第25章 初期量子论.ppt

1、教学基本要求 1、了解黑体辐射的实验规律斯特藩 -玻耳兹曼定律和维恩位移定律，了解普朗克能量子假设。 2、理解光电效应和康普顿效应的实验规律 , 理解爱因斯坦的光子假设及其对光电效应、康普顿效应的解释。3、理解氢原子光谱的实验规律及玻尔的氢原子理论 , 了解玻尔理论的意义及局限性。 4、了解弗兰克赫兹实验。 作业：10,12,18,19,21,22,30,31,第25章 初期量子论,1870年, 在“铁血宰相”俾斯麦的领导下, 德国(普鲁士) 赢得了普法战争, 从法国得到大量战争赔款, 同时迫使法国割让了亚尔萨斯和洛林两个省。当时的德国, 急于从一个以农业为主的“土豆王国”, 变成一个工业化的

2、“钢铁王”。,普法战争,25.1 能量子概念,25.1.1 热辐射 黑体,德国发展钢铁工业万事具备, 就只欠提高冶炼技术这个东风了。炼钢的关键是控制炉温, 数千度的炉温,任何温度计都会熔化。于是人们希望从钢水的颜色来辨认温度, 这就大大促进了对黑体辐射(热辐射)的研究。,物理学家以谐振子为基础来构造辐射模型。奇怪的是, 无论怎么努力, 理论算出的黑体辐射曲线都不能与实验曲线一致。维恩的模型在长波波段偏离较大。瑞利和金斯的模型则在短波波段偏离很大。,这就是开尔文勋爵谈的第一朵乌云-黑体辐射困难。,热辐射,什么是热辐射？,任何物体,在任何温度下,都能辐射电磁波,这种与温度有关的辐射称为,热辐射,单

3、色辐射本领(辐出度),总辐射本领（辐出度）,单位时间、单位面积上所辐射出的各种频率（或各种波长）的电磁波的能量总和.,辐射的定性图述（略）,炽热状态,都 随 物 而 异,一般辐射的复杂性,*黑体,(1).单色吸收、反射、透射系数,(2). 黑体及其模型,假设有这样的物体,黑体辐射,黑体实验模型,黑体的实验模型,25.1.2 基尔霍夫热辐射定律,基尔霍夫热辐射定律,黑体辐射测量,黑体辐射测量系统示意图,25.1.3 黑体的辐射定律,总辐射本领（辐出度）,单位时间，单位面积上所辐射出的各种频率（或各种波长）的电磁波的能量总和.,钨丝和太阳的单色辐射本领曲线,太阳,钨丝,黑体辐射规律,s = 5.6

4、710 Wm K,- 2,- 8,- 4,1. 斯特藩-玻耳兹曼定律,黑体单色辐出度的峰值波长,随 的升高而向短波方向移动,T,2. 维恩位移定律,黑体的单色辐射本领,黑体例一,紫外灾难,但沿用经典物理概念（如经典电磁辐射理论和能量均,函数 均遇到困难。其中一个著名的推导结果是,分定理）去推导一个符合实验规律的黑体单色辐出度,经典物理概念竟然得出如此荒唐的结论，物理学史上称之为,紫外灾难,25.1.4 普朗克能量子假说,维恩（W. Wien）公式,1896年，维恩假设气体分子辐射的频率只与其 速率有关，首先从理论上推出一个黑体辐射公式,其中， 为常量。,普朗克不太信服维恩公式的推导过程，认为维

5、恩提出的假设没什么道理。,高频段与实验符合很好，低频段明显偏离实验曲线。,“紫外灾难”,“ 物理学晴空中的一朵乌云!”,能量子假设,1900年12月24日，普朗克在关于正常光谱的能量分布定律的理论一文中提出能量量子化假设，量子论诞生。,普朗克公式,1900年10月19日，德国物理学家普朗克提出了一个描述 黑体单色辐出度分布规律的数学公式，其表达式为：,黑体辐射,0 1 2 3,6,瑞利 - 金斯公式,1,2,3,4,5,理论曲线,波 长 l,0,0,2,4,3,1,1 2 3 4 5,2 0 0 0 K,1 7 5 0 K,1 5 0 0 K,1 0 0 0 K,单色辐出度函数及曲线线,普朗克

6、的黑体,普朗克的能量子假设,频率为n 的谐振子，吸收和发射能量的最小值 称为能量子（或量子）,黑体例二,黑体例三,黑体例四,解（1）,基元能量,（2）,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.,量子观念在“非难”中得到发展 普朗克引入了“能量子”的假设，标志着量子物理学的诞生，具有划时代的意义。但是由于这个假设对经典物理学致命的打击，所以他同时代的那些物理学家对这一观念都表示疑惑不解，甚至怀疑。洛伦兹说： “关于辐射量子问题的讨论使科学家们都陷在死胡同里了。”,无人问津,普朗克本人也由于受传统的经典观念影响太深，对自己提出的“能量子”思想违反了经典的连续

7、性概念而烦恼和后悔。并一直试图用连续性代替不连续性，回到经典范畴。经过十多年徒劳的努力后，他才相信能量子假设是正确的，作用量子h反映了新理论的本质。,年仅21岁的爱因斯坦，对于新生“量子婴儿”，表现出热情支持的态度。并于1905年提出了“光量子”假设，把量子看成是辐射粒子，赋予量子的实在性，并成功地解释了光电效应实验，捍卫和发展了量子论，不愧为量子物理的一代先驱。,光电效应,1.光电效应实验装置,石英窗,电位器,观测,光,电,光强,I,光频率,n,光电流,I,遏止电压,U,加速电压,25.2 光量子概念,25.2.1 光电效应,实验简介,2.实验规律,实验规律,截止电压与光电子的最大初动满足：

8、,续上,波动理论的困难,爱因斯坦,1905年爱因斯坦,提出光量子（光子）,理论，成功地解释了,光电效应。,1905年爱因斯坦,提出光量子（光子）,理论，成功地解释了,光电效应。,4. 爱因斯坦的光量子理论,光量子理论,(1)爱因斯坦的光量子（光子）理论,光子能、质、动量式,光电方程,(2)爱因斯坦光电效应方程,光电效应光子论解释,(3)光子假说对光电效应的解释,例,例,光电效应例题,用波长l=0.35mm的紫外光照射金属钾做光电效应实验，求 （1）紫外光子的能量、质量和动量； （2）逸出光电子的最大初速度和相应的遏止电势差。,康普顿的发现,25.2.2,康普顿效应概述,偏移散射角实验,不同物质

9、实验,散射要点归纳,偏移机理示意图,光的波动理论无法解释散射线中存在波长 的成分。,康普顿用光子理论予以解释并给出波长偏移量 的理论公式。,l,r,2、康普顿波长偏移公式,康普顿偏移公式,公式推导,能量守恒,动量守恒,由余弦定理,1,康普顿波长,康普顿公式,3 式减 2 式得,两边除以,康普顿、光电效应比较,康普顿效应与光电效应都涉及光子与电子的相互作用。,在光电效应中，入射光为可见光或紫外线，其光子能量为ev数量级，与原子中电子的束缚能相差不远，光子能量全部交给电子使之逸出，并具有初动能。光电效应证实了此过程服从能量守恒定律。,在康普顿效应中，入射光为X射线或 g射线,光子能量为104 ev

10、 数量级甚至更高，远大于散射物质中电子的束缚能，原子中的外层的电子可视为自由电子，光子能量只被自由电子吸收了一部分并发生散射。康普顿效应证实了此过程可视为弹性碰撞过程，能量、动量均守恒，更有力地证实了光的粒子性。,康普顿效应例一,康普顿效应例二,康普顿效应例三,康普顿效应例四,25.3.1 卢瑟福的原子有核模型,1897年 J.J.汤姆孙发现电子,1903年，汤姆孙提出原子的“葡萄干蛋糕模型”,原子中的正电荷和原子的质量均匀地分布在半径为 的球体范围内，电子浸于其中 .,25.3 玻尔的氢原子量子论,电子,卢瑟福的原子有核模型（行星模型）,原子的中心有一带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质

11、量，电子围绕这个核旋转，核的尺寸与整个原子相比是很小的 .,粒子散射实验的结果,有一部分粒子被弹回,卢瑟福核模型的缺陷,根据经典电磁理论，电子绕核作匀速圆周运动，作加速运动的电子将不断向外辐射电磁波。,1.氢原子光谱的规律,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,氢原子光谱,从1885年至1924年科学家们先后在可见光、紫外和红外区发现了氢原子的光谱线系列，并得到普遍的实验规律：,系序数 m,系内的线序数 l,1890 年瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式,经典理论的困难,2.经典理论解释原子光谱规律的困难,玻尔续量子实验,定态假设,玻尔理论的三个重要假设,定态假设,定态

12、假设,玻尔理论的三个重要假设,量子化条件假设,定态假设,玻尔理论的三个重要假设,电子的轨道,能级,氢原子的能级,玻尔的分析,1,n,n,c,l,3.氢原子的能级跃迁与光谱系,、,由,波数为,及,得,的频率条件,由 n 跃迁到 k (n k),算例,氢原子吸收 E ,从基态 E1可能跃迁至某激发态 En,E = En E1 = E1,n,E1,2,=,n,1+E/E1,1, 3,可能幅射的谱线波长,1914 年弗兰克 赫兹从实验上证实了原子存在分立的能级，1925 年他们因此而获物理学诺贝尔奖 .,25.4 弗兰克 赫兹实验,玻尔的氢原子理论开创了运用量子概念研究原子光谱的先河，玻尔的创新点: 1) 第一个将量子化概念用到原子结构上。 2) 第一个将原子光谱与原子中电子跃迁联系起来。 3) 第一个将卢瑟福的原子模型,