南方醫(yī)科大學大學物理李貞姬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 第五次索爾維會議與會者合影第五次索爾維會議與會者合影(1927年) 量子力學基礎量子力學基礎基本要求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。3.掌握愛因斯坦的光電效應方程。 4.理解康普頓散射和光電效應中的能量量 子化本質。 5.認識光的本性波粒二象性。 從經典物理到現(xiàn)代物理概述從經典物理到現(xiàn)代物理概述

2、物理學的分支及近年來發(fā)展的總趨勢物理學的分支及近年來發(fā)展的總趨勢物理學物理學經典物理經典物理現(xiàn)代物理現(xiàn)代物理力學力學熱學熱學電磁學電磁學光學光學相對論相對論量子論量子論非線性非線性時間時間 t關關鍵鍵概概念念的的發(fā)發(fā)展展力學力學電磁學電磁學熱學熱學相對論相對論量子論量子論1600 1700 1800 1900尋找以太尋找以太的零結果的零結果16世紀中葉世紀中葉19世紀末：世紀末：物理學經歷了重大突破物理學經歷了重大突破伽利略、牛頓、克勞修斯伽利略、牛頓、克勞修斯 力學與統(tǒng)計物理力學與統(tǒng)計物理（機械運動、熱現(xiàn)象）（機械運動、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）完整的經典物理理論體系：人類對自然的認識到了盡頭黑體輻射黑體輻射光電效應光電效應原子光譜線原子光譜線物理學晴朗的天空物理學晴朗的天空出現(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論相對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深刻改變了人們對物理世界的了解！物理世界的了解！1.1 經典物理學的困難 宏觀物理的機械運動： 牛頓力學電磁現(xiàn)象： 麥克斯韋方程光現(xiàn)象： 光的波動理論熱現(xiàn)象: 熱力學與統(tǒng)計物理學多數(shù)物理學家認為物理學的重要定律均已發(fā)現(xiàn)，理論已相當完善了，以后的任務只是提高實驗精度和研究理論的應用。19世紀末20世紀初：“在物理學晴朗天空

4、的遠處還有兩朵小小的、令人不安的烏云。”：（1）“紫外災難”，經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”，邁克爾遜莫雷實驗表明，不存在以太。歷史有驚人的相似之處，當前，處于21世紀之初，物理學碩果累累，但也遇到兩大困惑：“夸克禁閉”和“對稱性破缺”。預示物理學正面臨新的挑戰(zhàn)。黑體輻射 光電效應 原子的光譜線系 固體低溫下的比熱 光的波粒二象性 玻爾原子結構理論（半經典）微觀粒子的波粒二象性 量子力學經典物理學只適用于宏觀尺度，速度遠小于光速情形；經典物理學只適用于宏觀尺度，速度遠小于光速情形；它是狹義相對論和量子理論在以上情形的近似理論。它是狹義相對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慣認識習慣認識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典物理學經典物理學量量子子理理論論狹狹 義義 相相 對對 論論宇宇宙宙 論論宇觀宇觀宏觀宏觀微觀微觀v a/h 時，時，電子吸收一個光子即可克服逸出功電子吸收一個光子即可克服逸出功 a 逸出逸出( ) 。ha/0 電子吸收一個光子即可逸出，不需要長時間的能量積累。電子吸收一個光子即可逸出，不需要長時間的能量積累。 自然解釋了光電效應的瞬時性。自然解釋了光電效應的瞬時性。chchm2hchcmp光子動量光子動量四四. 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量光子質量粒子性粒子性波動性波動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性波動性矛盾的統(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，主要矛盾方面會發(fā)生轉化。矛盾方面會發(fā)生轉化。例如例如在干涉和衍射實驗的條件下，波動性就成為主要矛盾，光的在干涉和衍射實驗的條件下，波動性就成為主要矛盾，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年的諾貝爾物理學獎金則是由于他提出了光量子概念和發(fā)現(xiàn)了光電效應定律而獲得的。 00 散射線中有兩種波長散射線中有兩種波長 0 、 探測器 013- 3 康普頓效應康普頓效應一一. 實驗規(guī)律實驗規(guī)律x 光管光闌散射物體 * 波長的增加量波長的增加量 與散射角與散射角 有關有關,與散射物質的與散射物質的 性質性質無關無關。0實驗結果實驗結果： * 康普頓散射的康普頓散射的強度與散射物質有關強度與散射物質有關。 原子量小的散射物質原子量小的散射物質 康普頓散射較強，即康普頓散射較強，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年年諾貝爾物理學獎諾貝爾物理學獎吳有訓吳有訓

8、于于1926年年對不同散射物質對不同散射物質進行了研究進行了研究二二. 經典物理的解釋經典物理的解釋經典理論只能說明波長不變的散射，而經典理論只能說明波長不變的散射，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迫振動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受迫振動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、動量守恒能量、動量守恒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能動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 射線光子和原子內層電子相互作用射線光子和原子內層電子相互作用光子質量遠小于原子，碰撞時光子不損失能量，波長不變。光子質量遠小于原子，碰撞時光子不損失能量，波長不變。原子自由電子000內層電子被緊束縛，光子相當于和整個原子發(fā)生碰撞。內層電子被緊束縛，光子相當于和整個原子發(fā)生碰撞。所以，波長改變量所以，波長改變量2sin220cnm 0024. 0/0cmhc電子的電子的康普頓波長康普頓波長光子光子內層電子內層電子外層電子外層電子波長變大的散射線波長變大的散射線波長不變的散射線波長不變的散射

10、線說明說明19231923年年 康普頓散射進一步證實了康普頓散射進一步證實了光子論光子論，證明了光子能量、，證明了光子能量、動量表示式的正確性，證明了在光電相互作用的過程中嚴格遵動量表示式的正確性，證明了在光電相互作用的過程中嚴格遵守守能量、動量守恒定律能量、動量守恒定律?？梢姽獯_實具有?？梢姽獯_實具有粒子性粒子性。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世紀物理學革命的序幕，為物理學找到了世紀物理學革命的序幕，為物理學找到了一個新的概念基礎。一個新的概念基礎。19051905年年

11、愛因斯坦提出了光量子假說，進一步發(fā)展了普朗克能愛因斯坦提出了光量子假說，進一步發(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用到盧瑟福的原子模型，玻爾創(chuàng)造性地把量子概念應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，求散射線的波長的方向觀察散射線，求散射線的波長 。解解 動量守恒動量守恒hhek0hchc022011hpeeekmpme22122vhep根據動能、動量

12、關系根據動能、動量關系nm 022. 0，波長為，波長為0hepcccc)90cos1 ()cos1 (2sin2020nm 0024. 0/0cmhcnmc0224.00024.002.000例：例：波長為波長為 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；）散射線的波長；（2）反沖電子的動能；（）反沖電子的動能；（3）反沖電子的動量。）反沖電子的動量。解：解： （1）2sin220cmhnm0024. 00nm022. 0（2）反沖電子動能等于入射光子與散射光子能量之差反沖電子動能等于入射光子與散射光子能量之差hhek0ev3108 . 6hchc0hep0hep（3）根據動量守恒根據動量守恒0hhep22011 hpe)/(105 . 423smkg 0arctan81420hep0h例例求求 (1) 散射線的波長散射線的波長; (2) 反沖電子動能反沖電子動能; (3) 反沖電子動量反沖電子動量.解解 (1) 散射散射線的波長線的波長: 0(1cos )hm cnm 00