牛顿力学 热力学 经典统计力学 经典电磁理论.ppt

1、1,前 言,经典物理（1819 世纪） 牛顿力学 热力学 经典统计力学 经典电磁理论 19世纪末趋于完善,迈克尔逊莫雷实验 黑体辐射实验,量子论 量子力学,相对论,近代物理（20世纪） 相对论 1905 狭义相对论 1916 广义相对论 引力、天体 量子力学,2,一、旧量子论的形成（冲破经典量子假说） 1900 Planck 振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化,二、量子力学的建立（崭新概念） 1923 de Broglie 电子具有波动性 1926 - 27 Davisson, G.P.Thomson 电子衍射实验 1925

2、Heisenberg 矩阵力学 1926 Schroedinger 波动方程 1928 Dirac 相对论波动方程,3,三、量子力学的进一步发展（应用、发展） 量子力学原子、分子、原子核、固体 量子电动力学(QED)电磁场 量子场论原子核和粒子 进一步认识的问题,4,19281929 建立能带理论并由实验证实 1947.12 发明晶体管 1962 制成集成电路 1971 intel 4004微处理器芯片 2300晶体管 1982 80286 13.4万 1989 80486 120万,固体物理,1997 pentium2 750万,1993 pentium 320万 1995 pentium

3、MMX 550万,没有晶体管、超大规模集成电路，就没有计算机的普遍应用和今天的信息处理技术,5,第5篇 量子论,第16章 早期的量子论,第18章 固体的能带结构,第19章 粒子物理学简介,第17章 量子力学,6,第16章 早期的量子论,16.1 量子论的提出,16.3 爱因斯坦的光量子论,16.4 玻尔的原子量子理论,16.5 康普顿效应,16.6 激光,16.2 卢瑟福的原子结构模型,7,*16.1 量子论的提出,一. 黑体辐射,绝对黑体(黑体)：能够全部吸收各种波长的辐射且不反射和透射的物体。,物理学晴朗天空中的一朵乌云!,瑞利 金斯公式 (1900年),维恩公式 (1896年),“紫外灾

4、难”,8,二. 普朗克能量子假说 (1918年诺贝尔物理奖),实验,T=1646k,物体发射或吸收电磁辐射时，交换能量的最小单位是“能量子” = h,辐射黑体中的分子和原子可看做线性谐振子；,振动时向外辐射能量（也可吸收能量）；,9,16.2 Nuclear Constitution of Atoms,1. History of the atom,2. Nuclear Constitution of Atoms,scattering experiments of -particles,He,2,4,Atomic number the number of protons in an atom,A

5、tomic mass the number of protons and neutrons in an atom,! No electron m 7300me,10,A. Methods of the experiments,He,gold foil,11,B. Results of the experiments,Most of the alpha particles passed right through the gold foil, a small number of alpha particles passed through at an angle (as if they had

6、bumped up against something) and some bounced straight back like a tennis ball hitting a wall.,12,C. Discussion,(a). If PLUM PUDDING MODEL is correct,The interactions of alpha particles with electrons are unconsidered, so the interaction of alpha particles with the positively charged materials is,!

7、The PLUM PUDDING MODEL is incorrect,13,The interaction of alpha particles with the positively charged materials is,(b). Nuclear Constitution of Atoms,14,光电效应是赫兹在1887年发现的， 1896年汤姆逊发现了电子之后，勒纳德证明了光电效应中发出的是电子。,光电效应 光照射某些金属时能从表面释放出电子的效应。,16.3 爱因斯坦的光量子论,产生的电子称为光电子。光电子在电场作用下在回路中形成光电流。,15,入射光频率一定,一、 光电效应的实验

8、规律,1. 饱和电流 iS,2. 遏止电压 Ua,iS 光电子数,光强I ,iS3,iS1,iS2,I1,I2,I3,Ua,U,i,I1I2I3,遏止电压,饱和电流,相当于单位时间从K极释放的e全部到达阳极A。,遏止电压的存在说明光电子具有初动能,16,e(K - Uo),结论： 光电子的初动能随入射光的频率线性增加，与入射光的强度无关。,实验指出：遏止电压和入射光频率有线性关系，即：,所以,17,3. 存在红限,对一给定的金属, 当入射光的频率小于某红限频率时, 就没有光电子逸出(即没有光电流)。,4.立即发射，驰豫时间不超过10-9s。,0,不同物质具有不同的红限频率。,红限频率,18,二

9、、经典物理与实验规律的矛盾,电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量(与光强 I 有关) 逸出，不应存在红限 0 。,当光强很小时，电子逸出须经较长时间能量积累。,只有光的频率 0 时，电子才会逸出。,逸出光电子的多少取决于光强 I 。,光电子即时发射，滞后时间不超过 109s。,总结,光电子最大初动能和光频率 呈线性关系。,光电子最大初动能取决于光强，与光的频率 无关,19,三.爱因斯坦光子说 (1921年诺贝尔物理奖),逸出功：,光不仅在吸收和辐射时是以能量为h的颗粒(光子)形式进行的, 而且以这种颗粒的形式以光速c在空间传播。 即:一束光是一束以光速c运动的粒子(光子)流。,光电效

10、应方程:,（普朗克常量h=6.6310-34J.s）,20,(2)光子的质量,动质量：,静质量：,(光子的速度 =c),(3)光子的动量,c =,mo=0,小结：光子的特性,(1)光子的能量 E =h =hc/,21,解： (1),c =,h= 6.6310-34, =6.5105(m/s),例题16.3.1 真空中一孤立金属球的红限波长o=6500，入射光波长 =4000，试求: (1)发射出的光电子的初速度； (2)若金属球半径R =30cm，该球能放出多少个光电子？,22,金属球发出光电子后，电势就会升高，升高到遏止电压Ua时就不再发射光电子了。,Ua=1.19 (V),=2.48108

11、个,(2)若金属球半径R=30cm，该球最多能放出多少个光电子？,23,例16.3.2 波长为 的光投射到一金属表面，发射出的光电子在匀强磁场B中作半径R的圆运动，求: (1)入射光子的能量、质量和动量； (2)此金属的逸出功及遏止电势差。,解 (1),E = h,p =mc,=h/ c ,= hc/ ,=h/,(2),由,得,24,例16.3.3 一定频率的单色光照射到某金属表面,测出光电流曲线如实线所示；然后光强度不变、增大照射光的频率，测出光电流曲线如虚线所示。满足题意的图是,(D),若 则 N ,25,作业 习题册：习题二十七 光量子性(一),26,16.4 玻尔的氢原子理论,不同原子

12、的辐射光谱完全不同，因此研究原子光谱的规律是探索原子内部结构的重要方法。 一.氢原子光谱的实验规律 1.氢原子光谱是由一些分立的细亮线组成，即是分立的线光谱。,可见光区,27,2. 谱线的波数(波长)由下式确定：,m=1, n=2,3, 赖曼系(紫外区); m=2, n=3,4, 巴耳末系(可见光区); m=3, n=4,5, 帕邢系(红外区); (R=1.097107m-1里德伯恒量),28,3. 里兹并合原理 任何原子谱线的波数均由下式确定：,T(m)、T(n), 称为光谱项。,29, 1911年，卢瑟福通过粒子散射实验证明: 原子是由带正电的核和在核外作轨道运动的电子组成。,经典物理的困

13、难: 不能解释原子的稳定性问题; 不能解释原子为什么会发出分立线状光谱。, 二.卢瑟福原子核型结构及经典物理的困难,1913年，年仅28岁的玻尔（Niels Bohr），在卢瑟福核型结构的基础上，创造性地把量子概念应用到原子系统，解释了近30年的光谱之谜。,30,三.玻尔氢原子假设,(1)定态假设 原子系统只能处于一系列不连续的能量状态(能级E1,E2,)；电子虽然在相应的轨道上绕核作圆周运动，但不辐射能量。原子系统处于定态。,量子数n=1,2,(3)量子跃迁假设 原子从n跃迁到k发出(或吸收)光的频率:,(2)轨道角动量量子化假设 电子绕核作圆周运动，其轨道角动量:,31,四.玻尔的氢原子理

14、论,得轨道半径：,n=1,2,玻尔半径:,=5.2910-11m,三条基本假设经典理论(牛顿定律),1. H原子中电子的轨道半径,32,氢原子系统的动能：,氢原子系统的势能：,氢原子系统的能量：,n=1,2,即,2. 定态能量,33,(1) 能量是量子化的负值。 n=1, 基态， E1= -13.6eV, r1=ao ; n=2, 第1激发态， E2= -3.4eV, r2=4ao ; n=3, 第2激发态， E3= -1.51eV, r2=9ao ; n=4, 第3激发态， E4= -0.85eV, r2=16ao ; 能量为负值表示原子中的电子处于束缚态。,34,(2)电离能(使基态氢原子

15、中的电子远离核所需作的功)为,E电离 =13.6eV, 与实验很好符合。 (3)当原子从能态En跃迁到Ek时，发射光子的频率为,=1.097107m-1,(里德伯恒量),35,n=1,2,.,36,五.玻尔理论的成就与缺陷,2.玻尔理论的局限性, 只能计算氢原子和类氢原子的光谱频率；, 不能解决光谱线强度与精细结构；, 只能解决周期性运动，不能解决非周期性运动。,1.玻尔理论的成功处, 提出了动态的原子结构模型；, 提出了独创性的微观体系特有的量子规律：定态、跃迁, 成功解释了氢原子和类氢原子的光谱问题，理论上算出了R，解释并预告了氦离子光谱；, 建立了经典力学通向量子力学的桥梁。,37,Ru

16、therford的质疑：当电子从一个能态跳到另外一个能态时，您必须假设电子事先知道它要往哪里跳。,Schrdinger的责难：电子从一个轨道跳到另外一个轨道时，它的速度不能大于光速，必须经历一定的时间，在这段时间里，电子已经离开了原来的态，又未到达下一个能态，这时候电子处于什么状态呢？,3. 玻尔理论遇到的挑战,38,所以,例16.4.1 在气体放电管中,用能量为12.5eV的电子通过碰撞使氢原子激发,问受激发的原子向低能级跃迁时,能发射哪些波长的光谱线?,因为n只能取整数，所以氢原子最高能激发到 n=3的能级，当然也能激发到n =2的能级，于是能产生3条谱线。,解： 设氢原子全部吸收电子的能

17、量后最高能激发到第n 个能级，此能级的能量为 , 所以,把 代入上式得,39,E1,E2,E3,E4,E2E1：,R=1.097107m-1,E3E1：,E3E2：,n=3, m=1,n=3, m=2,n=2, m=1,40,作业 习题册：习题二十九 量子光学(三),41,16.5 康普顿散射,一.散射 向一定方向传播的光线通过不均匀物质后，向各个方向传播的现象，称为散射。,按照波动的“受迫振动”理论，向各个方向散射的光的频率和波长都与入射光相同；而散射光的强度与波长成反比。 这个结论对一般波长是正确的。,(1927年诺贝尔物理奖),42,二.康普顿散射,光阑,探 测 器,0,散射波长,0,(

18、1) 散射线中有两种波长 0、 ( 0原波长) ，,(3)散射线中o的谱线强度随散射物质原子序数的增大而增大，而的则相对减小。,43,三. Compton 散射的解释,康普顿假设:高能光子与静止的自由电子作弹性碰撞。,能量守恒,动量守恒,44,可见，波长的改变-o(散射波长)随散射角 的增大而增大, 与散射物质无关。这与实验完全符合。,康普顿波长：,散射波长的最小值和最大值分别是： 当 =0， min=o ; 当 =180, max=o +2c,45,证实了在微观的单个碰撞事件中动量和能量守恒定律仍然成立.,康普顿获得1927年诺贝尔物理学奖,（A. H.Compton) 美国人(1892-1

19、962）,康普顿在做康普顿散射实验,四.康普顿散射实验的意义,证明了光子假设的正确性,狭义相对论力学的正确性。,46,五、光电效应和康普顿效应的区别和联系,相同点：都是电磁波和物质的相互作用过程,不同点：,（1）入射光子的能量不同，光电效应入射光为可见光(400760nm)，康普顿效应入射光为X射线(0.11nm)。,（2）相互作用过程不同，光电效应光子能量全部被处于束缚态的电子吸收，以光子和电子为系统, 不遵守能量守恒和动量守恒定律；康普顿效应光子和电子发生碰撞使光子失去一部分能量而偏离原来“飞行”方向，以光子和电子为系统, 遵守能量守恒和动量守恒定律。,（3）一定频率的电磁波入射，发生两种

20、效应的概率不同，由光子的能量和原子的质量而定，一般情况发生光电效应的几率随光子的能量增大而减小。,47,例16.5.1 康普顿散射中，入射波长o =0.1。在与入射方向成90角的方向上，散射波长为多大? 反冲电子的动能和动量如何?,解: 将 =90代入:,散射波长为 = o + =0.1+0.024=0.124,=3.810-15 J,反冲电子的动能：,48,=8.510-23 (SI),由动量守恒：,49,例16.5.2 用波长o =0.014的X射线作康普顿散射实验, 反冲电子的最大动能是多少？,解: 根据能量守恒, 反冲电子的动能为光子损失的能量,事实上的最大值只为max=o +2c ，

21、由此得反冲电子的最大动能为,上式有极值的条件是一阶导数为零，由此得，最大动能是,=1.110-13 J,50,例16.5.3 已知光子能量为0.5MeV,经过康普顿效应散射后波长变长25，求反冲电子获得的动能。,解,51,作业 习题册：习题二十八 光量子性(二),52,16.6 激光原理,1951年提出maser的概念， 1954年制出世界上第一台maser。 1958年论述了laser的基本原理。1964年获诺贝尔物理学奖。,（C.H.Townes，1915 ）,Laser “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”受激

22、辐射光放大,1960年T.H.Maiman成功研制世界上第一台激光器 -红宝石激光器,53,一. 光的吸收和辐射,自发辐射,受激辐射,54,二. 自发辐射和受激辐射,1。自发辐射： 处于激发态的原子, 在没有外界作用的情况下, 自发的从激发态返回基态,从而辐射出光子。,特点: 自发辐射出的光子特性(频率、相位、偏振状态、传播方向)均不同，所以自发辐射的光是不相干的。普通光源发光就属于自发辐射。,55,特点:受激辐射辐射发出的光子特性(频率、相位、偏振状态以及传播方向)完全相同。,2. 受激辐射: 处于激发态的原子,在自发辐射前受到能量hv=E2-E1的外来光子的剌激,从高能态E2跃迁到低能态E

23、1,同时辐射出一个与外来光子状态相同的光子。,56,一个光子的输入, 由于受激辐射而得到两个完全相同的光子,这两个又可变为四个这就形成了雪崩式的光放大过程。,由于受激辐射出的大量光子特性相同，即光子简并度大，所以受激辐射发出的光相干性好，亮度极高, 从而出现光源的质的飞跃。 因此，受激辐射是形成激光的基础。,57,三. 产生激光的基本条件,在通常状态下，三种跃迁同时存在，受激吸收使光子数减少，受激辐射使光子数增加。,光通过工作物质时，光强变化,在热平衡条件下，处于各状态的原子都满足Boltzmann分布,E1 N2 ,吸收为主！,58,1.粒子数反转,N2 N1 , 受激辐射为主,使处在高能级

24、的原子数多于低能级的原子数，这种分布与正常分布相反，称为粒子数反转分布。,59,红宝石是一根掺有0.035%铬离子(Cr3+)的Al2O3晶体棒。 这是一个典型的三能级系统的激光器。,例1：红宝石激光器,60,电子,例2 He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现,亚稳态,亚稳态,61,2. 光振荡,实现了粒子数反转的大量原子会由自发辐射引起受激辐射,但方向是杂乱的, 不能产生很强的激光。,必须使光沿某一方向反复放大才能形成激光,称为光振荡。,光学谐振腔对光的方向选择性,62,四. 光学谐振腔,光学谐振腔的作用有三： 1. 产生和维持光放大。,2. 改善方向性。,3. 提高单色性。,k =1,2,.,63,五. 激光器的组成,常用激光器由三部分组成：,工作物质