最新大学物理第14章

1、量 子 物理 物理学的分支及发展的趋势物理学的分支及发展的趋势物理学物理学经典物理经典物理现代物理现代物理力学力学热学热学电磁学电磁学光学光学相对论相对论量子论量子论时间时间 t关关键键概概念念的的发发展展力学力学电磁学电磁学热学热学相对论相对论量子论量子论1600 1700 1800 190019 世纪末世纪末,物理学晴朗天空飘着的物理学晴朗天空飘着的两朵乌云两朵乌云：量子力学的诞生量子力学的诞生相对论的建立相对论的建立对称性对称性破缺破缺夸克的夸克的禁闭禁闭黑体辐射黑体辐射迈克尔逊实验迈克尔逊实验原子物理原子物理核能核能半导体半导体超导体超导体计算机计算机激光激光 从经典物理学到量子力学过

2、渡时期的从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出三个重大问题的提出 光电效应光电效应 康普顿效应。康普顿效应。 黑体辐射问题，即所谓黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难紫外灾难”。 原子的稳定性和大小。原子的稳定性和大小。近年来的发展：近年来的发展：* 粒子物理粒子物理 高能加速器产生新粒子，已发现高能加速器产生新粒子，已发现300种。种。 麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。* 天体物理天体物理: 运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球进行观运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典

3、、量子、测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、量子、相对论、等离子体物理和粒子物理。相对论、等离子体物理和粒子物理。* 太阳中微子问题太阳中微子问题 * 引力波存在的问题引力波存在的问题 * 物体的速度能否超过光速的问题物体的速度能否超过光速的问题 * 生物物理生物物理: 有机体遗传特性研究有机体遗传特性研究 * 有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计物理、有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计物理、 x射线、和核磁共振射线、和核磁共振技术等）。技术等）。* 非平衡热力学及统计物理非平衡热力学及统计物理 物理学发展的总趋向：物理学发展的总趋向：* 学科之间的大综合。学科之间

4、的大综合。* 相互渗透结合成边缘学科。相互渗透结合成边缘学科。生物物理、生物化学、物理化学、量子化学生物物理、生物化学、物理化学、量子化学量子电子学、量子统计力学、固体量子论。量子电子学、量子统计力学、固体量子论。二十世纪物理学中两个重要的概念：二十世纪物理学中两个重要的概念：场和对称性场和对称性量子计算量子计算量子计算机：并行，量子计算机：并行，np等难题等难题实现量子计算的途径：实现量子计算的途径：bec，nmr计算机：机械齿轮、半导体、集成快、纳米芯片计算机：机械齿轮、半导体、集成快、纳米芯片量子通讯与量子密码量子通讯与量子密码rsa公约密码体系：公约密码体系：大数的因式分解大数的因式分

5、解量子通讯具有量子通讯具有天然的保密性天然的保密性量子力学的诞生与发展量子力学的诞生与发展普朗克普朗克能量子假说能量子假说爱因斯坦爱因斯坦光量子假说光量子假说191819211922康普顿康普顿康普顿效应康普顿效应 量子概念的形成量子概念的形成波尔波尔原子结构原子结构1927量子力学的诞生量子力学的诞生海森堡创立量子力学海森堡创立量子力学1932 nobel price1933 nobel price薛定谔、狄拉克引入量子力学波动方程薛定谔、狄拉克引入量子力学波动方程波恩统计解释波恩统计解释1954 nobel price第第1414章章 光的量子理论光的量子理论14-1 黑体辐射黑体辐射 普

6、朗克能量子假说普朗克能量子假说14-2 光电效应光电效应 爱因斯坦光电方程爱因斯坦光电方程14-3 康普顿效应康普顿效应14-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假说普朗克能量子假说实验表明：一切物体是以电磁波的形式向外辐射和吸收能量。实验表明：一切物体是以电磁波的形式向外辐射和吸收能量。),(0tm1700k1500k1300k绝对黑体：能全部吸收外来辐射而无反射的物体。绝对黑体：能全部吸收外来辐射而无反射的物体。黑体辐射的特点：黑体辐射的特点：能量按波长的分布曲线仅能量按波长的分布曲线仅与黑体的温度有关，而与与黑体的温度有关，而与其形状与组成无关其形状与组成无关 普朗克能量子假说普朗克能量子

7、假说 * 存在着能量的最小单元存在着能量的最小单元能量子能量子 =h 普朗克常数：普朗克常数：h=6.62606876(52) 10-34 js。* 物体只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量物体只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量普朗克假说圆满地解释了普朗克假说圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，绝对黑体的辐射问题，突破了经典物理学在微观突破了经典物理学在微观领域的束缚，打开了认识领域的束缚，打开了认识光的微粒性的途径光的微粒性的途径普朗克理论值普朗克理论值维恩理论值维恩理论值),(0tm实验实验t=1646k瑞利瑞利-琼斯琼斯瑞利瑞利-琼斯琼斯 =1.0 1014 hz , =h =6.

8、6 10-20 j14-2 光电效应光电效应 一、光电效应的光电效应的实验规律实验规律及经典理论的困难及经典理论的困难经典理论认为光的能量只取决与光强而与频率无关。经典理论认为光的能量只取决与光强而与频率无关。ug 光电子的能量只与光的频率光电子的能量只与光的频率有关有关 光的强度只影响光电子的数光的强度只影响光电子的数目目 只要频率高于红限，既使只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；光强很弱也有光电流； 频率低于红限时，无论光频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。强再大也没有光电流。 二、爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说ahmv2021爱因斯坦在能量子假说爱因斯坦在能量子假说的基

9、础上提出光子理论：的基础上提出光子理论：光子理论成功地解释了光电效应，光子理论成功地解释了光电效应，使人们对光的本质有了更深入的认识。使人们对光的本质有了更深入的认识。h一个频率为一个频率为 的光子具有能量的光子具有能量光子假说对光电效应的解释：光子假说对光电效应的解释：认为光不仅在与物质相互认为光不仅在与物质相互作用时（发射和吸收），作用时（发射和吸收），具有粒子性，而且在传播具有粒子性，而且在传播过程中也有粒子性过程中也有粒子性光子光子光的频率决定光子的能量，光的强度只决定光子的数目光的频率决定光子的能量，光的强度只决定光子的数目逸出功逸出功hhchp三、光子的能量、动量和质量三、光子的能

10、量、动量和质量2mch相对论质能关系：相对论质能关系：chchm2光子的质量光子的质量：光子的静止质量为零光子的静止质量为零220/1cvmm224202pccm光子的能量光子的能量光子的运动质量光子的运动质量光子的动量光子的动量：光的粒子性光的粒子性(e,p) 和波动性（和波动性（ ）联系在一起联系在一起.,g10530m14-3 康普顿效应康普顿效应一、一、compton散射发现的历史散射发现的历史1904， eve， 首先发现首先发现? 射线散射的变波长现象射线散射的变波长现象1910， florance，发现发现? 射线散射的变波长特性射线散射的变波长特性1913， gray， 精确测

11、量精确测量 ? 射线的散射强度射线的散射强度1920， gray， 首次观测到首次观测到x 射线散射的变波长特性射线散射的变波长特性1919， compton 精确测量精确测量 ? 射线的波长射线的波长1921， compton 研究研究x 射线的散射特性射线的散射特性1922， compton 发表了明确的发表了明确的compton效应的实验结论效应的实验结论1923， compton 用光量子假说解释了用光量子假说解释了compton效应效应波长变长的散射称为康普顿散射波长变长的散射称为康普顿散射,也称康普顿效应也称康普顿效应二、二、实验现象实验现象x射线射线7.1nm探测器探测器c1c2

12、a1 a2wbs石墨晶体石墨晶体准直系统准直系统散射角散射角i =0o i =45oi =90oi =135o 00正常散射正常散射波长变长的散射波长变长的散射称为康普顿散射称为康普顿散射而无法解释有而无法解释有 的存在及康普顿效应的实验的存在及康普顿效应的实验规律。规律。 * 波长的增加量波长的增加量 与散射角与散射角 有关。有关。0实验规律：实验规律： * 当散射角当散射角 确定时，波长的增加量确定时，波长的增加量 与散射物质的与散射物质的 性质无关。性质无关。 * 康普顿散射的强度与散射物质有关。康普顿散射的强度与散射物质有关。 原子量小的散射物质，康普顿散射较强，原子量小的散射物质，康

13、普顿散射较强， 即正常峰较低。反之相反。即正常峰较低。反之相反。经典电磁理论只能说明有正常散射存在，经典电磁理论只能说明有正常散射存在，即散射光的频率与入射光频率相等。即散射光的频率与入射光频率相等。三、三、光子学说对康普顿散射的解释光子学说对康普顿散射的解释2200mchcmhvmnchnch00系统能量守恒：系统能量守恒：系统动量守恒系统动量守恒：220/1cvmm其中其中nchh2mcvm0h00nch)cos1 (00 cmhcc x射线光子与射线光子与“静止静止”的的“自由电子自由电子”弹性碰撞弹性碰撞)cos1 (00cmhcc2sin22sin22200ccmhnmcmhc002

14、43. 00 康普顿波长康普顿波长康普顿散射进一步证实了光具有波粒二象性，康普顿散射进一步证实了光具有波粒二象性，证明了光子能量、动量表示式的正确性。证明了光子能量、动量表示式的正确性。另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。动量守恒定律。与散射物质无关与散射物质无关与入射波长无关与入射波长无关与散射角有关与散射角有关 效应的强弱与散效应的强弱与散射物质有关射物质有关光子光子电子电子0 hmv h0m康普顿效应康普顿效应光电效应光电效应例例1. 波长为波长为 2.0a0 的的x射线射到碳块上，由于康普顿射线射到碳块上，由于康普顿 散

15、射散射 ，频率改变，频率改变 0.04。求：求：(1)该光子的散射角该光子的散射角(2) 反冲电子的动能反冲电子的动能解：解：（1） c )(2 c %04. 0)cos1(c解出：解出： 75.14 967. 0cos（2）221mvek 202kcmmce%)04.01(%04.0 2 hcev 49.2 c 0.04% 2c hhek)( hccch c?2220121vcvm 小结：小结： 黑体辐射黑体辐射 光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应 光的波粒二象性：光具有波动和微粒的双重性质光的波粒二象性：光具有波动和微粒的双重性质光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射光的电磁理论光的电磁理论

16、肯定了光的波动性肯定了光的波动性 证实了光具有粒子性证实了光具有粒子性/hph14-4 14-4 玻尔原子量子论玻尔原子量子论一、氢原子光谱实验一、氢原子光谱实验)3,4,5,6(n 422 nnb a6 .3645 b)121(122nr ), 6 , 5 , 4 , 3( n里德伯常数的里德伯常数的实验值：实验值： 1710096776. 14 mbr2.巴尔末系的里德伯公式（巴尔末系的里德伯公式（1885-1889）经验公式经验公式1. 氢原子光谱氢原子光谱,4 ,3 ,2)111(122 nnr ,6 ,5 ,4)131(122 nnr ,7 ,6 ,5)141(122 nnr ,8

17、,7 ,6)151(122 nnr 赖曼系赖曼系(1914)：帕邢系帕邢系(1908)：布喇开系布喇开系(1922)：普丰特系普丰特系(1924)：3. 广义的巴尔末公式：（氢原子光谱的其它线系）广义的巴尔末公式：（氢原子光谱的其它线系）)11(22nkr 2,k , 1, 3 , 2 , 1 knk紫外区紫外区红外区红外区原子具有线光谱；原子具有线光谱；实验表明：实验表明：各谱线间具有一定的关系；各谱线间具有一定的关系；每一谱线的波数都可表达每一谱线的波数都可表达 为两个光谱项之差。为两个光谱项之差。2kr2nr其中：其中：和和称为称为光谱项光谱项1、 原子的核式结构原子的核式结构卢瑟福的核

18、式模型或称行星模型卢瑟福的核式模型或称行星模型 粒子是二次电粒子是二次电离的氦原子。离的氦原子。10-14m二、经典理论解释困难二、经典理论解释困难*加速电荷（偶极振荡）要辐射电磁波，能量会逐渐减加速电荷（偶极振荡）要辐射电磁波，能量会逐渐减少，导致电子最终会落到原子核上。少，导致电子最终会落到原子核上。* 偶极辐射电磁波，应为连续光谱。偶极辐射电磁波，应为连续光谱。2. 核式模型解释困难：核式模型解释困难：向心力作用向心力作用电子加速运动电子加速运动辐射电磁波辐射电磁波e ，r 辐射光谱应是连续光谱辐射光谱应是连续光谱 与实验相矛盾与实验相矛盾三、玻尔的原子量子论三、玻尔的原子量子论玻尔玻尔

19、(1885-1962)：1911年、哥本哈根年、哥本哈根剑桥剑桥 )11(22nkrc 1. 广义的巴尔末公式：广义的巴尔末公式：22nhrckhrch 光子的能量光子的能量=能量之差。能量之差。1913哲学杂志哲学杂志原子构造与分子构造原子构造与分子构造汤姆逊汤姆逊(卡文迪许）、卢瑟福（曼彻斯特）卡文迪许）、卢瑟福（曼彻斯特）普朗克、爱因斯坦普朗克、爱因斯坦)11(22nkr c 获得获得19221922年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖1） 定态假设定态假设：原子处于一系列不连续稳定状态原子处于一系列不连续稳定状态(定态定态)。3）轨道量子化条件：轨道量子化条件： 2） 跃迁假设（频率条件）跃迁假设（频率条件）：3. 玻尔的氢原子理论：玻尔的氢原子理论：, 3 , 2 , 14222 nmenron 2. 玻尔原子系统的基本假设玻尔原子系统的基本假设 , ,321neeeeheeknkn )( 321 eeeneke)1,2,(n 2 hnnl量子数量子数mvr轨道是量子化的轨道是量子化的1）氢原子的轨道半径：氢原子