量子物理与诺贝尔奖课件

1、量子物理19 世纪末，物理学晴朗的天空 飘着几朵乌云物理学面临严重的危机!黑体辐射光电效应康普顿效应氢原子光谱实验规律 .热辐射由于分子或原子的热运动使物体辐射电磁波的现象一、热辐射黑体辐射频率为 光谱辐出度：单位时间内从单位表面积上所发出的频率在 附近单位频率区间的电磁波的能量二、黑体辐射密闭空心容器，开一小孔黑体辐射的实验规律瑞利金斯公式紫外灾难！维恩公式瑞利金斯公式在低频范围与实验曲线相符合在高频范围与实验曲线相符合普朗克公式与实验曲线相符合维恩公式实验曲线普朗克公式普朗克能量子假设谐振子能量 E n h n=0,1,2,h = 6.6310 -34 Js -普朗克常量能量子: E h黑

2、体辐射的实验定律1）斯特藩-玻耳兹曼定律 = 5.6710-8 W/m2K42）维恩位移律b = 2.89775610-3 mKC= 5.8801010 HzK-13）存在遏止频率O （又称红限）称为红限频率 阴极金属材料满足： K:与金属材料无关的常量, Uo :与金属材有关的常量产生光电效应的条件：结论：当入射光频率小于o时，不管照射光强度多大，都不会产生光电效应4）爱因斯坦对光电效应的解释爱因斯坦认为：每一个光子的能量等于 E h一束光是一粒粒以光速运动着的粒子流，这些粒子称作光量子，也叫光子。 为光子的频率，h 是普朗克常量。光电效应方程：A：逸出功存在红限频率4）爱因斯坦对光电效应的

3、解释三.康普顿效应1、 x 射线散射实验装置 是散射光线与原入射光线的夹角，称作散射角x 射线源准直系统x 射线谱仪石墨散射光 2、实验结果: 散射线中有与入射线波长相同的射线 = 0 正常散射（瑞利散射）散射线中有大于入射线波长的射线 0 反常散射（康普顿效应） 2、实验结果: 散射线中有与入射线波长相同的射线（= 0 ）正常散射 瑞利散射散射线中有大于入射线波的射线（ 0） 反常散射康普顿效应 解释: _康普顿波长 与短波的x 射线波长相当 规律:把光的散射看成是光子与原子中的电子的弹性碰撞。在碰撞过程中，遵循能量守恒和动量守恒，同时考虑到相对论效应光电效应和康普顿效应的区别和联系物理本质

4、是相同的：光子与个别电子之间的相互作用表现光的粒子性联系：区别：入射光的波长不同光电效应：可见光、紫外线。波长长康普顿效应： x 射线、 射线。波长短用可见光入射时，也可以产生康普顿效应，但波长的相对改变太小，实验中不易观察到光电效应：满足能量守恒康普顿效应：满足能量守恒；动量守恒。光子的粒子性表现的更充分赖曼系巴尔末系帕邢系布拉开系可见光区紫外区红外区二、 玻尔氢原子理论1、玻尔的三个基本假设（1）定态假设：原子只能处在一 系列 不连续的、稳定的能量状态。E1 , E2 , E3 En （定态）（2）频率跃迁假设：当原子能级 跃迁时，才发射（或吸收）光子，其频率为（3）量子化条件：稳态时电子

5、角动量应等于 的整数倍。 )1,2,(n 2Lh=p=hnnL（库仑力=向心力）由第二条假设：波数里德伯恒量与实验值符合得很好广义的巴尔末公式！ n=1为基态能量， 其大小=第一电离能五、实物波粒二象性关于光的本质的正确认识是：光具有波粒二象性，即光是波动性和粒子性的统一。德布罗意实物粒子（如电子、质子等）也具有波粒二象性的假设德布罗意公式实验验证： 代维逊革末实验 （电子衍射实验）六.不确定性（测不准）关系任何粒子的坐标和动量满足：不确定性关系（或测不准关系）还可证明：粒子处于某一运动状态的时间与具有的能量的不确定度之间满足如下关系：此关系可给出区别微观粒子或经典粒子的判据。微观粒子过渡到经

6、典粒子经典粒子：七.薛定谔方程微观粒子：经典粒子的运动状态：由位置和动量等力学量来描述的。由于存在着不确定性关系，它的位置、动量等力学量一般没有确定的值，只能计算这些量的统计平均值粒子的状态由波函数描述：1、波函数的物理意义与基本性质：根据波恩对物质波的解释：物质波的波强度（振幅大小的平方）应与粒子处于某位置（或状态）的概率成比：概率密度对自由粒子：对自由粒子：空间中任意位置出现粒子的概率相等某一个粒子任意时刻、出现在任意位置的概率必为13、波函数的归一化条件波函数的归一化条件2、波函数的标准条件波函数应为位置和时间的单值、有限、连续函数4、波函数满足的方程薛定谔方程势能定态定态薛定谔方程定态

7、薛定谔方程：典型例子：a、一维无限深方势阱中的粒子势函数0 xUE 势阱外：由于波函数有限：0 势阱内：令：则：势函数如图：当EV0时：C、势垒贯穿 仍有粒子透射出“隧道效应”八,原子中电子1、氢原子中电子状态用波函数四个量子数：主量子数 n定态薛定谔方程：轨道量子数：四个量子数：主量子数 nL：轨道角动量磁量子数：Lz：轨道角动量 的Z分量自旋角动量自旋角动量的Z 分量2、核外电子排列两条基本原理：1）泡里不相容原理：同一个状态不可能有多于一个电子存在。2）能量最低原理：电子总是处于尽可能最低的能级。s 四个量子数 n， ，ms近十年诺贝尔物理学奖1999年：亚原子粒子之间电弱相互作用的量子结构2000年：半导体研究的突破性进展2001年：玻色爱因斯坦冷凝态的研究2002年：天体物理学领域的卓越贡献2003年：在超导体和超流体领域中做出的开创性贡献2004年：粒子物理强相互作用理论中的渐近自由现象。2005年：光学一致性的量子理论的贡献，对以激光为手段的精密光谱学的贡献2006年：宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性 2007年:巨磁电阻效应2008年:亚原子物理学中自发对称性破缺机制 2009年:光导纤维和半导体研究 填空