第2章+原子的量子态.PPT.ppt

第二章原子的量子态：伏安模型，内容： 1，背景知识，2，伏安模型，3，实验验证之一：谱，4，实验验证之二，重点：伏安模型，谱，2.1背景知识，古典力学，古典电磁场理论，古典统计力学，(1)从“紫外灾害”古典理论得到的瑞利金斯公式，在高频部分是无限的。 (2)“Ethernet drift”(以太网漂移)在迈克尔逊莫雷实验中表明不存在以太网。 在物理学晴朗的天空远处，有两个小小的不安的乌云，两个困惑是“夸克封闭”和“对称性缺乏”，十九世纪中叶，物理学理论当时已经发展到相当完善的阶段，那时一般的物理现象可以用相应的理论来解释。 物体的宏观机械运动，正确遵循牛顿力学法则的电磁现象和麦克斯韦方程式中总结的热现象有完整的热力学和统计物理学物理学上空可以说是晴空。 在这种情况下，很多人认为物理学的基本规律已经完全明确，其馀的工作只是将现有规律应用到各种具体问题上，进行了一些计算。 一、黑体辐射，一、热辐射现象：无论什么温度，宏观物体都要向外辐射电磁波。 由于电磁波能量的多少以及波长的电磁波分布与温度有关，因此称之为热辐射。 热平衡现象：辐射和吸收能量正好相等时称为热平衡。 这时温度是一定的。 2、黑体的定义：某物体在任何温度下，任何波长的电磁波都完全吸收，反射和不透射时，该物体称为绝对黑体，简称黑体。 说明： (1)黑体是理想的模型。 (2)对于黑体，相同温度下的辐射规律相同。 另一方面，根据量子假言中的一个，与黑体辐射、3以及热辐射相关的物理量、单色辐射温度或热力学温度t的黑体的单位面积上、单位时间内、单位波长范围内辐射的电磁波能量被称为单色辐射温度，简称为单色辐射温度，用M(T )表示。 放射出射度在单位时间内，根据热力学温度t的黑体的单位面积，将放射的各种波长范围的电磁波的能量的总和称为放射出射度，简称为放射度。 黑体-完全吸收所有波长的电磁波，不反射的物体。 只关于温度，与材料或表面状态无关。 1、基尔霍夫定律-什么物体的辐射与同一温度下的辐射能力和吸收能力成正比，问题：实验中如何测量能谱密度(t )，2、星藩定律-黑体辐射总能力与其绝对温度的四次方成正比，3 .维也纳定律-辐射能量分布定律，维也纳位移定律，4， 瑞利-金斯定律和紫外灾害，根据古典能量自由度定律二、黑体辐射瑞利金斯公式的古典物理困难一、目的：求单色辐射度的数学公式二、瑞利金斯公式利用能量平均定理和电磁理论， 3.Wien式：辐射能量分布与麦克斯韦分子速度分布相似，1893年得到的式：4，经典的物理困难瑞利准则式在低频(长波)部分与实验曲线一致，在高频(短波)下完全不适用。 在高频部分，黑体辐射的单色辐射度随着频率变高而变为“无限大”“紫外灾害”。 Wien公式在短波范围内与实验非常一致，在长波范围内与实验大不相同。 三、普朗克假设普朗克辐射公式、普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck，18581947 )、德国物理学家、量子物理学的创始人和创始人。 普朗克的伟大成就，建立了量子理论，于1900年12月14日在德国物理学会朗读了以关于正常光谱中能量分布定律的理论为主题的论文，提出了能量的量子化假说，导出了黑体辐射的能量分布式。 这是物理学史上的一次重大变革。 从此，古典物理学统一天下的局面结束了。 劳埃称这一天为“量子论的生日”。1918年普朗克创立量子理论获得诺贝尔奖。 1899年Planck发现Wien公式仅在短波范围内与实验一致，在长波范围内与实验有很大偏差，需要进一步修正。 1900年10月，德国实验物理学家Rubens访问Planck，告诉他实验结果接近雷利金公式，Planck用启发的内插法得到Wien公式和雷利金公式结合所要求的辐射公式，发送到Rubens.Rubens后， 收到公式后认真比较，发现了满意的一致性，两天后Rubens在Planck.1900年10月19日德国物理学会议上发表了论文，但是Planck认识到这个公式是幸运推测的内推公式，没有明确的理论基础，他发现了这个公式的真正物理意义1900年12月14日，他在德国物理学会上宣读了以关于正常光谱中能量分布定律的理论为主题的论文。 Planck是量子论态度(1)对于能量子纯粹是形式的假设，对此没有多少考虑。(2)如何在古典物理系统中制作作用量子是必要的。 (3)将量子导入理论尽量慎重，绝对不必要，不能改变现有的理论。 1、普朗克假设，谐振子的能量取值是某个最小能量单位的整数倍。 即，E=n，n=1，2，3，是能量子，简称量子，n是量子数，它只能取正整数。 对于频率n的谐振器，最小能量是=hn，并且h=6.62610-34Js是普朗克常数的结论，谐振器吸收或辐射的能量只是=hn的整数倍。 2、普朗克式、3、说明、普朗克假说不仅介绍了绝对黑体辐射问题，还介绍了固体的比热问题等。 成为现代理论的重要组成部分。 从普朗克公式可以看出，施特凡波尔兹曼定律、维也纳公式、瑞利金斯公式、维也纳位移定律、施特凡波尔兹曼定律、维也纳公式、瑞利金斯公式、4、普朗克假设的意义，普朗克抛弃了古典物理中能量可以连续变化的古老观点这不仅解决了热辐射难题，还开辟了物理学研究的新局面，揭示了人类对自然规律的认识从宏观领域进入微观领域，为量子力学的产生奠定了基础。 四、黑体辐射的应用、温度测量：通过测量星谱分布来确定热力学温度热像：通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确定物体表面的温度分布的3K背景辐射：对于来自外界空间的辐射，利用Wei位移式来估计消失线高温计：测量炉温. 这个公式是普朗克从实验数据中推测出来的。 在v-0和v-时，该公式分别得到与瑞利金斯和维也纳公式相同的形式。 这个公式符合实验的事实，但是在公布时没有理论依据，普朗克公式公布之日，另一位物理学家鲁本斯将普朗克的结果与他的最新测量数据进行对照，发现两者在惊人的准确度上是一致的。 第二天鲁本斯把这个消息告诉了普朗克，普朗克决定“不惜一切代价，找到了理论上的解释”。 经过近两个月的努力，普朗克在同年12月14日的德国物理学会上，提出了电子放射能的假设e=nhv (n=1，2，3，)。 因为这个概念大大偏离了古典物理，所以这个假设提出后的5年间，没有引起人们的注意。 并且，在之后的十几年间，普朗克后悔当时的提法，通常极力隐藏这种不连续性的是“假说量子论”。Planck对量子论的态度(1)能量子纯粹是形式上的假设，对此很少考虑。 (2)在任何情况下，都需要在古典物理学系统中确立作用量子。 (3)将量子导入理论尽量慎重，绝对不必要，不能改变现有的理论。 (4)我所说的作用量子不在真空中，它只是假设。 另一方面，光电效应的实验规则1、光电效应的基本概念光照射到金属表面时，电子在金属中逃逸的现象被称为光电效应，逃逸的电子被称为光电子，由光电子产生的电流被称为光电流，使电子逃逸到某个金属表面所需要的功能被称为该金属的功能。 2 .光电效应实验装置，单色光可通过石英窗在金属板阴极上产生光电子。 k与正极、a与负极连接时，光电子离开k时，受到电场的阻碍作用。 当k、a之间的反电位差等于U0时，从k逃逸的动能最大的电子正好不到达a，电路中没有电流，所以U0被称为阻止电压。 二、根据量子假说，光电效应光的波动粒子二象性，容易发生1887年德国物理学家赫兹首次照射紫光的尖端放电，这实际上是由光电效应引起的。 当时由于没有电子的概念，其机制不为人所知。 1897年汤姆森发现了电子。 人们发现当某一频率的光照射到金属表面上时，大量的电子正从表面上逃逸，从而被称作光电效应。 (3)实验现象，(2)截止频率存在：对于某一金属，仅在入射光频率大于某一频率n0的情况下，电子能够从金属表面逃逸，在电路中存在光电流，该频率n0被称为截止频率红限(1)饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比。 一般认为光电效应是： (1)光强度越大饱和电流越大，光电子的初始动能也越大。 然而，实验上饱和电流不仅与光强度有关，还与频率有关，光电子的初始动能也与频率有关。 4、古典理论的困难；(2)只要频率高于红限，光强度弱但有光电流的频率低于红时，光强度无论多大也没有光电流。 经典认为光电效应与频率无关。 (4)瞬时性。 光能分布在波前，吸收能量需要时间，也就是说，经典认为需要能量的积蓄过程。 (4)瞬时性：只要入射光的强度无关，其频率大于截止频率，光照射到金属表面，则光电子基本上溢出(延迟时间约为10-9 s )；(3)即使入射光的频率低，只要照射时间充分长就具有光电效应，如果没有截止频率，则反之亦然2、光电效应的爱因斯坦方程式，3、光电效应解释，(1)饱和光电流强度与光强度成比例： 1905年3月发表了一篇论文，表明对于某一频率的光束，光强度越大光子数越多。 光的传播过程可以用空间连续函数来描述，但光的产生和变换过程不适用于波动理论，1、爱因斯坦光子假说1 .光束是以光速c运动的粒子流。 这些粒子称为光量子，也称为光子。 2 .光和物质的作用是光子和微粒子的作用，频率是光子的能量是=h，不能分割，只是整体被吸收或放射，频率不同。 光子的能量不同。 3 .单色光的能量密度(光强度) :单位时间垂直通过单位面积的光能与频率、光子数n的关系为：S=Nh。 (2)红色限制频率的存在：当入射光的频率低于红色限制频率n0时，hnA/h )，每光子的能量充分大，因此电子能够克服逃逸的红色限制频率n=A/h； (3)截止电压与频率呈线性关系，(4)光电效应的瞬时性：电子一次吸收光子后，得到hn的能量即刻从金属表面逃逸，无明显的时间延迟。四、光的波粒二象性，密立根1916年的实验证实了光子论的正确性，求出了h=6.5710-34焦耳秒。 光的波动性(p )和粒子性()由普朗克常数连接。 相对论的质量关系：光子的质量：光子的动量：由于光具有粒子性和波动性，例1 :对铯赋予光电效应的光的最大波长0=660nm，波长=400nm的光照射铯时，求出铯放出的光电子的速度(电子质量在此忽略了电子质量的变化)。 解：根据爱因斯坦方程，可以求解光电子的速度v，可以根据问题设定数据，计算光电子的速度，例2 .照射具有波长300nm的光的金属，求出光电子的能量：0410-19J，3360-uo -，0=？ 另外，一方面康普顿效应，另一方面，在康普顿散射康单色x射线被物质散射的情况下，在散射线中除了与入射线相同的波长的成分之外，还有波长长的成分，该波长长的散射被称为康普顿散射或康普顿效应。 2、实验装置的x射线管发出一定波长的x射线，通过光圈变成狭窄的x射线，投影到散射物质上，可以用分光器测定不同方向的散射光的波长和相对强度。 康普顿效应、3、实验现象、0、正常散射、波长变长的散射被称为康普顿散射。在一定的散射角中，有与入射光线相同的波长l和比入射光线长的波长l，dl=l- l随着角的增加而增大，但与x射线的波长l和散射物质无关。 4、古典物理学的困难：古典电磁理论只能说明存在正常的散射，即散射光的频率与入射光的频率相等的Dl的存在及其存在康普顿效应的实验规律。 1、定性解释、2、康普顿效应的解释、康普顿效应是x射线单光子与物质中受原子核束缚的弱电子相互作用的结果。 假设在碰撞过程中保存了动量和能量，电子具有能量和动量的一部分，因此散射的光量子的能量和动量相应减少，即x射线的波长变长。 2、定量计算、系统能量守恒： (1) 2(2) c 2将(4)带入(3)式： (5)，称为康普顿波长，康普顿散射证明光子论是光子能量、动量表达式的正确性，光确实具有波粒二象性，严格遵守与光相互作用过程中的能量、动量守恒定律波长的变化与散射物质无关，只依赖于散射角，由于关系式中含有普朗克常数，所以古典物理学无法说明。 在可见光、微波等散射现象不明显的x射线散射现象显着，当=0时，在波长不变的增加和波长变长的=p的情况下，Dl变为最大。 三、康普顿效应的物理意义，粒子的大角度散射肯定了原子核的存在，但核外电子的分布和运动状况仍然是风扇，光谱是原子结构的反映，因此研究原子光谱是揭示该风扇的必由之路。 光谱有时仅是记录电磁辐射的波长成分和强度分布即波长成分。 光谱是研究原子结构的重要方法之一。 (1)电磁波谱、三、谱的一般知识、(1)谱、(2)谱的观测谱产生的谱线可以通过谱会议进行观测和记录，能够一边按波长分析线，一边记录不同谱线的强度。 (3)光谱分类不同的光源有不同的光谱，发光机理也不同，根据波长的变化情况，大致可分为3类：线谱：波长不连续变化，这种类型是原子光谱带谱：波长在各区域连续变化，这就是分子光谱分光仪的构成：分光分析是研究原子内部结构的重要手段之一，牛顿在1704年表示，要了解物质内部的情况，最好用分光仪进行测定。 分光器的种类很多，基本结构大致相同，由光源、分光器和记录仪构成。 安装了照相装置，就叫做分光器。 上图是棱镜分光器的原理图，分光器：能够以不同的波长成分将混合光展开成光谱的设备