏,S：摄谱仪,C：石墨晶体，是X射线的散射体。,实验目的：入射与散射波长的比较。,入射,散射,散射角,57,实验发现：,观察，分析,波长不变的散射称为正常散射。,但在散射谱线中，除了波长不变的射线外，还有波长变长的射线。,波长变长的散射称为康普顿散射。,58,实验总结：,1.在散射谱线中，除有入射波长0的射线外，还有比0更长的射线。,2.波长改变量随着散射角的增大而增大。与散射物质的性质无关。,c是与散射物质无关的常数，称为康普顿常数。,X射线通过物质散射后波长变长的现象康普顿效应,59,按照经典电磁波理论，X射线是波长很短的电磁波，照射到散射体上所发生的情况可以这样解释：当电磁波通过物体时，将引起物体内带电粒子从入射波吸收能量而出现受迫振动。而每个振动着的带电粒子可被看作电偶极子，它们向四周辐射能量，这就成为散射光。从波动观点来看，带电粒子受迫振动频率应等于入射光的频率；所以，散射光的频率应与入射光的频率相同。可见，用光的波动理论只能解释波长不变的散射，而不能解释康普顿效应。,经典理论的困难：,1923年，康普顿用爱因斯坦的光量子理论圆满地解释了他的实验结果，从而又一次证实了光量子理论的正确性。康普顿由于这一工作而获得了1927年诺贝尔物理奖。,60,光的波粒二象性理论对康普顿散射的解释：,系统能量守恒：,系统动量守恒：,电子的相对论质量：,光子能量h，动量,61,能量守恒：,动量守恒：,(1),(2),由相对论关系式：,(3),将式(2)代入式(3)，可得：,(4),62,(1)2-(4),康普顿波长c的理论值与实验值吻合得很好。,(1),(4),实验公式,63,康普顿散射进一步证实了光子论，证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒二象性。同时证明相对论理论以及在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。,思考：康普顿效应的理论计算与实验的一致性说明了什么？,64,康普顿(1892-1962)美国人,吴有训(18971977)物理学家、教育家中国科学院副院长清华大学物理系主任、理学院院长对证实康普顿效应作出了重要贡献，在康普顿的一本著作中曾19处提到吴的工作。,A.H.Compton荣获1927年NobelPrize,65,吴有训在康普顿的指导下做博士论文，题目就叫“康普顿效应”。,康普顿最初发表的论文只涉及一种散射物质（石墨），尽管已经获得明确的数据，但终究只限于某一特殊条件，难以令人信服。为了证明这一效应的普遍性，吴有训在康普顿的指导下，做了种物质的射线散射曲线，再次证明康普顿效应的普遍性。,但是这还不足以否定反对者的论据。著名射线研究者、哈佛大学杜安教授宣称：在他的实验室里没有观测到康普顿预计的峰值，康普顿的峰值可能是由于实验装置放在包有铅皮的木箱中，射线打到木箱激发起某种新的射线。,为此，吴有训特意把射线管和各种散射物质放在不含木材的铅室中，广泛地进行了射线散射实验。再次证明康普顿效应的客观存在。,66,“康普顿效应”这一伟大发现获得了举世公认。诺贝尔奖金评选委员会决定将“康普顿效应”的发现列入下一届物理学奖的名单，并写信通知康普顿，让他写下这一创举的过程、价值以及获奖候选人的名单。康普顿决定除自己以外，提名威尔逊和吴有训两个人同时受奖。,当康普逊把自己的意思诚恳地告知吴有训时，吴有训说：“不行，我的名字不应当放在里面，这是老师的功劳，我只是一名助手，做了应该做的事情。”,康普顿教授在1926年初版的射线的理论及实验一书中，对吴有训的工作给予了高度评价，把吴有训的一张15种元素所散射的射线光谱图，以及他自己的以石墨所散射的射线光谱图并列，作为证实其理论的主要依据。更令人感动的是，康普顿教授认为，“康普顿效应”也可以称为“康普顿吴有训效应”。,67,光电效应和康普顿效应的相同之处和不同之处？,参与光电效应的电子是金属中的自由电子，它不是完全自由的，而是被束缚在金属表面以内。在光电效应中，通常是一个电子吸收一个光子的过程，电子与光子的相互作用是非弹性碰撞。在碰撞过程中能量守恒，动量不守恒，金属材料必取走部分动量。,而参与康普顿效应的散射物中的电子在光子能量较大时可看做是完全自由的。散射物中电子与光子的相互作用可近似看成弹性碰撞过程，满足动量和能量守恒定律。光子把一部分能量传给电子后，光子散射出去电子则反冲，所以散射光波长比入射光波长长。,68,杨氏双缝实验早在1801年就已经令人信服地证明了光可以产生干涉现象，从而是一种波。然而，波的理论无法解释光电效应（1905年）康普顿效应（1922年）等新的实验现象，为此又必须利用光量子假设。但是，如果光是由粒子组成的，它又怎么能产生干涉现象呢？这绝对是一个两难的局面！,光的波动和粒子二象性被发现后，许多著名的物理学家感到困扰。,量子论翻开“对称”一页德布罗意“物质波”,然而量子论仍在继续发展，1923年一位博士生划时代的工作,69,德布罗意,1923年，法国物理学家路易斯德布罗意（LouisVictorDeBroglie,18921987）在权威的英国哲学研究杂志上发表论文，提出了物质波的概念和理论，把量子论发展到一个新的高度。,德布罗意本来是学历史的，他从大学毕业后，却没有在历史学领域进行更多的研究，因为他的兴趣已经强烈地转向物理方面。,德布罗意家族的历史悠久，家族继承着最高世袭身份的头衔：公爵(王子的爵号),他的哥哥，莫里斯.德布罗意是一位著名的射线物理学家，参加了1911年的布鲁塞尔物理会议(女巫盛宴)，将会上关于量子理论激烈的争论告诉了德布罗意。,德布罗意对科学的热情被完全地激发出来，并立志把一生奉献给这一令人激动的事业。,70,德布罗意刚下定决心开始对理论物理的研究，不久，第一次世界大战(19141918年)就爆发了，他便服兵役上了前线，被分派了一个无线电技术人员的工作。,德布罗意思路一开立即拓出一片新的天地。1923年他接连发表三篇论文，提出“物质波”的新概念。,直到1922年他才重回哥哥的实验室继续中断许久的研究。在长期思考后，他渐渐地生成了一个大胆的思想：爱因斯坦的光量子理论应该推广到一切物质粒子、特别是电子。,71,1924年，他写出博士论文关于量子理论的研究，更系统地阐述了物质波理论。可以说是当时物理学界一个独一无二的新观点，许多人看了文章都摇头，德布罗意的导师朗之万也不相信这种观念，只不过觉得这篇论文写得很有才华，才让他得到博士学位。,朗之万对这件事总是不放心，也不知他的这个学生到底该算是个才子还是个疯子，便将论文稿寄给爱因斯坦审阅。爱因斯坦真不愧为一个理论物理大师，他刚读完文章就拍案叫绝，并立即向物理学界的几个大人物写信，吁请对这个新思想给予关注：“请读一读这篇论文吧，这可能是一个疯子写的，但只有疯子才有这种胆量。,爱因斯坦（美学的）宇宙观：和谐、对称。,72,对于质量为m，以速度v运动的实物粒子：,光子动量：,光子质量：,4粒子的波动性,让我们在心里读两遍,光的波粒二象性：,德布罗意根据对称性思想提出了物质波假设，认为波粒二象性不是光独有的特性，一切实物粒子都有波粒二象性。,德布罗意“物质波”波长,1.德布罗意物质波假设,73,德布罗意物质波的实验验证,1927年戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单晶，电子束被散射。,其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释，从而验证了物质波的存在。,同年汤姆逊实验证明了电子在穿过金属片后也象X射线一样产生衍射现象。,电子的衍射实验证明了德布罗意关系的正确性。,德布罗意在1924年论文答辩时，当时著名的科学家J.B.Perrin问他“这些波怎样用实验来证实呢？”德布罗意回答：“用晶体对电子的衍射实验可以做到。”,74,纽约贝尔电话实验室研究人员戴维逊，长期以来和助手革末做电子轰击金属的实验。这天二人正在做实验，忽然一只盛放液态空气的瓶子倒地炸裂。实验用的金属靶子是置于真空条件下的，现在液态空气立即气化，弥漫全室，钻进了真空系统，那块当靶子的钝锌板立即就被氧化。他们只好连夜加班，将这块锌板换下来又是加热，又是洗刷，费力地将锌板表面的氧化膜去乾净，再装回真空容器里。,第二天，戴维逊和革末又来到实验室，他们将仪器安置好后又开始了那个不知重复了多少次的实验。戴维逊扳动开关将电流直向锌板射去，一边喊革末调整一下锌靶的角度。革未将锌靶轻轻转了一个角度，戴维逊却吃惊地喊道：“见鬼，今天怎么连电子也学会与我绕弯子！,真实的历史,75,这种现象很像一束波绕过障碍物时发生的衍射，但是电子明明是粒子啊，它怎么能有波的性质呢？二人又将这个实验重复了多遍，仍然如此，他们就这样百思不得其解，在闷葫芦里一直闷了两年。,两年后的夏天，戴维逊访问英国，遇到著名的物理学家玻恩。戴维逊将那个在肚子里憋了两年的问题提了出来。玻恩一听戴维逊如此这般地描述，便喜不自禁，也不顾是与客人初次见面，突然在对方肩上拍了一把，大声说道：“朋友，您已经撞开了上帝的大门。”,“光有波粒二象性，一切物质微粒也有波粒二象性，电子也不例外。这正是欧洲大陆上近年来最新的理论。可惜这个假设还从没有人来验证，想不到证据却操在你的手里。”,76,“法国人德布罗意，本是学文科的，半路出家投身物理。但也正因此他没有我们同行中惯有的旧框子，所以倒捷足先登。他不但提出假设，还推出公式，能具体地求出粒子的波长呢。他的论文发表在法国科学院会议周报上和英国的哲学杂志上，您可以仔细研究一下。”,这两个科学家越谈越有劲，而戴维逊心里已在悄悄地说：只今天这一席谈话我就不虚此行了。拜会过玻恩之后戴维逊已无心再到哪里转了，便草草结束了这次访问。,他回到美国后，重做了两年前的实验，果然与德布罗意的预言和计算完全一致。,原来两年前的那次液态气瓶爆裂帮了他的大忙。他和革末对锌板加热、洗刷后，锌板就变成了单晶体，而任何一种波经过晶体，都会生成强度周期性的变化现象。他们真是因祸得福。,77,戴维孙革末实验,电子束在晶体表面上散射的实验，观察到和X射线衍射类似的电子衍射现象，首先证实了电子的波动性。,计算的理论值与实验值基本符合，证明了德布罗意物质波的存在。,78,汤姆逊电子衍射实验,以后，大量实验事实证明，电子，原子甚至分子等实物粒子都具有波粒二象性。,79,德布罗意因对实物波动性的发现而获1929年的诺贝尔物理学奖。戴维逊和汤姆逊因验证电子的波动性分享1937年的诺贝尔物理学奖。,80,物质波的一个最重要的应用就是电子显微镜,德布罗意的发现意味着如果能找到使电子束聚集的方法，就能将其用来放大物像。第一台电子显微镜是由德国鲁斯卡（ERuska）1932年研制成功，荣获1986年诺贝尔物理奖。,从波动光学可知，由于显微镜的分辨本领与波长成反比，光学显微镜的最大分辨距离大于0.2m，最大放大倍数也只有1000倍左右。,自从发现电子有波动性后，电子束德布罗意波长比光波波长短得多。而且极方便改变电子波的波长。这样就能制造出用电子波代替光波的电子显微镜。最大放大倍数已经达到150万倍。,81,透射式电子显微镜，近几年来，一种新型的扫描电子显微镜，逐步发展起来,磁聚焦,磁场成了一个透镜电子变成了光,82,(1)质量为10克的小球以100ms-1的速度运动；(2)质子以1.0104ms-1的速度运动；(3)自由电子的动能为54eV。,例题：求下列情况下的物质波波长：,解：根据德布罗意公式：,观测不到,83,对于宏观粒子来说，波长非常小以至很难观测到，宏观物体的运动几乎不显示波动性，可以过渡到经典物理。例如第一种情况。在第二种和第三种情况中，波长与X射线的波长相当，所以微观粒子的波动性不可忽略,观察其衍射需要利用晶体。,结论：,84,一切物质（包括光和实物粒子）都具有波粒二象性，这一概念的提出及其被实验事实所证实，揭示了物质世界所具有的普遍属性。,量子论翻开“波粒统一”一页“概率波”,怎样理解波粒二象性?物质波的本质？怎样把粒子性(颗粒性，集中于一点)与波动性(连续性，扩展于空间)统一起来？！,85,2概率波,关于“波粒统一”历史上两种典型的看法,一、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)；,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。,86,如果减弱入射电子束的强度,使电子一个一个依次通过双缝,当电子数很少时,呈现的是杂乱的点,说明电子确实是粒子(电子到达何处完全是无规律的)。,则随着电子的积累,将逐渐显示衍射图样(有规律)。,当电子数很多时,就显示出明晰的条纹,与大量电子在短时间内通过双缝后形成的条纹相同.,电子逐个穿过双缝的衍射实验,一个电子在许多次相同实验中的统计结果,87,什么是统计规律性,大量偶然（无规律）事件从整体上反映出来的一种规律性。,尽管单个电子的运动是无规律的,但是大量电子在一定的条件下呈现出统计规律性。,(如双缝)：粒子性波动性,二、概率波,玻恩认为德布罗意波是一种概率波,并且通过统计性把波和粒子两个截然不同的经典概念联系起来。,88,1、波函数,引入能体现微观粒子“波粒二象性”的波函数,玻恩假定：,t时刻，粒子在空间r处的单位体积中出现的概率，又称为概率密度。,(1)时刻t,粒子在空间r处dV体积内出现的概率,(2)归一化条件(粒子在整个空间出现的概率为1),概率波给出的结果服从统计规律性，它不能预言粒子必然在哪里出现，只能预言粒子出现的概率。,用波函数完全描述量子状态是量子力学的基本假设之一。,89,玻恩的波函数的概率解释-量子力学的基本原理之一(基本假设)MaxBorn荣获1954年NobelPrize(forhisfundamentalresearchinquantummechanics,especiallyforhisstatisticalinterpretationofthewavefunction),玻恩经常组织学术活动，每周一次的“物理结构讨论班”吸引了大批学生。讨论班的形式是活泼的，不拘礼节，允许争论。20年代先后参加讨论班的主要成员有泡利、海森堡、奥本海默、康普顿、狄拉克等。这个讨论班对来量子力学的发展有决定性的作用。玻恩吸引学生的一个重要原因是他的亲切。他经常和学生打成一片，一起参加散步、野餐、讨论各类问题。,MaxBorn72岁获NobelPrize,90,玻恩于1924年率先提出量子力学这一专业术语。随后奠定了量子力学的几率诠释，确立了非决定论的思想。,玻恩对波函数作出的统计解释导致了科学思想的一次重大革命，实现了人类认识史上的又一次飞跃，非决定论的思想成为现代以系统辩证性思维方式为特征的思维方式的重要组成部分，它对信息论、控制论、耗散结构理论、模糊数学和灰色系统理论等的提出都产生了一定的影响。,迟到了22年的荣誉,但1932年瑞典皇家科学院把诺贝尔物理学奖授予海森堡，却没把同样的荣誉授予他的老师和合作者、波函数统计解释的创始人玻恩，这使很多人大为吃惊。好在瑞典皇家科学院终于在1954年弥补了这一缺憾，只是这一年，玻恩都已经72岁了。,91,但是，波函数的统计解释或者说几率波概念只是从现象上为人们提供了一种描述方法，或者说只是提供了一个唯象的解释，并没有从本质上说明问题。,因而量子力学只是一个唯象的理论，它虽然取得了令人信服的辉煌成就，但由于它的理论基础物质的波粒二象性的本质问题没有解决，所以从某种意义上说，整个量子力学就像是辉煌壮丽的空中楼阁。关于量子力学的完备性问题物理学家们已经争论了几十年，现在还处于喋喋不休的争论之中。,92,量子论翻开“苦涩”一页：海森堡“不确定关系”,经典物理：由t=0时粒子坐标、动量任意t时粒子坐标、动量粒子的轨道(经典的决定论),人们很自然地用描写宏观粒子的方法(坐标、动量)去描述微观粒子。,然而统计解释的非决定论必然导致,93,海森伯是二十世纪另一位大物理学家，1925年23岁时在德国物理学杂志上发表一篇论文，题目是关于运动学和动力学的量子力学解释。海森伯认为量子力学的问题不能直接用不可观测的轨道来表述，应该采用跃迁几率这类可以观测的量来描述。引导了量子力学的发展。,有人说这是三百年来物理学史上继牛顿的数学原理以后影响最深远的一篇文章。,可是这篇文章只开创了一个摸索前进的方向，此后两年间还要通过玻恩、狄拉克、薛定谔、玻尔等人和海森伯自己的努力，量子力学的整体架构才逐渐完成。量子力学使物理学跨入崭新的时代，核能发电、核武器、激光、半导体元件等都是量子力学的产物。,为了表彰在建立量子力学中的重大贡献海森伯获得1932年诺贝尔物理学奖,94,海森伯所有的文章都有一共同特点：朦胧、不清楚、有渣滓，读了海森伯的文章，你会惊叹他的独创力，然而又觉得很难弄清楚他究竟想说些什么。,狄拉克的文章给人“秋水文章不染尘”的感受，而海森伯的文章完全不同，二者对比清浊分明。,(1)海森伯当时的工作、后人的评价、,(2)海森伯学术研究,1927年海森伯首先提出了测不准原理：两个确定微观粒子运动的参数：位置和速度。,不过，任何时候也不可能同时准确地确定这两个参数。,如果进行实验测量，如精确地测定粒子在特定时刻所处的位置，那么运动即遭到破坏，以致以后不可能重新找到该粒子。反之，如果精确地测出它的速度，那么它的位置图象就完全模糊不清。,95,微观粒子具有物质波的波动性且不可忽略，其运动不可用准确的坐标、动量、轨道来描述。,据说海森伯1927年从云室中观察到电子轨迹粗大而发现了电子坐标是不确定的。,电子枪,3不确定度关系（测不准原理现在称不确定关系）,电子径迹,1、坐标和动量的不确定关系,96,海森伯认为，一定是电子的位置存在着某种不确定关系，海森伯通过对电子单缝衍射等若干“理想”实验的分析研究后，提出了微观粒子的不确定关系。,单缝衍射实验如右图所示：,a是单缝宽度；,是衍射角。,P为衍射电子动量；,根据光的衍射规律，单缝衍射强度最小的条件是：,对单个粒子来说，穿过狭缝后可以在衍射角范围内到达屏上的任何位置。,97,由于电子的波动性，我们只知电子穿过了狭缝，但无法准确测定它通过狭缝的那一点和到达屏上的那一位置。,两个“不确定”,如果用坐标x和动量Px来描述单个电子在x方向的运动状态，那么狭缝的宽度a就是电子坐标的不确定量，即,（无法准确测定它通过狭缝的那一点）,（无法准确测定它到达屏上的那一位置）,可以决定电子的动量Px的不确定量,电子的动量Px在零与Psin之间，而无法确定其量值，即电子动量Px的不确定量：,98,以代入上述单缝衍射公式得：,（无法准确测定它通过狭缝的那一点）,（无法准确测定它到达屏上的那一位置）,称为不确定关系式，它对所有微观粒子都适用。,量子力学公式：,99,该式说明，对微观粒子的坐标和动量不可能同时进行准确的测量。如果坐标测量得越准确，则动量测定的偏差就越大，反之亦然。,2、能量和时间的不确定关系,原子光谱线都有一定的频率宽度，说明原子能量有一个不确定量E。原子处于某激发态存在一个平均寿命（平均发光时间），说明原子处于激发态的时间也有一个不确定量t。,能量和时间的不确定关系是：,该式说明，对微观粒子的能量和时间不可能同时进行准确的测量。,100,牛顿力学的适用度,在相对论力学中，真空中的光速c是实物粒子运动的上限，同时也是能量和信息传播速度的上限。这个常数c为我们提供了相对论和非相对论考虑问题的判据。,当速度比光速小得多时，非相对论理论已足够精确了。在这种情况下，牛顿力学是非常适用的。,当速度与光速可相比拟时，相对论效应十分明显。在这种情况下，牛顿力学不再适用。,101,在研究微观粒子的运动规律时，是否也存在一个类似的判据和一个类似与光速c那样的自然常数，使之成为量子物理和非量子物理处理问题的判据呢？,这个判据和常数就是不确定关系和普郎克常数h。,在一个物理体系中，若具有h量纲的任何动力学变量用h来量