南方醫(yī)科大學(xué)大學(xué)物理李貞姬ch131 2 3lzj

1、n.玻爾、玻爾、m.玻恩、玻恩、 w.l.布拉格、布拉格、l.v.德布羅意、德布羅意、a.h.康普頓、康普頓、m.居里、居里、p.a.m 狄喇克、狄喇克、a.愛因斯坦、愛因斯坦、w.k.海森堡、海森堡、郞郞之萬、之萬、w.泡利、普朗克、薛定諤泡利、普朗克、薛定諤 等等 第五次索爾維會(huì)議與會(huì)者合影第五次索爾維會(huì)議與會(huì)者合影(1927年) 量子力學(xué)基礎(chǔ)量子力學(xué)基礎(chǔ)基本要求1.了解熱輻射的基本規(guī)律。2.掌握普朗克能量量子概念和量子假設(shè)。3.掌握愛因斯坦的光電效應(yīng)方程。 4.理解康普頓散射和光電效應(yīng)中的能量量 子化本質(zhì)。 5.認(rèn)識(shí)光的本性波粒二象性。 從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理概述從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理概述

2、物理學(xué)的分支及近年來發(fā)展的總趨勢(shì)物理學(xué)的分支及近年來發(fā)展的總趨勢(shì)物理學(xué)物理學(xué)經(jīng)典物理經(jīng)典物理現(xiàn)代物理現(xiàn)代物理力學(xué)力學(xué)熱學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)電磁學(xué)光學(xué)光學(xué)相對(duì)論相對(duì)論量子論量子論非線性非線性時(shí)間時(shí)間 t關(guān)關(guān)鍵鍵概概念念的的發(fā)發(fā)展展力學(xué)力學(xué)電磁學(xué)電磁學(xué)熱學(xué)熱學(xué)相對(duì)論相對(duì)論量子論量子論1600 1700 1800 1900尋找以太尋找以太的零結(jié)果的零結(jié)果16世紀(jì)中葉世紀(jì)中葉19世紀(jì)末：世紀(jì)末：物理學(xué)經(jīng)歷了重大突破物理學(xué)經(jīng)歷了重大突破伽利略、牛頓、克勞修斯伽利略、牛頓、克勞修斯 力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理（機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱現(xiàn)象）（機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱現(xiàn)象）法拉第、麥克斯韋法拉第、麥克斯韋 電磁理論電磁理論（電磁現(xiàn)象、光

3、）（電磁現(xiàn)象、光）完整的經(jīng)典物理理論體系：人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)到了盡頭黑體輻射黑體輻射光電效應(yīng)光電效應(yīng)原子光譜線原子光譜線物理學(xué)晴朗的天空物理學(xué)晴朗的天空出現(xiàn)了幾朵令人不出現(xiàn)了幾朵令人不安的安的烏云烏云相對(duì)論相對(duì)論和和量子理論量子理論的誕生撥開了的誕生撥開了烏云烏云深刻改變了人們對(duì)深刻改變了人們對(duì)物理世界的了解！物理世界的了解！1.1 經(jīng)典物理學(xué)的困難 宏觀物理的機(jī)械運(yùn)動(dòng)： 牛頓力學(xué)電磁現(xiàn)象： 麥克斯韋方程光現(xiàn)象： 光的波動(dòng)理論熱現(xiàn)象: 熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為物理學(xué)的重要定律均已發(fā)現(xiàn)，理論已相當(dāng)完善了，以后的任務(wù)只是提高實(shí)驗(yàn)精度和研究理論的應(yīng)用。19世紀(jì)末20世紀(jì)初：“在物理學(xué)晴朗天空

4、的遠(yuǎn)處還有兩朵小小的、令人不安的烏云。”：（1）“紫外災(zāi)難”，經(jīng)典理論得出的瑞利金斯公式，在高頻部分趨無窮。（2）“以太漂移”，邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)表明，不存在以太。歷史有驚人的相似之處，當(dāng)前，處于21世紀(jì)之初，物理學(xué)碩果累累，但也遇到兩大困惑：“夸克禁閉”和“對(duì)稱性破缺”。預(yù)示物理學(xué)正面臨新的挑戰(zhàn)。黑體輻射 光電效應(yīng) 原子的光譜線系 固體低溫下的比熱 光的波粒二象性 玻爾原子結(jié)構(gòu)理論（半經(jīng)典）微觀粒子的波粒二象性 量子力學(xué)經(jīng)典物理學(xué)只適用于宏觀尺度，速度遠(yuǎn)小于光速情形；經(jīng)典物理學(xué)只適用于宏觀尺度，速度遠(yuǎn)小于光速情形；它是狹義相對(duì)論和量子理論在以上情形的近似理論。它是狹義相對(duì)論和量子理論在以上情形

5、的近似理論。警惕！警惕！在宏觀尺度上建立起來的在宏觀尺度上建立起來的日常生活日常生活習(xí)慣認(rèn)識(shí)習(xí)慣認(rèn)識(shí)在近代物理的范疇常常失效。在近代物理的范疇常常失效。尺度尺度速度速度經(jīng)典物理學(xué)經(jīng)典物理學(xué)量量子子理理論論狹狹 義義 相相 對(duì)對(duì) 論論宇宇宙宙 論論宇觀宇觀宏觀宏觀微觀微觀v a/h 時(shí)，時(shí)，電子吸收一個(gè)光子即可克服逸出功電子吸收一個(gè)光子即可克服逸出功 a 逸出逸出( ) 。ha/0 電子吸收一個(gè)光子即可逸出，不需要長(zhǎng)時(shí)間的能量積累。電子吸收一個(gè)光子即可逸出，不需要長(zhǎng)時(shí)間的能量積累。 自然解釋了光電效應(yīng)的瞬時(shí)性。自然解釋了光電效應(yīng)的瞬時(shí)性。chchm2hchcmp光子動(dòng)量光子動(dòng)量四四. 光的波粒二

6、象性光的波粒二象性hcme2光子能量光子能量光子質(zhì)量光子質(zhì)量粒子性粒子性波動(dòng)性波動(dòng)性光的波粒二象性四四. 光的波粒二象性光的波粒二象性 光的波粒二象性光的波粒二象性光是光是粒子性粒子性和和波動(dòng)性波動(dòng)性矛盾的統(tǒng)一體。在不同的條件下，主要矛盾的統(tǒng)一體。在不同的條件下，主要矛盾方面會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化。矛盾方面會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化。例如例如在干涉和衍射實(shí)驗(yàn)的條件下，波動(dòng)性就成為主要矛盾，光的在干涉和衍射實(shí)驗(yàn)的條件下，波動(dòng)性就成為主要矛盾，光的行為表現(xiàn)為行為表現(xiàn)為“波波”；而在原子吸收和發(fā)射光的情況下，粒子性成為主要矛盾，光而在原子吸收和發(fā)射光的情況下，粒子性成為主要矛盾，光的行為表現(xiàn)出象的行為表現(xiàn)出象“粒子粒子”。19

7、21年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金則是由于他提出了光量子概念和發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)定律而獲得的。 00 散射線中有兩種波長(zhǎng)散射線中有兩種波長(zhǎng) 0 、 探測(cè)器 013- 3 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)一一. 實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)規(guī)律x 光管光闌散射物體 * 波長(zhǎng)的增加量波長(zhǎng)的增加量 與散射角與散射角 有關(guān)有關(guān),與散射物質(zhì)的與散射物質(zhì)的 性質(zhì)性質(zhì)無關(guān)無關(guān)。0實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果： * 康普頓散射的康普頓散射的強(qiáng)度與散射物質(zhì)有關(guān)強(qiáng)度與散射物質(zhì)有關(guān)。 原子量小的散射物質(zhì)原子量小的散射物質(zhì) 康普頓散射較強(qiáng)，即康普頓散射較強(qiáng)，即 正常峰較低。反之相反。正常峰較低。反之相反?？灯疹D康普頓 1927年年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)

8、于于1926年年對(duì)不同散射物質(zhì)對(duì)不同散射物質(zhì)進(jìn)行了研究進(jìn)行了研究二二. 經(jīng)典物理的解釋經(jīng)典物理的解釋經(jīng)典理論只能說明波長(zhǎng)不變的散射，而經(jīng)典理論只能說明波長(zhǎng)不變的散射，而不能不能說明說明康普頓散射康普頓散射。電子受電子受迫振動(dòng)迫振動(dòng)同頻率同頻率散射線散射線發(fā)射發(fā)射 單色單色電磁波電磁波說明說明受迫振動(dòng)受迫振動(dòng)00 00 照射照射散射物體0 三三. 光子理論解釋光子理論解釋能量、動(dòng)量守恒能量、動(dòng)量守恒1. 入射光子與外層電子彈性碰撞入射光子與外層電子彈性碰撞 外層外層電子電子受原子核束縛較弱受原子核束縛較弱動(dòng)能動(dòng)能光子能量光子能量 近似自由近似自由近似靜止近似靜止靜止靜止 自自由由 電子電子sin

9、sincoscos0vvmchmchch2200mchcmh0hh20cm2mcch0chvm0 2. x 射線光子和原子內(nèi)層電子相互作用射線光子和原子內(nèi)層電子相互作用光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子，碰撞時(shí)光子不損失能量，波長(zhǎng)不變。光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子，碰撞時(shí)光子不損失能量，波長(zhǎng)不變。原子自由電子000內(nèi)層電子被緊束縛，光子相當(dāng)于和整個(gè)原子發(fā)生碰撞。內(nèi)層電子被緊束縛，光子相當(dāng)于和整個(gè)原子發(fā)生碰撞。所以，波長(zhǎng)改變量所以，波長(zhǎng)改變量2sin220cnm 0024. 0/0cmhc電子的電子的康普頓波長(zhǎng)康普頓波長(zhǎng)光子光子內(nèi)層電子內(nèi)層電子外層電子外層電子波長(zhǎng)變大的散射線波長(zhǎng)變大的散射線波長(zhǎng)不變的散射線波長(zhǎng)不變的散射

10、線說明說明19231923年年 康普頓散射進(jìn)一步證實(shí)了康普頓散射進(jìn)一步證實(shí)了光子論光子論，證明了光子能量、，證明了光子能量、動(dòng)量表示式的正確性，證明了在光電相互作用的過程中嚴(yán)格遵動(dòng)量表示式的正確性，證明了在光電相互作用的過程中嚴(yán)格遵守守能量、動(dòng)量守恒定律能量、動(dòng)量守恒定律。可見光確實(shí)具有?？梢姽獯_實(shí)具有粒子性粒子性。19001900年年 普朗克在確立黑體輻射定律的過程中提出能量量子化普朗克在確立黑體輻射定律的過程中提出能量量子化的假說的假說 ，揭開了，揭開了2020世紀(jì)物理學(xué)革命的序幕，為物理學(xué)找到了世紀(jì)物理學(xué)革命的序幕，為物理學(xué)找到了一個(gè)新的概念基礎(chǔ)。一個(gè)新的概念基礎(chǔ)。19051905年年

11、愛因斯坦提出了光量子假說，進(jìn)一步發(fā)展了普朗克能愛因斯坦提出了光量子假說，進(jìn)一步發(fā)展了普朗克能量量子化的思想。量量子化的思想。19131913年年 玻爾創(chuàng)造性地把量子概念應(yīng)用到盧瑟福的原子模型，玻爾創(chuàng)造性地把量子概念應(yīng)用到盧瑟福的原子模型，建立了氫原子理論，說明了氫光譜線。建立了氫原子理論，說明了氫光譜線。例例 0 = 0.02nm 的的x射線與靜止的自由電子碰撞射線與靜止的自由電子碰撞, 若從與入射線若從與入射線 成成900的方向觀察散射線，求散射線的波長(zhǎng)的方向觀察散射線，求散射線的波長(zhǎng) 。解解 動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒hhek0hchc022011hpeeekmpme22122vhep根據(jù)動(dòng)能、動(dòng)量

12、關(guān)系根據(jù)動(dòng)能、動(dòng)量關(guān)系nm 022. 0，波長(zhǎng)為，波長(zhǎng)為0hepcccc)90cos1 ()cos1 (2sin2020nm 0024. 0/0cmhcnmc0224.00024.002.000例：例：波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為 0.02nm 的的x射線與靜止的自由電子碰撞射線與靜止的自由電子碰撞, 若從與入若從與入射線射線 成成 900 的方向觀察散射線，求（的方向觀察散射線，求（1）散射線的波長(zhǎng)；）散射線的波長(zhǎng)；（2）反沖電子的動(dòng)能；（）反沖電子的動(dòng)能；（3）反沖電子的動(dòng)量。）反沖電子的動(dòng)量。解：解： （1）2sin220cmhnm0024. 00nm022. 0（2）反沖電子動(dòng)能等于入射光子與散射光子能量之差反沖電子動(dòng)能等于入射光子與散射光子能量之差hhek0ev3108 . 6hchc0hep0hep（3）根據(jù)動(dòng)量守恒根據(jù)動(dòng)量守恒0hhep22011 hpe)/(105 . 423smkg 0arctan81420hep0h例例求求 (1) 散射線的波長(zhǎng)散射線的波長(zhǎng); (2) 反沖電子動(dòng)能反沖電子動(dòng)能; (3) 反沖電子動(dòng)量反沖電子動(dòng)量.解解 (1) 散射散射線的波長(zhǎng)線的波長(zhǎng): 0(1cos )hm cnm 00