第15章量子物理.ppt

1、1,第29届全国部分地区（上海市）大学生物理竞赛,竞赛时间：2012年12月9日（星期日）下午2：00-4：30在上海大学举行。 集中报名时间：10月30日上午10：00至下午4：00 报名地点：G509，袁老师。 注意：请带好学生证以备核查，另需缴纳报名费30元（由学校转交上海市物理学会），还要留下手机联系方式以及邮箱地址，便于通知相关事项。命题原则、考试要求和具体报名要求也会在大学物理圈子上予以发布（应届学生均可参加）。,2,1899年开尔文在欧洲科学家新年聚会的贺词中说： 物理学晴朗的天空上， 飘着几朵令人不安的乌云,黑体辐射,迈克尔逊 莫雷实验,光电效应,氢原子光谱,康普顿效应,量子力

2、学,狭义相对论,3,第15章 量子物理 Quantum Physics,主要内容, 黑体辐射和普朗克能量子假设 光电效应和爱因斯坦光量子理论 康普顿效应 氢原子光谱和波尔理论,4,15.1 黑体辐射 Blackbody Radiation,任何物体在任何温度下都发射各种波长的电磁波.,常温下，以红外辐射为主.,M 光谱辐射出射度:单位时间内从物体单位表面积发出的频率在附近单位频率区间的辐射能.,热辐射,规律：T m ,5,黑体：,黑体辐射,空腔上的小孔：,e.g.,黑体辐射实验曲线：,能完全吸收入射的各种波长的辐射 的物体 (理想模型),6,7,8,瑞利 - 金斯公式 经典物理的困难,瑞利 -

3、 金斯公式,9,普朗克（1858-1947）,德国理论物理学家，量子论的 奠基人。1900年他在德国物理学 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。 劳厄称这一 天是“量子论的 诞生日”。量子论 和相对论构成了近代物理学的研究 基础。,10,普朗克量子假设,1900年，M.Planck “绝望地”、“不惜任何代价地”提出了能量量子化假设：,谐振子能量： E=nh (n=1,2,3,),h普朗克常量(6.62610-34Js),n量子数,频率,黑体中的分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子的能量状态是分立的。,11,普朗克黑体辐射公式：,(与实验相符),0 1 2 3,6

4、,瑞利-金斯公式,2,4,T = 2 000 K,12,解：（1）,（1）尖端振动的量子数；,13,基元能量,（2）,14,在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明显的，即宏观物体的能量完全可视作是连续的.,15,15.2 光电效应 Photoelectric Effect,1. 实验现象,1887年发现,16,光强I im(饱和电流),光频0(红限频率) 无光电流,光频 Uc(截止电压),规律：,光照t109s 光电流,17,按经典理论,电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累, 与实验结果不符。,经典理论遇到的困难,红限问题,瞬时性问题,按经典理论,无论何种频率的入射光,只要强度足够大

5、，就能使电子逸出金属。与实验结果不符。,18,2. 光的二象性光子 wave-particle duality of light photon,1）光电效应的理论解释,光子假说,光由光子(photon)组成，每个光子以光速运动，具有能量h .,光电效应方程,19, 对实验的解释,光强I 单位时间内入射的光子数 光电子数 im, Uc,光频0 hA 无光电子逸出, 光子被电子吸收几乎瞬时完成快速响应,20,2）光的本性波粒二象性,光子,波动性, ,粒子性E, p, m,关系：,例15-2，15-3,21,15.3 康普顿散射Compton scattering,康普顿散射,192223年 康普顿

6、研究了X射线在石墨上的散射,散射出现了0(散射光波长不等于入射光波长)的现象,22,1. 实验装置,23,2. 实验结果,(1) 波长的偏移 ( ) 与 散射角有关。,(2) 与散射物体无关。,吴有训,24,3. 经典理论的困难,按经典电磁理论，带电粒子受到入射电磁波的作用而发生受迫振动，从而向各个方向辐射电磁波，散射束的频率应与入射束频率相同，带电粒子仅起能量传递的作用. 可见，经典理论无法解释波长变长的散射线.,25,(1) 物理模型,入射光子（ X 射线或 射线）能量大 .,4. 量子解释,范围为：,26,电子反冲速度很大，用相对论力学处理.,电子热运动能量 ，可近似为静止电子.,固体表

7、面电子束缚较弱，视为近自由电子.,27,(a) 入射光子与散射物质中束缚微弱的电子弹性碰撞时，一部分能量传给电子，散射光子能量减少，频率下降、波长变大.,(2) 定性分析,(b) 光子与原子中束缚很紧的电子发生碰撞，近似与整个原子发生弹性碰撞时，能量不会显著减小，所以散射束中出现与入射光波长相同的射线.,28,式中,解得：,康普顿散射公式,(3) 定量计算,设单个光子和单个静止电子发生弹性碰撞,按照能量和动量守恒定律，分别有：,29,式中：,称为电子的康普顿波长,上述结论与实验结果定量地符合。,结论：散射波长 入射波长0 ，波长的偏移 = 0 只与散射角 有关，和散射物质无关。,30,31,1

8、.只有当入射波长0与c可比拟时，康普 顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到。,Notes:,2.康普顿散射效应不仅有力地证明了光具有二象性，而且还证明了光子和微观粒子的相互作用过程也是遵守动量守恒和能量守恒定律的。,32,1897年，汤姆孙(Jhon Thomson 英)发现电子；加之X射线和放射性元素等的发现，认识到原子是可分的； 1904年，汤姆孙提出第一个有影响的原子枣糕模型； 1911年，卢瑟福(Rutherford 英)提出核式原子模型； 1913年 玻尔（Bhor 丹麦）提出氢原子的量子理论；波尔是物质结构的量子理论的创立者，他把光谱现象、普朗克和爱因斯坦提出的光量子说以及卢瑟福

9、提出的原子核模型结合起来，建立了原子结构的量子理论。,1. 原子理论的发展,15.4 氢原子光谱,33,尼尔斯波尔运用光谱分析来探索原子内部结构的第一次合理而又富有成效的尝试是在1913年进行的。为了解释原子吸收和发射，他力图把卢瑟福的有核原子模型和普朗克的量子论结合起来，提出了著名的“波尔理论”原子的定态假设和频率法则，成功地解释了氢原子的光谱规律。通过对原子结构的研究，他正确地预言，在复杂原子中，电子必须以“壳层”形式出现。他的这一开创性工作，为揭示元素周期表的奥秘打下了基础，使物理和化学这两个学科建立在同一基础之上。,尼尔斯波尔（Niels Henrik David Bohr, 1885

10、-1962）因原子结构和原子辐射的研究，获得了1922年的诺贝尔物理学奖。,34,2. 氢原子光谱的实验规律,1885 年瑞士数学家巴耳末发现氢原子光谱可见光部分的规律:,1890 年瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式,里德伯常量,氢原子光谱是彼此分裂的线状光谱，每一条谱线具有确定的波长（或频率）。,35,玻尔的三条基本假设,（1）定态假设：原子系统只能处在一系列具有不连续能量的状态，在这些状态上电子虽然绕核做园周运动但并不向外辐射电磁波。这些状态称为原子系统的稳定状态（简称定态）。,（2）量子化条件：在这些稳定状态下电子绕核运动的轨道角动量的值，必须为 h / 2 的整数倍，是不连续的，即

11、有：,（3）跃迁假设：,电子从一个能量为En 稳定态跃迁 到另一能量为Ek稳定态时，要吸收或发射一个频率为的光子，有：,3.玻尔的氢原子理论,这些定态的能量：,(1913 “论原子分子结构” ),辐射频率公式,36,1）氢原子轨道半径的计算,由量子化条件及牛顿定律：,轨道量子化,角动量量子化,库仑力=向心力,玻尔半径,n=4 n=3 n=2 n=1,37,2）能量的计算,电子在量子数为n的轨道上运动时，原子系统总能量是：,基态能量,其它激发态：,能量是量子化的,电离能,38,3） 氢原子光谱的理论解释,从其它能级到同一能级的跃迁属于同一谱线系。,39,4. 玻尔理论意义与局限性,（1）对稍复杂的原子光谱，定性、定量都不能解释,（2）对氢原子谱线的强度、宽度、偏振等问题遇到困难。,1