量子物理1 前言 早期量子論

1、 前前 言言 在在2020世紀初，發(fā)生了三次概念上的革世紀初，發(fā)生了三次概念上的革 命，它們深刻地改變了人們對物理世界的命，它們深刻地改變了人們對物理世界的 了解，這就是了解，這就是狹義相對論狹義相對論（1905年）、年）、廣廣 義相對論義相對論（1916年）和年）和量子力學量子力學（1925 年）。年）。 -楊振寧楊振寧 經典物理（經典物理（1819 世紀）世紀） 牛頓力學牛頓力學 熱力學熱力學 經典統(tǒng)計力學經典統(tǒng)計力學 經典電磁理論經典電磁理論 19世紀末趨于完善世紀末趨于完善 從從19世紀末到世紀末到20世紀初，經典物理學的理世紀初，經典物理學的理 論遇到了困難論遇到了困難無法解釋一系列

2、重大的實驗無法解釋一系列重大的實驗 發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)。開爾文：大廈基本建成開爾文：大廈基本建成 兩朵兩朵 烏云烏云 MM實驗實驗 黑體輻射黑體輻射 相對論相對論 量子論量子論 量子力學量子力學 近代物理（近代物理（20世紀）世紀） A 舊量子論的形成（舊量子論的形成（沖破經典量子假說沖破經典量子假說） 1900 Planck 振子能量量子化振子能量量子化 普朗克為了解決經典理論解釋普朗克為了解決經典理論解釋黑體輻黑體輻 射射規(guī)律的困難，引入了能量子的概念，為規(guī)律的困難，引入了能量子的概念，為 量子理論奠定了基礎。量子理論奠定了基礎。 Einstein 電磁輻射能量量子化電磁輻射能量量子化 愛因斯坦愛

3、因斯坦針對光電效應實驗與經典理針對光電效應實驗與經典理 論的矛盾，提出了論的矛盾，提出了光量子光量子的假說，為量子的假說，為量子 理論的進一步發(fā)展打開了局面。理論的進一步發(fā)展打開了局面。 1913 N.Bohr 原子能量量子化原子能量量子化 玻爾玻爾在盧瑟福原子有核模型的基礎上在盧瑟福原子有核模型的基礎上 ，應用量子化的概念解釋了，應用量子化的概念解釋了氫原子氫原子光譜，光譜， 從而使從而使前期量子論前期量子論取得了很大的成功。取得了很大的成功。 B、量子力學的建立（、量子力學的建立（嶄新概念嶄新概念） 1923 de Broglie 電子具有波動性電子具有波動性 1926 - 27 Davi

4、sson, G.P.Thomson 電子衍射實驗電子衍射實驗 1925 Heisenberg 矩陣力學矩陣力學 1926 Schroedinger 波動方程波動方程 1928 Dirac 相對論波動方程相對論波動方程 一、一、 熱輻射及其特點熱輻射及其特點 任何物體在任何溫度下都會任何物體在任何溫度下都會由于分子熱運動由于分子熱運動 而而導致物體輻射電磁波導致物體輻射電磁波 溫度不同時溫度不同時 輻射的波長分布不同輻射的波長分布不同 例如：鐵塊例如：鐵塊 溫度溫度 從從暗紅暗紅到到橙色橙色到到黃白色黃白色 這種與溫度有關的輻射這種與溫度有關的輻射 稱為稱為熱輻射熱輻射 - - 熱能轉化為電磁能

5、的過程熱能轉化為電磁能的過程 1 黑體輻射和普朗克的能量子假說黑體輻射和普朗克的能量子假說 第第1章章 早期量子理論早期量子理論 鐵塊溫度升高時顏色的變化鐵塊溫度升高時顏色的變化 逐漸升溫逐漸升溫 鋼水鋼水 二、平衡熱輻射二、平衡熱輻射 加熱一物體加熱一物體 物體的溫度恒定時物體的溫度恒定時 物體所吸收的能量等于在同一時間內物體所吸收的能量等于在同一時間內 輻射的能量輻射的能量 這時得到的輻射稱為平衡熱輻射這時得到的輻射稱為平衡熱輻射 討論討論 平衡熱輻射的規(guī)律平衡熱輻射的規(guī)律 三、三、 黑體輻射黑體輻射 1. 研究熱輻射的理想模型研究熱輻射的理想模型 - 黑體黑體 黑體黑體： 可吸收全部到達

6、它表面的電磁輻射可吸收全部到達它表面的電磁輻射 1859年年 基耳霍夫證明：基耳霍夫證明： 平衡態(tài)時平衡態(tài)時 黑體輻射只依賴于物體的溫度黑體輻射只依賴于物體的溫度 與構成黑體的材料與構成黑體的材料 形狀無關形狀無關 實驗和理論均證明：實驗和理論均證明： 在各種材料中在各種材料中 黑體的光譜輻射度最大黑體的光譜輻射度最大 黑體是吸收（輻射）能力最強的物體。黑體是吸收（輻射）能力最強的物體。 維恩設計的黑體維恩設計的黑體 不透明介質空腔開一小孔，不透明介質空腔開一小孔， 小孔表面是黑體。小孔表面是黑體。 煉鋼爐上的小洞煉鋼爐上的小洞 向遠處觀察窗子向遠處觀察窗子 b = 2.89775610-3

7、mK 2. 黑體輻射實驗規(guī)律黑體輻射實驗規(guī)律 1) 實驗規(guī)律一實驗規(guī)律一 維恩位移定律維恩位移定律 bT m = 5.67 10-8 W/m2K4 2) 實驗規(guī)律二實驗規(guī)律二 斯特藩斯特藩 - 玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律 4 TTM)( 單位時間內從物體單單位時間內從物體單 位表面發(fā)出的波長在位表面發(fā)出的波長在 附近單位波長間隔附近單位波長間隔 內的電磁波的能量內的電磁波的能量 四、經典物理學遇到的困難四、經典物理學遇到的困難 如何從理論上找到符合實驗結果的如何從理論上找到符合實驗結果的函數(shù)式函數(shù)式? ? T eTM / )( 3 為常數(shù)為常數(shù) 1896年維恩從經典年維恩從經典 熱力學理論及實驗

8、熱力學理論及實驗 數(shù)據分析得出數(shù)據分析得出 1. 維恩公式維恩公式 高頻段與實驗符合很好高頻段與實驗符合很好， 低頻段明顯偏離。低頻段明顯偏離。 kT c TM 2 2 2 )( 2. 瑞利瑞利-金斯公式金斯公式 231 1.38066 10J Kk 低頻段與實驗符合較好，低頻段與實驗符合較好， 高頻段出現(xiàn)高頻段出現(xiàn)“災難性災難性”偏偏 離離 1900年從經典電動年從經典電動 力學和統(tǒng)計物理學力學和統(tǒng)計物理學 理論推導而得理論推導而得 /1014Hz M (10 - 9 W/(m2 Hz) 0 實驗曲線實驗曲線 （1896） （1900） K2000 T “紫外災難紫外災難” “ 物理學晴空中

9、物理學晴空中 的一朵烏云的一朵烏云!” 由由經典理論經典理論導導 出的出的M (T) 公式都與實驗公式都與實驗 結果不符合！結果不符合！ 五、普朗克的能量子假說和黑體輻射公式五、普朗克的能量子假說和黑體輻射公式 黑體輻射公式黑體輻射公式 1 2 3 2 kTh e c h TM / )( sJ. 34 106266h M.Planck 德國人德國人 18581947 1900年年10月，普朗克利用數(shù)學上月，普朗克利用數(shù)學上 的內插法，把適用于的內插法，把適用于高頻高頻的維恩的維恩 公式和適用于公式和適用于低頻低頻的瑞利金斯的瑞利金斯 公式銜接起來，得到一個半經驗公式銜接起來，得到一個半經驗 公

10、式，即公式，即普朗克黑體輻射公式：普朗克黑體輻射公式： 實驗物理學家實驗物理學家魯本斯魯本斯（Rubens）把它同實驗結果把它同實驗結果 比較，發(fā)現(xiàn)比較，發(fā)現(xiàn)：在全波段與實驗結果驚人地符合！在全波段與實驗結果驚人地符合！ 普朗克認為：普朗克認為：空腔內壁（空腔內壁（輻射黑體）輻射黑體）的分的分 子、原子可以看成是帶電的子、原子可以看成是帶電的線性諧振子線性諧振子；這些；這些 諧振子振動時諧振子振動時向外向外輻射輻射能量（也可能量（也可吸收吸收能量）能量）。 2. 普朗克的能量子假設普朗克的能量子假設 普朗克能量子假設普朗克能量子假設：諧振子的能量諧振子的能量不連續(xù)，不連續(xù)， 只能是最小能量只能

11、是最小能量 = h 的整數(shù)倍：的整數(shù)倍： E = n n = 1, 2, 3. 物體發(fā)射或吸收電磁輻射時，交換能量的最小物體發(fā)射或吸收電磁輻射時，交換能量的最小 單位是單位是“能量子能量子” 即諧振子的能量是即諧振子的能量是量子化量子化的的 能量子能量子 在這一假設基礎上，再運用經典的統(tǒng)計物在這一假設基礎上，再運用經典的統(tǒng)計物 理方法就可推出普朗克黑體輻射公式。理方法就可推出普朗克黑體輻射公式。 能量子的假設對于經典物理來說是離經叛能量子的假設對于經典物理來說是離經叛 道的，就連普朗克本人當時都覺得難以置信。道的，就連普朗克本人當時都覺得難以置信。 為了回到經典的理論體系，在一段時間內他總為了

12、回到經典的理論體系，在一段時間內他總 想用能量的連續(xù)性來解決黑體輻射問題，但都想用能量的連續(xù)性來解決黑體輻射問題，但都 沒有成功。沒有成功。 普朗克的能量子假說普朗克的能量子假說打破了打破了“一切自然過一切自然過 程能量都是連續(xù)的程能量都是連續(xù)的”經典理論。經典理論。能量子能量子概念的概念的 提出標志了量子力學的誕生，普朗克為此獲得提出標志了量子力學的誕生，普朗克為此獲得 1918年諾貝爾物理學獎。年諾貝爾物理學獎。 例：設想一質量為例：設想一質量為 m = 1 g 的小珠子懸掛在一個的小珠子懸掛在一個 小輕彈簧下面作振幅小輕彈簧下面作振幅 A = 1 mm的諧振動的諧振動 彈簧的勁度系數(shù)彈簧

13、的勁度系數(shù) k = 0.1 N/m 按量子理論計算按量子理論計算 此彈簧振子的能級間隔多大？此彈簧振子的能級間隔多大？ 減少一個能量子時振動能量的相對變化是多少？減少一個能量子時振動能量的相對變化是多少？ 解：彈簧振子的頻率解：彈簧振子的頻率 1 3 s591 10 10 286 1 2 1 . . .m k 為什么在宏觀世界中觀察不到能量分立的現(xiàn)象為什么在宏觀世界中觀察不到能量分立的現(xiàn)象? ? 能級間隔能級間隔J10051591106266 3334 .hE 振子能量振子能量 J1051010 2 1 2 1 862 .kAE 相對能量變化相對能量變化 26 8 33 102 105 100

14、51 . E E 現(xiàn)在的技術條件下所能達到的最高的能量分辨現(xiàn)在的技術條件下所能達到的最高的能量分辨 率為：率為： 16 10 E E 所以宏觀的能量變化看起來都是連續(xù)的所以宏觀的能量變化看起來都是連續(xù)的 經典經典 能量能量 量子量子 2 光電效應和愛因斯坦的光量子論光電效應和愛因斯坦的光量子論 光電效應光電效應: : 光照射某些金屬時光照射某些金屬時 從金屬表面釋放出從金屬表面釋放出 電子的效應。電子的效應。 產生的電子稱為產生的電子稱為光光 電子電子。光電子光電子在電在電 場加速下向陽極運場加速下向陽極運 動，就形成動，就形成光電流光電流。 V G OO OO OO B OO 照射光照射光

15、. KA 光電管光電管 一、光電效應的實驗規(guī)律一、光電效應的實驗規(guī)律 光電效應伏安特性曲線光電效應伏安特性曲線 I OU 光強較強光強較強 光強較弱光強較弱 Im2 Im1 加速電壓增大時加速電壓增大時光光 電流增大，電流增大，加速電加速電 壓增大到一定值時壓增大到一定值時 光電流達到飽和。光電流達到飽和。 1. 飽和電流飽和電流 Im Ua 截止電壓截止電壓 2. 截止電壓截止電壓 Ua 截止電壓與照射光截止電壓與照射光 的頻率有關，的頻率有關，而與而與 光強無關。光強無關。 3. 紅限頻率紅限頻率 Cs Ca Na 4.06.08.010.0 UaV 1014Hz 4.0 2.0 對于每一

16、種金屬陰極：對于每一種金屬陰極： Ua=K(vv0) 2 m 1 2 a meU v=eK(vv0) 光電子的最大初動能光電子的最大初動能 , ,而與入射光強無關而與入射光強無關v照 照 一、光電效應的實驗規(guī)律一、光電效應的實驗規(guī)律 1. 飽和電流飽和電流 Im 2. 截止電壓截止電壓 Ua 截止電壓截止電壓與照射光頻率的關系與照射光頻率的關系 4. 瞬時效應瞬時效應 馳豫時間馳豫時間10-9s 二、波動理論所遇到的困難二、波動理論所遇到的困難 實驗規(guī)律：實驗規(guī)律： 1.飽和電流飽和電流 2.截止電壓截止電壓 3.紅限頻率紅限頻率 4.瞬時效應瞬時效應 經典電磁理論：經典電磁理論： 光波的光波

17、的強度強度( (能量能量) ) 越大，越大，電電 子吸收的能量越多，越能夠達子吸收的能量越多，越能夠達 到陽極。截至電壓應與光強有到陽極。截至電壓應與光強有 關。關。 要打出電子只需克服逸出功。要打出電子只需克服逸出功。 光波的能量分布在波面上，陰光波的能量分布在波面上，陰 極里的電子積累能量克服逸出極里的電子積累能量克服逸出 功需要一段時間，光電效應不功需要一段時間，光電效應不 可能瞬時發(fā)生！可能瞬時發(fā)生！ 光量子具有光量子具有“整體性整體性” 光的發(fā)射、傳播、吸收都是量子化的光的發(fā)射、傳播、吸收都是量子化的 電磁輻射由以光速運動的、局限于空間某一電磁輻射由以光速運動的、局限于空間某一 小范

18、圍的小范圍的光量子（光子）光量子（光子）組成，組成， = h 1.1. 三、愛因斯坦的光量子論三、愛因斯坦的光量子論 普朗克假設只涉及發(fā)射或吸收普朗克假設只涉及發(fā)射或吸收, ,未涉及電磁輻未涉及電磁輻 射在空間的傳播。是不協(xié)調的。射在空間的傳播。是不協(xié)調的。 2. 對光電效應的解釋對光電效應的解釋 一個光子將全部能量交給一個電子一個光子將全部能量交給一個電子 電子用此克服金屬對它的束縛電子用此克服金屬對它的束縛 從金屬中逸出從金屬中逸出 2 1 2 m mhA v A：逸出功：逸出功 愛因斯坦光電效應方程愛因斯坦光電效應方程 當當 A / h 時時 不發(fā)生光電效應不發(fā)生光電效應 紅限頻率紅限頻

19、率 h A 0 截止電壓或光電子的最大初動能與頻率成正比截止電壓或光電子的最大初動能與頻率成正比 a eU 一束光就是一束以速率一束光就是一束以速率c 運動的光子流。運動的光子流。單位單位 時間打到單位面積上的粒子總能量即時間打到單位面積上的粒子總能量即光強光強 光子打出光電子光子打出光電子是是瞬時瞬時發(fā)生的，一次吸收發(fā)生的，一次吸收 光量子光量子假設解釋了光電效應的全部實驗規(guī)律！假設解釋了光電效應的全部實驗規(guī)律！ 在確定的光強下在確定的光強下 I = N h 能夠打出的最大電子數(shù)就是能夠打出的最大電子數(shù)就是 N 飽和飽和電流電流 I 光子數(shù)光子數(shù)N 打出光電子多打出光電子多 im N 粒子流

20、密度粒子流密度 I = N h 1916年年密立根（密立根（R.A.Milikan）做了精確的光電效應做了精確的光電效應 實驗，實驗，進一步進一步證實了愛因斯坦的光子理論。證實了愛因斯坦的光子理論。 密立根密立根由于研究由于研究基本電荷基本電荷 和和光電效應光電效應，特別是通過，特別是通過 著名的著名的油滴實驗油滴實驗，證明電，證明電 荷有最小單位，荷有最小單位，獲得獲得1923 年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎 1868 1953 愛因斯坦愛因斯坦由于對由于對光電效光電效 應應的理論解釋和對的理論解釋和對理論理論 物理學物理學的貢獻，的貢獻， 獲得獲得 1921年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學

21、獎 1879 1955 利用光電效應可以制成光電管、光利用光電效應可以制成光電管、光 電二極管、光電倍增管、光電攝像管、電二極管、光電倍增管、光電攝像管、 光敏電阻、光電池等光電元器件，它光敏電阻、光電池等光電元器件，它 們廣泛應用于自動控制和電影、電視們廣泛應用于自動控制和電影、電視 及其它等領域。及其它等領域。 四、光子的性質四、光子的性質 能量能量 h 質量質量 則則 光子的靜止質量光子的靜止質量 m0 = 0 動量動量 2 mcE h mcP 又 2 c h m 0 2 2 1 m m c v v = c 有限確定值有限確定值 五、光的波粒二象性五、光的波粒二象性 1. 近代認為近代認

22、為光具有波粒二象性光具有波粒二象性 2. 基本關系式基本關系式 粒子性：粒子性：能量能量 動量動量P 數(shù)量數(shù)量N 波動性：波動性：波長波長 頻率頻率 振幅振幅E0 一些情況下一些情況下 突出顯示波動突出顯示波動性性 一些情況下一些情況下 突出顯示粒子突出顯示粒子性性 kn h Ph 式中式中波矢量波矢量 h 2 2 nk 2 3. 波動性和粒子性的統(tǒng)一波動性和粒子性的統(tǒng)一 光作為電磁光作為電磁波波是是 彌散彌散在空間在空間 而而連續(xù)連續(xù)的的 光作為光作為粒子粒子在在 空間中是空間中是集中集中 而而分立分立的的 波動性波動性:某處某處明明亮亮 則某處則某處光強光強大大 即即 I 大大 怎樣統(tǒng)怎樣

23、統(tǒng) 一一 ? 光子數(shù)光子數(shù) N I E02 粒子性粒子性:某處某處明明亮亮 則某處則某處光子光子多多 即即N大大 光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強度決定光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強度決定 I 大大 光子出現(xiàn)概率大光子出現(xiàn)概率大I 小小 光子出現(xiàn)概率小光子出現(xiàn)概率小 統(tǒng)一于統(tǒng)一于概率波概率波理論理論 單縫衍射單縫衍射 光子在某處出現(xiàn)的概率和光子在某處出現(xiàn)的概率和 該處光振幅的平方成正比該處光振幅的平方成正比 光子數(shù)光子數(shù) N I E02 晶體晶體 光闌光闌 X 射線管射線管 探探 測測 器器 X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體 (散射物質散射物質) j 1922-231922-23年年

24、康普頓研究了康普頓研究了X射線在石墨上的散射射線在石墨上的散射 0 散射波長散射波長 康普頓散射康普頓散射 3 康普頓效應康普頓效應 在散射線在散射線 中有比入中有比入 射射波長更波長更 長長的射線的射線 0 稱為稱為康普康普 頓散射頓散射 =0 O j =45 O j =90 O j =135 O j . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o （

25、A）0.7000.750波長波長 . . . . . 0 0 一、實驗一、實驗 規(guī)律規(guī)律 散射曲線的特點散射曲線的特點： 1. 除原波長除原波長 0外出外出 現(xiàn)了移向現(xiàn)了移向長波長波方面方面 的的新新的散射波長的散射波長 2. 新波長新波長 隨散射隨散射 角的增大而增大角的增大而增大 3. 當當散射角增大散射角增大時時 原波長原波長的譜線強度的譜線強度 降低降低，而而新波長新波長的的 譜線強度譜線強度升高升高 稱為電子的稱為電子的Compton波長波長 )cos1 (j c 只有當入射波長只有當入射波長 0 0與與 c c可比擬時可比擬時 康普頓效康普頓效 應才顯著應才顯著 因此要用因此要用X

26、 X射線才能觀察到射線才能觀察到 波長的偏移只與散射角波長的偏移只與散射角j j 有關，有關，實驗規(guī)律是：實驗規(guī)律是： 0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（實驗值實驗值） 經典理論又一次遇到困難經典理論又一次遇到困難 經典散射理論：經典散射理論： 當波長當波長 0 0的射線入射后的射線入射后 使電偶極子使電偶極子受迫振動受迫振動 發(fā)出散射波的波長在發(fā)出散射波的波長在各方均各方均是是 0 0 康普頓采用了愛因斯坦的康普頓采用了愛因斯坦的光量子光量子假說假說 成功成功地解釋了實驗現(xiàn)象地解釋了實驗現(xiàn)象 進一步證明了光量子假說的正確性進一步證明了光量子假說的正確性 電子功函數(shù)電子功函數(shù)

27、量級幾個量級幾個 eV 二、二、Compton 的解釋的解釋 1. 物理圖像物理圖像 單個單個光子與光子與單個單個電子電子發(fā)生發(fā)生完全彈性碰撞完全彈性碰撞 設入射光子能量為設入射光子能量為 h 0 散射光子能量為散射光子能量為h 被碰電子可以看作是被碰電子可以看作是自由電子自由電子 碰前靜止碰前靜止 自由自由 靜止靜止 電子熱運動平均能量電子熱運動平均能量 量級量級10-2 eV 與光子能量與光子能量10 KeV 相比相比 都很小都很小 y ex 電子靜止電子靜止 0 h 0 m y x 散射光散射光 子子 反沖電子反沖電子 h m 入射光子入射光子 碰撞前碰撞前 碰撞后碰撞后 2. Comp

28、ton 散射公式散射公式 0 P 0 h P h j e P 22 00 0 mchcmh PPP e 2 20 2 1 ( / ) mh mP cc v 康普頓康普頓假設假設: : 完全彈性碰撞完全彈性碰撞 遵守遵守動量守恒動量守恒定律和定律和能量守恒能量守恒定律：定律： 利用相對論質利用相對論質速關系和能速關系和能 量與動量關系量與動量關系 得出結果得出結果 反沖電子反沖電子 散射光子散射光子 c 0 0 hh eem cc v )cos(j 1 0 0 cm h 電子的電子的Compton波長波長 o A0486. 02 c j o 0 A0242630. cm h c 波長改變最大波長

29、改變最大 實驗值實驗值 c = 0.0241 =2.41 10-3nm 0 P 0 h P h j e P 反沖電子反沖電子 散射光子散射光子 這是因為光子還可與石墨中被原子核束縛這是因為光子還可與石墨中被原子核束縛 為什么康普頓散射中還有原波長為什么康普頓散射中還有原波長 0 呢呢？ 光子和整個原子碰撞。光子和整個原子碰撞。 內層電子束縛能內層電子束縛能103104eV，不能視為自由，不能視為自由， 而應視為與原子是一個整體。而應視為與原子是一個整體。 所以這相當于所以這相當于 光子光子原子原子 mm 即即 散射光子波長不變，散射光子波長不變，散射線中還有與原波長散射線中還有與原波長 在彈性

30、碰撞中，入射光子幾乎不損失能量，在彈性碰撞中，入射光子幾乎不損失能量， 得很緊的電子發(fā)生碰撞。得很緊的電子發(fā)生碰撞。 相同的射線。這種波長不變的散射叫相同的射線。這種波長不變的散射叫瑞利散射瑞利散射 原子序數(shù)愈大的散射體原波長的成分愈多。原子序數(shù)愈大的散射體原波長的成分愈多。 3.康普頓散射實驗的意義康普頓散射實驗的意義 支持了支持了“光量子光量子”概念概念 進一步證實進一步證實 了了 首次在實驗上證實了愛因斯坦提出的首次在實驗上證實了愛因斯坦提出的 “光量子具有動量光量子具有動量”的假設的假設 證實了證實了在微觀領域的單個碰撞事件中在微觀領域的單個碰撞事件中 動量守恒和能量守恒定律仍然成立動

31、量守恒和能量守恒定律仍然成立 康普頓獲得康普頓獲得1927年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎 P = E/c = h /c = h/ = h 19251926年年 吳有訓用銀的吳有訓用銀的X射線射線 ( 0 =5.62nm) 為入射線，以為入射線，以15種輕重種輕重 不同的元素為散射物質，不同的元素為散射物質，在同一散射在同一散射 角角( ( ) )測量各種波長的散射光測量各種波長的散射光 強度，做了大量強度，做了大量X 射線散射實驗。射線散射實驗。 1923年年 參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應的工作參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應的工作 對證實康普頓效應對證實康普頓效應 作出了重要貢獻。作出了重要貢獻。 0 120

32、 j j 吳有訓吳有訓 18971977 物理學家、教育家、物理學家、教育家、 中國科學院副院長，中國科學院副院長， 19281928年被葉企孫聘年被葉企孫聘 為清華大學物理系為清華大學物理系 教授，曾任清華大教授，曾任清華大 學物理系主任、理學物理系主任、理 學院院長。學院院長。 三、吳有訓對研究康普頓效應的貢獻三、吳有訓對研究康普頓效應的貢獻 1. 與散射物質無關與散射物質無關 僅與散射角有關僅與散射角有關 曲線表明曲線表明 0 II 輕元素輕元素 0 II 重元素重元素 2. 吳有訓吳有訓 的康普的康普 頓效應頓效應 散射實散射實 驗曲線驗曲線 0 120 j j 證實了康普頓效應的普遍

33、性證實了康普頓效應的普遍性 證實了兩種散射線的產生機制證實了兩種散射線的產生機制 外層電子外層電子( (自由電子自由電子) )散射散射 0 0內層電子內層電子( (整個原子整個原子) )散射散射 在康普頓的一本著作在康普頓的一本著作 “X-Rays in theory and experiment”(1935) )中中 19處處引用了吳有訓的工作。引用了吳有訓的工作。 書中兩圖并列作為康普頓效應的證據書中兩圖并列作為康普頓效應的證據 意義意義: : 光電、康普頓效應作業(yè)光電、康普頓效應作業(yè): 5-19, 21, 41, 42, 43, 量子理論發(fā)展進程中必須提及的貢獻量子理論發(fā)展進程中必須提及

34、的貢獻 首次把首次把量子思想用到原子結構和原子光譜量子思想用到原子結構和原子光譜 1. 原子的核式原子的核式( (行星行星) )結構結構 通過大量實驗確認了通過大量實驗確認了盧瑟福的原子核式模型盧瑟福的原子核式模型 一、實驗事實一、實驗事實 2. .原子光譜原子光譜 離散的離散的線狀譜線狀譜 4 玻爾的量子假設玻爾的量子假設 紅紅藍藍紫紫 6562.84340.54861.3 1) )氫原子的可見光光譜氫原子的可見光光譜 ： 。 1853年瑞典人年瑞典人埃格斯特朗埃格斯特朗（A.J.Angstrom） A即由此得來即由此得來 。 測得氫可見光光譜的紅線測得氫可見光光譜的紅線 2) ) 氫原子光

35、譜的規(guī)律氫原子光譜的規(guī)律 可見光譜線的可見光譜線的巴耳末公式巴耳末公式 波波數(shù)數(shù))( 22 1 2 11 n R ),( 543n R稱稱為為里德伯常量里德伯常量 -1 m 7 100967761 .R Lyman series Balmer series Paschen series Brackett series Pufangde series 紫外區(qū)紫外區(qū) 紅外區(qū)紅外區(qū) 可可見見區(qū)區(qū) 后在實驗上又進一步發(fā)現(xiàn)氫光譜的其他線系后在實驗上又進一步發(fā)現(xiàn)氫光譜的其他線系 賴曼系賴曼系 巴耳末系巴耳末系 帕邢系帕邢系 布喇開系布喇開系 普芳德系普芳德系 到到18851885年年 觀測到的觀測到的 氫

36、原子光氫原子光 譜線已有譜線已有 1414條。條。 進一步總結光譜規(guī)律進一步總結光譜規(guī)律得到得到廣義巴耳末公式廣義巴耳末公式 22 111 nm R ;, 2 , 1( m), 2, 1 mmn 21nm,Lyman series 32nm,Balmer series 43nm,Paschen series 54nm, Brackett series 65nm,Pufangde series 3) )光譜項光譜項 里茲組合原理里茲組合原理 將氫原子光譜規(guī)律推廣將氫原子光譜規(guī)律推廣 到一般發(fā)光，得：到一般發(fā)光，得： )()(nTmT 22 n R nT m R mT)()( 稱為光譜項稱為光譜項

37、 根據經典電磁理論，電子根據經典電磁理論，電子 繞核作勻速圓周運動，作加速繞核作勻速圓周運動，作加速 運動的電子將不斷向外輻射電運動的電子將不斷向外輻射電 磁波磁波, , 原子的能量不斷減小原子的能量不斷減小 v F r e e + 電子繞核旋轉的頻率也電子繞核旋轉的頻率也逐漸逐漸 改變，改變，發(fā)射的光譜應是發(fā)射的光譜應是連續(xù)連續(xù) 譜譜； 最終最終電子將電子將坍縮坍縮到原子核到原子核 上上原子不穩(wěn)定。原子不穩(wěn)定。 e + e 二、經典物理的困難二、經典物理的困難 三、氫原子的玻爾理論三、氫原子的玻爾理論 1. 玻爾的三條假設玻爾的三條假設 以普朗克能量子和愛因斯坦光子概念為基礎以普朗克能量子和

38、愛因斯坦光子概念為基礎 1) 定態(tài)假設定態(tài)假設 原子系統(tǒng)只能處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)原子系統(tǒng)只能處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài) 這些狀態(tài)稱為原子系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)這些狀態(tài)稱為原子系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài) 簡稱簡稱定態(tài)定態(tài) 相應能量分別記為相應能量分別記為 E1, E2, E3 ,(E1E2E3 ) 電子的角動量為電子的角動量為 2) ) 躍遷假設躍遷假設( (頻率條件頻率條件) ) 當原子從一個能量為當原子從一個能量為En的定態(tài)躍遷到另一個的定態(tài)躍遷到另一個 能量為能量為Em的定態(tài)時發(fā)射的定態(tài)時發(fā)射(或吸收或吸收) 一個一個 頻率為頻率為 的光子，的光子，光子的光子的 頻率條件是頻率條件是 mn EEh 3)

39、 )角動量量子化假設角動量量子化假設 電子繞核運動時，所處的穩(wěn)定狀態(tài)必須滿足：電子繞核運動時，所處的穩(wěn)定狀態(tài)必須滿足： ,1,2,3,Lnn n量子數(shù)量子數(shù)即角動量取值是量子化的即角動量取值是量子化的 定態(tài)假設定態(tài)假設 頻率條件頻率條件 角動量量子化假設角動量量子化假設 , 21 EE mn EEh nL 2. 玻爾對氫原子的工作玻爾對氫原子的工作 1)求出了氫原子的能級公式求出了氫原子的能級公式和軌道半徑和軌道半徑 ,1,2,n 玻爾氫原子理論的三條假設玻爾氫原子理論的三條假設: : 氫原子軌道半徑和能量的計算氫原子軌道半徑和能量的計算 由由庫侖定律庫侖定律和和牛頓運動定律牛頓運動定律: 22 2 0 4 Ze m rr v Z原子序數(shù)原子序數(shù) 氫原子氫原子Z=1 Lm rn vn=1, 2, 3,