大学物理教学课件：量子物理1-1

1十九世纪物理学的成就和危机：物体的机械运动：牛顿定律(v<<c)光的现象：几何光学和波动光学电磁现象：麦克斯韦方程组热力学：波尔兹曼的统计物理学英国物理学家开尔文（1824-1807）：“未来的物理学真理不得不在小数点后面第六位去寻找”“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了”“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云。”迈克耳逊-莫雷实验黑体辐射实验：紫外灾难2第一章能量量子化波粒二象性波尔量子理论§1热辐射普朗克能量子假说§2光电效应爱因斯坦的光量子§3康普顿效应§4原子模型玻尔量子论§5德布罗意物质波物质波的波动方程有驳于经典物理的三个实验现象量子物理雏形量子物理的理论基础3§1热辐射普朗克能量子假说热辐射和热平衡：辐射的能量与温度有关，称之为热辐射。辐射和吸收的能量相等时称为热平衡。一、黑体辐射的基本概念单色辐出度和全色辐出度单位时间、单位表面积上所辐射出的单位波长间隔中的能量是单色辐出度。单位时间、单位表面积上所辐射出的各种波长电磁波的能量是全色辐出度。4吸收比和反射比吸收比反射比对于非透明物体绝对黑体的热辐射规律绝对黑体的吸收比恒为1。用不透明材料制成一空心容器，壁上开一小孔，可看成绝对黑体5基尔霍夫定律这一普适函数就是绝对黑体的单色辐出度M0(,T)绝对黑体的全色辐出度-黑体的辐射本领在热平衡下，任何物体的单色辐出度与吸收比之比，是个普适函数。绝对黑体的单色辐出度6二、黑体辐射实验规律测量热平衡时黑体的辐射能量密度按波长的分布曲线。PL2B2A L1B1CA为黑体B1PB2为分光系统C为热电偶71.

斯忒藩-玻耳兹曼定律斯忒藩-玻耳兹曼常数黑体的辐射本领与温度的四次方成正比。1700k1500k1300k82.

维恩位移定律实验发现：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值m

向短波方向移动。1700k1500k1300kb是维恩常数9二、黑体辐射的普朗克解释1.经典物理遇到的困难瑞利和琼斯用能均分定理得出：维恩根据经典热力学得出：只适于长波，存在“紫外灾难”。10实验T=1646k瑞利-琼斯维恩理论值112.黑体辐射的普朗克解释普朗克能量子假说辐射物体中包含大量谐振子，其能量是取特定的分立值

存在着能量的最小单元（能量子=h);

h=6.62610-34焦耳.秒。振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量从理论上推出：k和c分别是玻尔兹曼常数和光速。12实验瑞利-琼斯维恩理论值T=1646k瑞利-琼斯普朗克理论值普朗克用能量子假说解释了黑体辐射实验！普朗克因为提出能量子的概念获得1918年的诺贝尔物理学奖13§2光电效应爱因斯坦光量子理论UG+-1.

光电效应：当光束照射在金属表面上时使电子从金属中脱出的现象。一、光电效应实验装置：14光强较强光强较弱饱和电流截止电压(1)饱和光电流强度与入射光强度成正比。2.光电效应实验规律单位时间内，阴极溢出的光电子数与入射光强成正比15U03U02U01312UIIS0(2)光电子的初动能与入射光强度无关，而与入射光的频率有关。截止电压：如果将电源反向，两极间将形成使电子减速的电场，反向电压达到U0时光电流完全减小到零，U0叫截止电压截止电压Uo

的大小反映光电子初动能的大小。能量关系：16截止电压与入射光频率有线性关系红限频率K是与金属无关的普适恒量最大动能与入射光频率成线性关系，而与入射光强无关。存在截止频率(红限)红限频率3.光电效应具有瞬时性，或说响应速度很快，10-9s。173.经典理论遇到的困难：经典理论实验结果金属中电子吸收光能逸出,其初动能决定于光振动振幅,即由光强决定初动能与入射光频率有关，而与入射光强无关光强足够大时，对各种频率的光都会发生光电效应存在截止频率(红限)电子吸收光波能量只有积累到一定量值时，才会从金属中逸出光电子是即时发射的18二、爱因斯坦的光子学说爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论：光不仅在与物质相互作用时（发射和吸收），具有粒子性，而且在传播过程中也有粒子性。一个频率为的光子具有能量=h，其能流密度=nh不仅取决于单位面积上的光子数n，还决定于频率。由能量守恒可得出：一个电子逸出金属表面后的最大动能：A称为逸出功。只与金属性质有关，与光的频率无关。光电效应方程19由此可解释饱和光电流强度与光强成正比；可以解释截止电压与频率成线性关系以及红限频率的存在。20爱因斯坦对光电效应的解释：光束的能流集中在能量为h的光子上。当光束照射在金属上时，金属中的电子要么吸收一个光子，要么完全不吸收，能量守恒表示为

h=mv2/2+A=eU0+A入射光的强弱表示光子流密度大小。光强大表示光子流密度大，在单位时间内金属吸收光子的电子数目多，从而饱和电流大；但不管光子流密度如何，每个电子只吸收一个光子，电子获得的能量与光强无关，与频率成正比，所以截止电压与频率成正比。

当频率v0趋于红限时，U00，hv0A；v<v0时，每个光子的能量hv0<A，电子吸收光子后获得的能量小于脱出功，光电效应不能发生；只有光子频率大于红限频率才会产生光电效应。21光子的能量、动量和质量密立根1916年的实验，证实了光子论的正确性，并求得h=6.5710-34

焦耳•秒。光的波动性()

和粒子性(p)是通过普朗克常数联系在一起的。他因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。相对论质能关系：光子的质量：光子的静止质量为零。光子的动量：光子的能量爱因斯坦因为提出光量子的概念获得1921年的诺贝尔物理学奖密立根因为验证光量子的存在而获得1923年的诺贝尔物理学奖22§3康普顿效应X射线7.1nm探测器C1C2A1A2WBS石墨晶体准直系统散射角23I=0oI=45oI=90oI=135o0正常散射实验结果：波长变长的散射称为康普顿散射实验规律：(1)散射光中除有原波长成分外，还出现了0的谱线；(2)0随增加而增加;的强度随增加而增加.(3)与散射物质无关;的谱线强度随散射物质原子序数的增加而减小;按照经典理论,散射是一种共振吸收再发射的过程,散射波的频率(波长)应与入射波相同.上面的实验结果,经典理论难以解释.24光子学说对康普顿散射的解释康普顿假设:入射x光是光子流,这些光子不但有能量h0，而且有动量h0/c。光的散射过程是光子与原子中自由电子的完全弹性碰撞过程。电子的相对论质量：25系统能量守恒：系统动量守恒：自由电子热运动的平均动能约百分之几eV与入射X光的能量(104~105eV)相比,可略.26能量守恒（1）动量守恒（2）(1)2–(2)c2

得出：（4）将（4）带入（3）式：（3）（5）27（6）康普顿波长入射光子散射的光子外层电子康普顿散射进一步证实了光子论，证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒两象性。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。（5）28随散射角变化，而与散射物质无关。当光子与原子内