大学物理旧量子论课件

ch191.二十世纪之前的物理学—经典物理学包括力学、声学、热学、光学和电磁学等分支世间万物由八十几种元素的原子组成原子是不可再分的最小微粒，它的运动服从牛顿力学定律热就是大量分子混乱机械运动的表现，用力学规律性加上统计规律性及其处理方法可以解释存在正、负两种电荷，电磁场，电磁波，热辐射、可见光和紫外线等都是电磁波一切过程都遵从能量守恒和动量守恒定律第十九章从经典物理到量子力学§19-１前期量子论一、量子论发展历程热辐射实验迈克尔孙-莫雷实验ch191.二十世纪之前的物理学—经典物理学第十九章从经典1ch192.量子力学的建立1900-12，Planck提出能量子假设解释黑体辐射问题1905，A.Einstein用光量子理论解释光电效应1913，N.Bohr提出电子轨道的量子化解释氢原子结构和光谱1916，Sommerfeld计算了电子的椭圆轨道1923，DeBroglie提出微观粒子的波粒二象性1925，W.K.Heisenberg引入矩阵作为力学量，和M.Born、Jordan建立了量子矩阵力学1926，SchrÖdinger提出了量子波动力学；Born提出了波函数的统计解释1927，Jordan和Dirac证明了普遍的变换定理；Heisenberg提出测不准关系1930，Bohr提出互补原理

光辉岁月ch192.量子力学的建立1900-12，Planck提出2ch19Solvay1927ch19Solvay19273ch19ch194ch193.量子力学的发展-量子场论1925，Born，Heisenberg和Jordan发表了光的量子场论的初步想法1926，Dirac提出了电磁场的量子理论，解释电子自旋并预测了反物质40年代末，Feyman，Schwinger和Tomonaga提出了量子电动力学（QED）发展了量子色动力学（QCD）超弦理论，努力寻求引力的量子描述量子力学：解释物质的理论；量子场论：研究场的理论4.量子论的影响科学、哲学、技术、经济量子通讯，量子计算机它迫使物理学家们改造他们关于实在的观念；迫使他们重新审视事物最深层次的本性；迫使他们修正位置和速度的概念以及原因和结果的定义。尽管量子力学是为描述远离我们的日常生活经验的抽象原子世界而创立的，但它对我们日常生活的影响无比巨大。没有量子力学作为工具，就不可能有化学、生物、医学以及其他每一个关键学科的引人入胜的进展。ch193.量子力学的发展-量子场论1925，Bo5ch19量子力学意味着什么？波函数到底是什么？测量到底是意思？纠缠态？ch19量子力学意味着什么？6ch19二、黑体辐射普朗克的能量子假说斯特藩玻耳兹曼定律

σ斯特藩常量维恩位移律

b常量经验公式热力学理论导出ch19二、黑体辐射普朗克的能量子假说斯特藩玻耳7ch19经典物理学所遇到的困难维恩公式

瑞利金斯公式

半经验公式长波段不符合紫外灾难由经典电动力学和统计物理学理论得出短波段不符合导致辐射能量无穷大--紫外灾难

k玻耳兹曼常量ch19经典物理学所遇到的困难维恩公式瑞利金斯公式8ch19普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858―1947)德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，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》为题的论文，提出了能量的量子化假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为“量子论的诞生日”。1918年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。ch19普朗克(MaxKarlErnstLudwig9ch19普朗克的能量子假说能量子假说：对于一定频率的电磁辐射，物体只能以为hν单位发射或吸收它，其中h是一个普适常量。每个能量子的能量为h称为普朗克常量，它的1986年推荐值为普朗克公式普朗克公式经验公式ch19普朗克的能量子假说能量子假说：对于一定频率的电磁辐射10ch19三、光电效应爱因斯坦的光量子论1.光电效应的实验规律光电效应：金属及其化合物在电磁辐射照射下发射电子（光电子）的现象。1)饱和光电流Is与入射光强成正比2)截止电压随入射光频率的增加而增加，与入射光强无关3)对于每一种金属，只有当入射光频率大于一定的截止频率或红限频率时，才会产生光电效应4)光电效应瞬时发生光光电流-+KAch19三、光电效应爱因斯坦的光量子论1.光电效应的11ch192.经典物理学所遇到的困难光电效应与入射光频率无关光电效应不可能是瞬时的3.爱因斯坦的光量子论辐射场由光量子组成，每一个光量子的能量E与辐射频率的关系是普朗克爱因斯坦关系式光电效应的爱因斯坦方程光的波粒二象性ch192.经典物理学所遇到的困难光电效应与入射光频率无关312ch194.康普顿散射1927年获得诺贝尔奖单色X射线被物质散射时，散射线中除了有波长与入射线相同的成分外，还有波长较长的成分，这种波长变长的散射称为康普顿散射或康普顿效应。定性解释：在碰撞过程中，动量与能量都是守恒的，电子带走一部分能量与动量，因而散射出去的光量子的能量与动量都相应地减小，即X射线的波长变长ch194.康普顿散射1927年获得诺贝尔奖单色X射线被物13ch19电子的康普顿波长意义：进一步证实了光子论，光确实具有波粒二象性；光电过程中严格遵守能量、动量守恒定律利用光量子假说散射光波长的改变ch19电子的康普顿波长意义：进一步证实了光子论，光确实具有14ch19四、原子结构和原子光谱玻尔的量子论1.原子的核式结构电子和放射性的发现揭示原子是由正负电荷组成的汤姆孙的葡萄干蛋糕模型卢瑟福的原子核式结构经典物理原子坍塌连续光谱2.原子光谱不同的原子辐射不同的谱线巴耳末公式里德伯常量氢原子ch19四、原子结构和原子光谱玻尔的量子论1.原子的15卢瑟福（E.Rutherford，1871-1937）英国物理学家，出生于新西兰。1859年成为卡文迪许实验室主任J.J.Thomson的研究生。1899年1月发现铀盐放射出α射线和β射线，并提出天然放射性的衰变理论和衰变定律。天然放射性的发现与电子和X射线的发现，是20世纪三项最伟大的发现。他于1908年获得诺贝尔化学奖金。卢瑟福还判定α粒子是带正电的氦原子核，他根据α粒子散射实验提出原子的有核模型。卢瑟福被誉为原子物理之父，又是开创原子核物理学的奠基人。ch19卢瑟福（E.Rutherford，1871-1937）英16ch19莱曼系(1916)紫外部分帕邢系(1908)红外部分布拉开系(1922)近红外部分普丰德系(1924)红外部分汉弗莱系(1953)远红外部分广义巴耳末公式

ch19莱曼系(1916)紫外部分帕邢系(1908)红外部分171)原子能够，而且只能够稳定地存在于与离散的能量相应的一系列的状态中，这些状态称为定态。2)

原子能量的任何变化，包括发射或吸收电磁辐射，都只能在两个定态之间以跃迁的方式进行。原子在两个定态(分别属于能级En和Em，设En>Em)之间跃迁时，发射或吸收的电磁辐射的频率，由如下的频率条件给出：ch19里兹组合原理光谱项经典物理原子光谱连续3.玻尔的量子论1)原子能够，而且只能够稳定地存在于与离散的能量相应的一18ch193）对应原理：在大量子数的极限情况下，量子体系的行为将趋于与经典体系相同。作圆轨道运动的电子的角动量L只能是的整数倍氢原子的能级公式光谱线的波数里德伯常量ch193）对应原理：在大量子数的极限情况下，量子体系的行为19玻尔（NielshenrikDavidBohr，1885-1962）

在1913年发表了《论原子结构与分子结构》等三篇论文，提出了在卢瑟福原子有核模型基础上的关于原子稳定性和量子跃迁的三条假设，从而圆满地解释了氢原子的光谱规律。玻尔的成功，使量子理论取得重大发展，推动了量子物理的形成，具有划时代的意义。玻尔于1922年12月10日诺贝尔诞生100周年之际，在瑞典首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。1937年，他来中国作学术访问。丹麦理论物理学家，现代物理学的创始人之一。ch19玻尔（NielshenrikDavidBohr，188204.玻尔氢原子理论的成绩成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性。从理论上计算了里德伯常量；解决了近30年之久的巴耳末公式之迷，打开了人们认识原子结构的大门，而且玻尔提出的一些概念，如能量量子化、量子跃迁及频率条件等，至今仍然是正确的。能对类氢原子的光谱给予说明。玻尔氢原子理论的困难不能处理复杂原子的光谱不能提供处理光谱线相对强度的系统方法，不能处理非束缚态问题把微观粒子看成是遵守经典力学规律的质点，又赋予它们量子化的特征，带有人为色彩ch194.玻尔氢原子理论的成绩成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原21ch19§19-2量子力学的建立和发展一、海森伯矩阵力学的提出1.继承：早期量子论中合理的内核，如分立能级的定态，量子跃迁和频率条件等摒弃：没有实验依据的传统观念，如粒子的绝对精确轨道概念3.赋予每个物理量一个矩阵2.强调可观测的物理量(1901-1976)4.对应原理若令h0，量子力学中力学量的关系将回到经典力学中。ch19§19-2量子力学的建立和发展一、海森伯矩阵力22ch19二、德布罗意波薛定谔波动力学的提出deBroglie（1892-1987）

1.德布罗意和物质波(1)提出思想——类比法光的波粒二象性实物粒子的波粒二象性几何光学反射经典粒子力学波动光学干涉衍射现象中的取整原子中表征量子态的量子数取整与一定能量E和动量p的实物粒子（m00）相联系的波（德布罗意波）的频率和波长分别为(2)微观粒子的波粒二象性的假设德布罗意关系ch19二、德布罗意波薛定谔波动力学的提出de23ch19(3)原子定态与驻波粒子能量量子化有限空间中驻波波长(4)物质粒子波动性的实验证明Davission-Germer实验电子衍射实验ch19(3)原子定态与驻波粒子能量量子化有限空间中24ch19X射线经晶体的衍射图电子射线经晶体的衍射图ch19X射线经晶体的衍射图电子射线经晶体的衍射图25ch19铁原子的量子围栏ch19铁原子的量子围栏26ch19[例题19.3]自由粒子的德布罗意波长粒子的热运动动能ch19[例题19.3]自由粒子的德布罗意波长粒子的热运动27ch192.薛定谔----波动力学薛定谔1887-1961物质波的波动方程边界条件本征值离散能量波动力学矩阵力学受德布罗意物质波启发，找到了一个量子体系物质波的运动方程。ch192.薛定谔----波动力学薛定谔物质波的波动方程边界28ch19三、量子理论的发展-量子场论狄拉克、海森堡、泡利、费曼、汤川秀树等量子场论给出的基本物理图象1）每种粒子对应一种场；2）场的最低能量状态为基态，粒子是场处于激发态的表现；3）场用复数表示（粒子与反粒子，中性粒子）；4）物理真空Dirac1902-1984ch19三、量子理论的发展-量子场论狄拉克、海森堡、泡利、费29ch19第十九章小结掌握普朗克能量子假说的内容理解斯特藩－玻耳兹曼定律和维恩位移律掌握光电效应和爱因斯坦的光量子论（包括普朗克－爱因斯坦关系式）掌握康普顿散射的实验现象掌握玻尔的量子论的两个假定掌握德布罗意波ch1930ch191.二十世纪之前的物理学—经典物理学包括力学、声学、热学、光学和电磁学等分支世间万物由八十几种元素的原子组成原子是不可再分的最小微粒，它的运动服从牛顿力学定律热就是大量分子混乱机械运动的表现，用力学规律性加上统计规律性及其处理方法可以解释存在正、负两种电荷，电磁场，电磁波，热辐射、可见光和紫外线等都是电磁波一切过程都遵从能量守恒和动量守恒定律第十九章从经典物理到量子力学§19-１前期量子论一、量子论发展历程热辐射实验迈克尔孙-莫雷实验ch191.二十世纪之前的物理学—经典物理学第十九章从经典31ch192.量子力学的建立1900-12，Planck提出能量子假设解释黑体辐射问题1905，A.Einstein用光量子理论解释光电效应1913，N.Bohr提出电子轨道的量子化解释氢原子结构和光谱1916，Sommerfeld计算了电子的椭圆轨道1923，DeBroglie提出微观粒子的波粒二象性1925，W.K.Heisenberg引入矩阵作为力学量，和M.Born、Jordan建立了量子矩阵力学1926，SchrÖdinger提出了量子波动力学；Born提出了波函数的统计解释1927，Jordan和Dirac证明了普遍的变换定理；Heisenberg提出测不准关系1930，Bohr提出互补原理

光辉岁月ch192.量子力学的建立1900-12，Planck提出32ch19Solvay1927ch19Solvay192733ch19ch1934ch193.量子力学的发展-量子场论1925，Born，Heisenberg和Jordan发表了光的量子场论的初步想法1926，Dirac提出了电磁场的量子理论，解释电子自旋并预测了反物质40年代末，Feyman，Schwinger和Tomonaga提出了量子电动力学（QED）发展了量子色动力学（QCD）超弦理论，努力寻求引力的量子描述量子力学：解释物质的理论；量子场论：研究场的理论4.量子论的影响科学、哲学、技术、经济量子通讯，量子计算机它迫使物理学家们改造他们关于实在的观念；迫使他们重新审视事物最深层次的本性；迫使他们修正位置和速度的概念以及原因和结果的定义。尽管量子力学是为描述远离我们的日常生活经验的抽象原子世界而创立的，但它对我们日常生活的影响无比巨大。没有量子力学作为工具，就不可能有化学、生物、医学以及其他每一个关键学科的引人入胜的进展。ch193.量子力学的发展-量子场论1925，Bo35ch19量子力学意味着什么？波函数到底是什么？测量到底是意思？纠缠态？ch19量子力学意味着什么？36ch19二、黑体辐射普朗克的能量子假说斯特藩玻耳兹曼定律

σ斯特藩常量维恩位移律

b常量经验公式热力学理论导出ch19二、黑体辐射普朗克的能量子假说斯特藩玻耳37ch19经典物理学所遇到的困难维恩公式

瑞利金斯公式

半经验公式长波段不符合紫外灾难由经典电动力学和统计物理学理论得出短波段不符合导致辐射能量无穷大--紫外灾难

k玻耳兹曼常量ch19经典物理学所遇到的困难维恩公式瑞利金斯公式38ch19普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858―1947)德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，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》为题的论文，提出了能量的量子化假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为“量子论的诞生日”。1918年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。ch19普朗克(MaxKarlErnstLudwig39ch19普朗克的能量子假说能量子假说：对于一定频率的电磁辐射，物体只能以为hν单位发射或吸收它，其中h是一个普适常量。每个能量子的能量为h称为普朗克常量，它的1986年推荐值为普朗克公式普朗克公式经验公式ch19普朗克的能量子假说能量子假说：对于一定频率的电磁辐射40ch19三、光电效应爱因斯坦的光量子论1.光电效应的实验规律光电效应：金属及其化合物在电磁辐射照射下发射电子（光电子）的现象。1)饱和光电流Is与入射光强成正比2)截止电压随入射光频率的增加而增加，与入射光强无关3)对于每一种金属，只有当入射光频率大于一定的截止频率或红限频率时，才会产生光电效应4)光电效应瞬时发生光光电流-+KAch19三、光电效应爱因斯坦的光量子论1.光电效应的41ch192.经典物理学所遇到的困难光电效应与入射光频率无关光电效应不可能是瞬时的3.爱因斯坦的光量子论辐射场由光量子组成，每一个光量子的能量E与辐射频率的关系是普朗克爱因斯坦关系式光电效应的爱因斯坦方程光的波粒二象性ch192.经典物理学所遇到的困难光电效应与入射光频率无关342ch194.康普顿散射1927年获得诺贝尔奖单色X射线被物质散射时，散射线中除了有波长与入射线相同的成分外，还有波长较长的成分，这种波长变长的散射称为康普顿散射或康普顿效应。定性解释：在碰撞过程中，动量与能量都是守恒的，电子带走一部分能量与动量，因而散射出去的光量子的能量与动量都相应地减小，即X射线的波长变长ch194.康普顿散射1927年获得诺贝尔奖单色X射线被物43ch19电子的康普顿波长意义：进一步证实了光子论，光确实具有波粒二象性；光电过程中严格遵守能量、动量守恒定律利用光量子假说散射光波长的改变ch19电子的康普顿波长意义：进一步证实了光子论，光确实具有44ch19四、原子结构和原子光谱玻尔的量子论1.原子的核式结构电子和放射性的发现揭示原子是由正负电荷组成的汤姆孙的葡萄干蛋糕模型卢瑟福的原子核式结构经典物理原子坍塌连续光谱2.原子光谱不同的原子辐射不同的谱线巴耳末公式里德伯常量氢原子ch19四、原子结构和原子光谱玻尔的量子论1.原子的45卢瑟福（E.Rutherford，1871-1937）英国物理学家，出生于新西兰。1859年成为卡文迪许实验室主任J.J.Thomson的研究生。1899年1月发现铀盐放射出α射线和β射线，并提出天然放射性的衰变理论和衰变定律。天然放射性的发现与电子和X射线的发现，是20世纪三项最伟大的发现。他于1908年获得诺贝尔化学奖金。卢瑟福还判定α粒子是带正电的氦原子核，他根据α粒子散射实验提出原子的有核模型。卢瑟福被誉为原子物理之父，又是开创原子核物理学的奠基人。ch19卢瑟福（E.Rutherford，1871-1937）英46ch19莱曼系(1916)紫外部分帕邢系(1908)红外部分布拉开系(1922)近红外部分普丰德系(1924)红外部分汉弗莱系(1953)远红外部分广义巴耳末公式

ch19莱曼系(1916)紫外部分帕邢系(1908)红外部分471)原子能够，而且只能够稳定地存在于与离散的能量相应的一系列的状态中，这些状态称为定态。2)

原子能量的任何变化，包括发射或吸收电磁辐射，都只能在两个定态之间以跃迁的方式进行。原子在两个定态(分别属于能级En和Em，设En>Em)之间跃迁时，发射或吸收的电磁辐射的频率，由如下的频率条件给出：ch19里兹组合原理光谱项经典物理原子光谱连续3.玻尔的量子论1)原子能够，而且只能够稳定地存在于与离散的能量相应的一48ch193）对应原理：在大量子数的极限情况下，量子体系的行为将趋于与经典体系相同。作圆轨道运动的电子的角动量L只能是的整数倍氢原子的能级公式光谱线的波数里德伯常量ch193）对应原理：在大量子数的极限情况下，量子体系的行为49玻尔（NielshenrikDavidBohr，1885-1962）

在1913年发表了《论原子结构与分子结构》等三篇论文，提出了在卢瑟福原子有核模型基础上的关于原子稳定性和量子跃迁的三条假设，从而圆满地解释了氢原子的光谱规律。玻尔的成功，使量子理论取得重大发展，推动了量子物理的形成，具有划时代的意义。玻尔于1922年12月10日诺贝尔诞生100周年之际，在瑞典首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。1937年，他来中国作学术访问。丹麦理论物理学家，现代物理学的创始人之一。ch19玻尔（NielshenrikDavidBohr，188504.玻尔氢原子理论的成绩成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性。从理论上计算了里德伯常量；解决了近30年之久的巴耳末公式之迷，打开了人们认识原子结构的大门，而且玻尔提出的一些概念，如能量量子化、量子跃迁及频率条件等，至今仍然是正确的。能对类氢原子的光谱给予说明。玻尔氢原子理论的困难不能处理复杂原子的光谱不能提供处理光谱线相对强度的系统方法，不能处理非束缚态问题把微观粒子看成是遵守经典力学规律的质点，又赋予它们量子化的特征，带有人为色彩ch194.玻尔氢原子理论的成绩成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原51ch19§19-2量子力学的建立和发展一、海森伯矩阵力学的提出1.继承：早期量子论中合理的内核，如分立能级的定态，量子跃迁和频率条件等摒弃：没有实验依据的传统观念，如粒子的绝对精确轨道概念3.赋予每个物理量一个矩阵2.强调可观测的物理量(1901-19