量子物理 市公开课获奖课件

1、 量子物理研究对象改变引起危机 一系列重大试验发觉无法用典型物理理论来解释，迫使 物理学家跳出老式典型物理理论框架，最后造成了量子物理诞生！第1页第1页1 黑体辐射和普朗克能量子假说一. 基本概念1. 热辐射比如：加热铁块 第一章 波粒二象性辐射能量按频率分布随温度而变电磁辐射温度 电磁波短波成份2. 光谱辐射出射度 M 单位:W/(m2Hz)单位时间内从物体单位表面发出频率在附近单位频率间隔内电磁波能量。开始发光暗红橙色兰白色 第2页第2页3.平衡热辐射4. 试验表明辐射能力越强物体，吸取能力也越强二. 黑体和黑体辐射基本规律1. 黑体能完全吸取各种波长电磁波而无反射物体，M 最大且只与温度

2、相关而和材料及表面状态无关物体辐射能量等于在同一时间内所吸取能量，物体达到热平衡，称为平衡热辐射。此时物体含有固定温度。 第3页第3页2. 维恩设计黑体3. 维恩黑体辐射公式4. 瑞利金斯公式维恩公式瑞利金斯公式高频符合试验结果“紫外劫难”第4页第4页5. 普朗克公式在全波段与试验结果惊人符合！普朗克假定（19）：h= 6.626075510 -34 Js 普朗克常数E = nh n0,1,2,3，谐振子以能量子发射或吸取能量“量子”概念提出获19诺贝尔物理学奖能量量子化 (不连续) ! 第5页第5页6.由普朗克公式可导出两条试验定律 斯特藩玻尔兹曼定律 维恩位移定律 = 5.6710-8 W

3、/m2K4M黑体所有辐射出射度黑体辐射中，光谱辐射出射度最大光频率随温度改变6000K4500K3000K测量高温、遥感和红外追踪等物理基础。第6页第6页 红外辐射热象图 红外夜视仪拍照片 炼钢热辐射第7页第7页 室温下，反射光 1100K，本身辐射光一个黑白花盘子两张照片第8页第8页2 光电效应一. 光电效应试验1光电效应光电子2试验装置光金属发射电子：光电流KAGD光GV第9页第9页3. 试验规律4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa2） Uc= K - U0与入射光频率相关1）iim2im1I2I1(光强I2 I1)oU-Uc饱和光电流强度im

4、 入射光强与入射光强度无关第10页第10页3） 只有当入射光频率 v不小于一定频率v0时，才会产生光电效应 0 称为截止频率或红限频率4）光电效应是瞬时发生只要入射光频率 0，无论光多微弱， 从光照射阴极到光电子逸出，驰豫时间 不超出10-9s。第11页第11页二.典型物理学所碰到困难按照光典型电磁理论： 光波能量分布在波面上，阴极电子积 光波强度与频率无关，电子吸取能量也与频率无关，更不存在截止频率！累能量需要一段时间，光电效应不也许瞬时发生！第12页第12页 光量子含有“整体性” 电磁辐射由以光速c 运动局限于空间 某一小范围光量子（光子）构成，E = h1.爱因斯坦光量子假设(1905)

5、2. 对光电效应解释逸出功A电子逸出金属表面克服阻力所需功三.爱因斯坦光量子论第13页第13页当 A/h时，不发生光电效应。红限频率光电效应方程四.光波粒二象性1. 近代认为光含有波粒二象性在有些情况下，光突出显示出波动性；而在另一些情况下，则突出显示出粒子性。光电效应瞬时性第14页第14页第15页第15页2. 基本关系式粒子性：能量E ，动量P，质量m波动性：波长 ，频率光子描述光性质基本关系式第16页第16页例图中所表示为在一次光电效应试验中得出曲线 （1）由图中数据求出普朗克恒量 。 （2）该金属光电效应红限频率。第17页第17页光电管阴极用逸出功A=2.2 eV金属制成，今用一单色光照

6、射此光电管，阴极发射出光电子，测得截止电压为5 V，求：（1）光电管阴极金属光电效应红限波长？（2）入射光波长？（普朗克恒量 ）基本电荷第18页第18页3 . 康普顿散射1. 康普顿研究X射线在石墨上散射准直系统入射光 0 散射光探测器石墨散射体散射X射线中有波长变大现象2. 康普顿解释 X射线光子与“静止”“自由电子”弹性碰撞 碰撞过程中能量与动量守恒反冲电子第19页第19页波长偏移电子康普顿波长3. 康普顿散射试验意义过程讨论：光子将一部分能量传给电子，变小，增长 一部分光子波长不变，称为瑞利散射 证实了光波粒二象性 光子与粒子作用过程严格遵守动量、能量守恒X射线康普顿效应明显第20页第2

7、0页例:波长00.01nmX射线与静止自由电子碰撞。在与入射方向成90角方向上观测时，散射X射线波长多大？反冲电子动能和动量各如何？ 1. 2. 3.反冲电子取得最大动能？第21页第21页光子能量为0.5MeVX射线，入射到某种物质上而发生康普顿散射，若反冲电子动能为0.1MeV，则散射光波长改变量与入射光波长之比为？P174 选择题1第22页第22页光波粒二象性光子光波能量E动量P频率n波长lE=h nP=h/ l4 粒子波动性一. 德布罗意假设实物粒子含有波动性光(波)含有粒子性粒子粒子波能量Emc2动量P=mv频率nmc2/h波长l=h/P=h/mv与粒子相联系波称为物质波或德布罗意波德

8、布罗意公式l：德布罗意波长量子力学基础就是波粒二象性思想第23页第23页二试验验证电子通过镍单晶衍射试验1.1927年，戴维逊和革末试验dq德布罗意波长 l1.671010 m与试验结果相符第24页第24页电子通过多晶薄膜衍射试验电子单缝、双缝、三缝和四缝衍射试验2.1927年G.P汤姆逊试验3.1961年约恩逊多晶薄膜电子束1937年戴维逊革末和G.P汤姆逊取得诺贝尔奖1929年德布罗意因其博士论文取得诺贝尔物理学奖第25页第25页4. 中子、质子等微观粒子也含有波粒二象 性，德布罗意公式也合用。例: 计算电子通过U1=100V和U2=10000V电压加速后德布罗意波长1和2各是多少？解：电

9、子动能为第26页第26页假如电子运动速度与光速能够比拟，则当电子动能等于它静止能量2倍时，其德布罗意波长为多少？ (普朗克常量h =6.6310-34 Js，电子静止质量me=9.1110-31 kg)第27页第27页练习1. 求动能为1.00105ev电子德布罗意波长。 （me=9.11 10-31Kg）练习2. 中子德布罗意波长为1A，求其速度和动能。 （m中子=1.675 10-27Kg）例1.5 m=0.01kg，v=300m/s子弹？h极其微小，宏观物体波长小得试验难以测量“宏观物体只表现出粒子性”第28页第28页一. 关于粒子波粒二象性德布罗意波本质是什么？6 概率波与概率幅1.在

10、典型物理中粒子：“颗粒性”集中于一点（整体性），拟定位置、速度、运动轨迹。波：某种实在物理量空间分布在作周期性改变(连续性，扩展于空间)统一起来？第29页第29页2.“波是由粒子构成”认为波是大量粒子构成；波动性是大量粒子互相作用而形成， 但这和单个粒子就含有波动性相矛盾。一、历史上两种典型见解把微观粒子看作是典型粒子和典型波混合体。1.“粒子是由波构成”把粒子看作是由诸多波构成波包，但波包在媒质中要扩散、消失(和粒子性矛盾)。第30页第30页物质波：描述粒子在各处被发觉概率二、概率波1.概率波 对光辐射(电磁波)，爱因斯坦19波动观点：光强E2粒子观点：光强 某处光子数 E2 某处发觉一个光

11、子概率 玻恩1926年提出德布罗意波是概率波第31页第31页对机械波有物质波波函数：2.波函数量子力学中引入波函数定义：时刻t，在点（x,y,z)附近单位体积内发觉粒子概率概率密度概率幅波函数称为概率幅物质波强度也应与波函数中振幅平方成正比粒子到达该处概率第32页第32页3. 电子双缝衍射现象12 单个电子去向是概率性，但在一定条件下 （如双缝），又有拟定规律.微观粒子相应物质波不是典型波是概率波明纹处：电子到达数量多（对大量粒子）粒子到达该处概率大物质波本质：描述粒子在空间出现概率第33页第33页70000个起源于“一个电子”所含有波动性，而不是电子间互相作用结果。 若使一个电子重复多次通过

12、缝，会出现相同衍射图样。第34页第34页子弹对双缝乱射，观测屏上枪眼强度分布。两缝都打开时强度分布是两缝分别打 开时强度直接相加 n12 = n1 + n2 无干涉现象。机枪双缝试验12电子双缝衍射现象微观粒子不是典型粒子！第35页第35页4.概率幅叠加1 缝单独开：2 缝单独开：应为概率幅叠加交叉项即为干涉项1、2 都开：物质波干涉，是由于概率幅线性叠加产生。微观粒子物质波是一个几率波，这种几率仿佛一只无形手控制着电子出现在空间某一位置几率。第36页第36页 5. 波函数统计诠释涉及对世界本质结识争论至今未息哥本哈根学派：爱因斯坦狄拉克概率波哲学意义： 在已知给定条件下，不也许准确地预知结果

13、，只能预言一些也许结果概率。即没有严格因果关系！波恩、海森堡粒子波概率性就是自然界最后本质德布罗意“上帝是不会跟宇宙玩掷骰子游戏”最后解释应当是一些变量完全拟定数值演变结果第37页第37页7 不拟定性关系典型力学中：位置、动量能够同时准确拟定量子概念下：由于概率性，粒子不再含有拟定位置xZqa 位置不拟定 xa 动量不拟定 px psinq 由 = h/ p 得x pxh从而也就不含有拟定动量电子单缝衍射中位置与动量：缝宽a越小，中央明纹分布越宽x sinx 越小， px越大 x越大， px越小第38页第38页2.位置和动量不拟定关系：1927年海森堡提出不拟定关系,1932年获诺贝尔奖假如测

14、量一个粒子位置不拟定范围是x ，则同时测量其动量也有一个不拟定范围px，且满足:不拟定性关系是物体固有性质，自然界主线属性3.能量和时间不拟定关系：基态能级最稳定，时间长，测得E准，相应能级窄；激发态时间短，易跃迁，能级宽。不能同时准确测量粒子位置和动量第39页第39页例1.8 原子线度为1010 m，求原子中电子速度 不拟定量。例1.7 设子弹质量为0.01kg，枪口直径为0.5cm，试用不拟定性关系计算子弹射出枪口时横向速度。第40页第40页练习：同时测量动能为1Kev做一维运动电子位置与动量时，若位置不拟定值在0.1nm内，则动量不拟定值百分比 p/p至少为何值？（me=9.1110-31Kg 1ev=1.6 10-19J h=6.63 10-34Js）第41页第41页典例3：光子波长为3000假如拟定此波长准确度为/=10-5，试求此光子位置不拟定量。 第42页第42页典例3：已知电子德布罗意波长与光子波长相同。 （1）它们动量大小是否相同？ （2）它们总能量是否相同？（1）（2）而相同，故p