量子物理基礎(chǔ)PPT

1、關(guān)于量子物理基礎(chǔ)第一張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月了解量子物理產(chǎn)生背景，理解“能量量子化”概念及其應(yīng)用；了解玻爾的量子論及其缺陷；理解微觀粒子的波粒二像性以及不確定性原理；理解波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)意義，理解并掌握Schrodinger方程的物理意義及其簡(jiǎn)單應(yīng)用；理解電子自旋概念，并會(huì)解釋原子殼層結(jié)構(gòu)成因。本章教學(xué)要求第二張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月單色輻出度波長(zhǎng) ( m )紫外線紅外光 熒光燈放電中的電子12000K太陽(yáng)表面6000K白枳等3000K熱輻射 : 由溫度決定的物體的電磁輻射。一、熱輻射15.1量子物理學(xué)的誕生普朗克量子假設(shè)頭部熱輻射像頭部各部分溫度不同，因此它們

2、的熱輻射存在差異，這種差異可通過熱象儀轉(zhuǎn)換成可見光圖象。0 1.0 1.75第三張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 輻射和吸收達(dá)到平衡時(shí)，物體的溫度不再變化，此時(shí)物體的熱輻射稱為平衡熱輻射。 物體輻射電磁波的同時(shí)，也吸收電磁波。物體輻射本領(lǐng)越大，其吸收本領(lǐng)也越大。 室溫高溫吸收白底黑花瓷片輻射第四張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月單色輻射出射度（單色輻出度）：一定溫度 T 下，物體單位面元在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的波長(zhǎng)在 +d 內(nèi)的輻射能 dM 與波長(zhǎng)間隔 d 的比值輻出度：物體 （溫度 T ） 單位表面在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的輻射能，為 溫度越高，輻出度越大。另外，輻出度還與材料性質(zhì)有關(guān)。

3、說(shuō)明第五張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、黑體輻射絕對(duì)黑體(黑體) 能夠全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射且不反射和透射的物體。黑體輻射的特點(diǎn) ： 與同溫度其它物體的熱輻射相比，黑體的輻射本領(lǐng)最強(qiáng)。煤煙約99%黑體模型物體熱輻射溫度材料性質(zhì)黑體熱輻射溫度材料性質(zhì)第六張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1. 斯特藩玻耳茲曼定律式中輻出度與 T 4 成正比。2. 維恩位移定律峰值波長(zhǎng) m 與溫度 T 成反比 0.5 1.0 1.5 2.01050MB (10-7 W / m2 m) ( m)可見光5000K6000K3000K4000K第七張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月太陽(yáng)表面溫

4、度M輻出度測(cè)得太陽(yáng)光譜的峰值波長(zhǎng)在綠光區(qū)域，為 m = 0.47 m。試估算太陽(yáng)的表面溫度和輻出度。例太陽(yáng)不是黑體，所以按黑體計(jì)算出的 Ts 低于太陽(yáng)的實(shí)際溫度；M B (T) 高于實(shí)際輻出度。說(shuō)明解第八張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、經(jīng)典物理的解釋及普朗克公式MB瑞利 金斯公式(1900年)維恩公式(1896年) 普朗克公式(1900年)為解釋這一公式，普朗克提出了能量量子化假設(shè)試驗(yàn)曲線第九張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電磁波四、普朗克能量子假設(shè) 若諧振子頻率為 v ，則其能量是hv , 2hv, 3hv , , nhv , 首次提出微觀粒子的能量是量子化的，打破了

5、經(jīng)典物理學(xué)中能量連續(xù)的觀念。普朗克常數(shù) h = 6.62610-34 Js 腔壁上的原子能量與腔內(nèi)電磁場(chǎng)交換能量時(shí)，諧振子能量的變化是 hv 的整數(shù)倍.說(shuō)明第十張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月伏安特性曲線一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 飽和電流 iS 遏止電壓 Ua IS 光電子數(shù)I （I, v)AKU15.2 光電效應(yīng) 愛因斯坦光子理論iS3iS1iS2I1I2I3UaUiI1I2I3Ua0光電子最大初動(dòng)能和 成線性關(guān)系 截止頻率 0 即時(shí)發(fā)射遲滯時(shí)間不超過 10-9 秒遏止電壓與頻率關(guān)系曲線和v 成線性關(guān)系i第十一張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、經(jīng)典物理與實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾 電

6、子在電磁波作用下作受迫振動(dòng)，直到獲得足夠的能量 (與光強(qiáng) I 有關(guān)) 逸出，不應(yīng)存在紅限 0 ；當(dāng)光強(qiáng)很小時(shí)，電子要逸出，必須經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的能量積累。 只有光的頻率 0 時(shí)，電子才會(huì)逸出； 逸出光電子的多少取決于光強(qiáng) I ； 光電子即時(shí)發(fā)射，滯后時(shí)間不超過 109 秒?？偨Y(jié) 光電子最大初動(dòng)能和光頻率 成線性關(guān)系； 光電子最大初動(dòng)能取決于光強(qiáng)，和光的頻率 無(wú)關(guān)；第十二張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、愛因斯坦光子假說(shuō) 光電效應(yīng)方程 光是光子流 ，每一光子能量為 h ，電子吸收一個(gè)光子A 為逸出功 單位時(shí)間到達(dá)單位垂直面積的光子數(shù)為N，則光強(qiáng) I = Nh 。 I 越強(qiáng) , 到陰極的光子

7、越多, 則逸出的光電子越多。 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。 光頻率 A/h 時(shí)，電子吸收一個(gè)光子即可克服逸出功 A 逸出。討論 光電子最大初動(dòng)能和光頻率 成線性關(guān)系。 第十三張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月光子動(dòng)量四、光的波粒二象性光子能量光子質(zhì)量粒子性波動(dòng)性第十四張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月紅外變像管紅外輻射圖像可見光圖像像增強(qiáng)器微弱光學(xué)圖像 高亮度可見光學(xué)圖像測(cè)量波長(zhǎng)在 2001200 nm 極微弱光的功率五、光電效應(yīng)的應(yīng)用 光電成像器件 能將可見或不可見的輻射圖像轉(zhuǎn)換或增強(qiáng)成為可觀察記錄、傳輸、儲(chǔ)存的圖像。光電倍增管第十五張，PPT共六十二頁(yè)

8、，創(chuàng)作于2022年6月00 一、實(shí)驗(yàn)規(guī)律15. 3 康普頓效應(yīng)及光子理論的解釋散射線中有兩種波長(zhǎng) 0 、 ，的增大而增大。隨散射角 X 光管光闌散射物體探測(cè)器0第十六張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、經(jīng)典物理的解釋 經(jīng)典理論只能說(shuō)明波長(zhǎng)不變的散射，而不能說(shuō)明康普頓散射。電子受迫振動(dòng)同頻率散射線發(fā)射 單色電磁波說(shuō)明受迫振動(dòng)v0照射散射物體第十七張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、光子理論解釋能量、動(dòng)量守恒1. 入射光子與外層電子彈性碰撞 外層電子受原子核束縛較弱動(dòng)能 光子能量 近似自由近似靜止靜止 自由 電子第十八張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. X 射線光子

9、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。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 ；所以，波長(zhǎng)改變量康普頓波長(zhǎng)光子內(nèi)層電子外層電子波長(zhǎng)變大的散射線波長(zhǎng)不變的散射線(1) 說(shuō)明第十九張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(2) 波長(zhǎng) 0 輕物質(zhì)（多數(shù)電子處于弱束縛狀態(tài) ）弱強(qiáng)重物質(zhì)（多數(shù)電子處于強(qiáng)束縛狀態(tài) ）強(qiáng)弱吳有訓(xùn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果第二十張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月例0 = 0.02 nm 的X射線與靜止的自由電子碰撞, 若從與入射線 成900的方向觀察散射線。解能量守恒，反沖電子動(dòng)能等于光子能量之差動(dòng)量守恒根據(jù)動(dòng)能、動(dòng)量關(guān)系

10、，波長(zhǎng)為求 散射線的波長(zhǎng)第二十一張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、實(shí)驗(yàn)規(guī)律記錄光譜原理示意圖15.4 氫原子光譜 玻爾的氫原子理論氫放電管23 kV光闌全息干板 三棱鏡 （或光柵）光 源第二十二張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月鈉原子光譜CO2 分子光譜氫原子光譜第二十三張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月氫光譜的里德伯常量 k = 2 (n = 3, 4, 5, ) 譜線系 巴耳末系（1908年）(2)譜線的波數(shù)可表示為兩項(xiàng)之差(3) k = 1 (n = 2, 3, 4, ) 譜線系 賴曼系（1880年）(1) 分立線狀光譜氫原子的巴耳末線系照片第二十四張，PPT

11、共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、玻爾氫原子理論原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，會(huì)發(fā)射或吸收一個(gè)光子，其頻率穩(wěn)定狀態(tài) 定態(tài)的能量不連續(xù) 不輻射電磁波 電子作圓周運(yùn)動(dòng)v2. 躍遷假設(shè)1. 定態(tài)假設(shè)第二十五張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月r向心力是庫(kù)侖力 由上兩式得, 第 n 個(gè)定態(tài)的軌道半徑為 r2=4r1r2=9r13. 角動(dòng)量量子化假設(shè) 電子能量-13.6 eV軌道角動(dòng)量玻爾半徑第二十六張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月En ( eV)氫原子能級(jí)圖萊曼系巴耳末系帕邢系布拉開系-13.6-1.51-3.390光頻n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5n = 6第二

12、十七張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月波數(shù) ( 波長(zhǎng)的倒數(shù) )當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)得其中計(jì)算得到第二十八張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月里德伯 - 里茲并合原則(1896年)盧瑟福原子的有核模型（1911年）普朗克量子假設(shè)（1900年）玻爾氫原子理論(1913年） 成功的把氫原子結(jié)構(gòu)和光譜線結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)。局限性：不能處理復(fù)雜原子的問題，根源在于對(duì)微觀 粒子的處理仍沿用了牛頓力學(xué)的觀念。 說(shuō) 明第二十九張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月假設(shè): 實(shí)物粒子具有 波粒二象性，物質(zhì)波波長(zhǎng)和頻率為波動(dòng)性 ( , v)粒子性 (m , p)光+實(shí)物粒子? +一、德布羅意假設(shè)(1924年)15

13、.5 微觀粒子的波粒二象性 不確定關(guān)系 頻率波長(zhǎng)第三十張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月戴維孫革末電子散射實(shí)驗(yàn)(1927年)，觀測(cè)到電子衍射現(xiàn)象。X射線電子束（波長(zhǎng)相同）衍射圖樣電子雙縫干涉圖樣物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證楊氏雙縫干涉圖樣第三十一張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月計(jì)算經(jīng)過電勢(shì)差 U1 =150 V 和 U2 =104 V 加速的電子的德布羅意波長(zhǎng)（不考慮相對(duì)論效應(yīng)）。例 解 根據(jù)，加速后電子的速度為根據(jù)德布羅意關(guān)系 p = h /，電子的德布羅意波長(zhǎng)為波長(zhǎng)分別為說(shuō)明觀測(cè)儀器的分辨本領(lǐng)電子波波長(zhǎng)光波波長(zhǎng)電子顯微鏡分辨率遠(yuǎn)大于光學(xué)顯微鏡分辨率第三十二張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于

14、2022年6月二、不確定關(guān)系 1. 動(dòng)量坐標(biāo)的不確定關(guān)系微觀粒子的位置坐標(biāo) x 、 動(dòng)量分量 px 不能同時(shí)具有確定的值。一個(gè)量確定的越準(zhǔn)確，另一個(gè)量的不確定程度就越大。分別是 x、 px 的不確定量，其乘積下面借助電子單縫衍射試驗(yàn)加以說(shuō)明。第三十三張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月px電子束x電子經(jīng)過狹縫，其坐標(biāo) x 的不確定量為 x 大部分電子落在中央明紋x第三十四張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月px0電子經(jīng)過狹縫，其坐標(biāo) x 的不確定量為 x ；電子束xx減小縫寬 x, x 確定的越準(zhǔn)確px的不確定度, 即px越大 動(dòng)量分量 px 的不確定量為第三十五張，PPT共六十二

15、頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月原子的線度約為 10-10 m ，求原子中電子速度的不確定量。電子速度的不確定量為氫原子中電子速率約為 106 m/s。速率不確定量與速率本身的數(shù)量級(jí)基本相同，因此原子中電子的位置和速度不能同時(shí)完全確定，也沒有確定的軌道。 原子中電子的位置不確定量 10-10 m，由不確定關(guān)系例解說(shuō)明第三十六張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 能量時(shí)間的不確定關(guān)系原子能級(jí)寬度E 和原子在該能級(jí)平均壽命 t 之間的關(guān)系 基態(tài)輻射光譜線固有寬度激發(fā)態(tài) E基態(tài)平均壽命t光輻射能級(jí)寬度平均壽命 t 10-8 s平均壽命 t 能級(jí)寬度 E 0原子發(fā)生碰撞，壽命縮短，能級(jí)寬度增大，導(dǎo)致

16、譜線寬度增加。第三十七張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋 微觀粒子具有波動(dòng)性用物質(zhì)波波函數(shù)描述微觀粒子狀態(tài)1925年薛定諤例如自由粒子沿 x 軸正方向運(yùn)動(dòng)，其能量 E 、動(dòng)量 P 為常量，所以 v (= E / h ) 、 ( = h / P ) 不隨時(shí)間變化，其物質(zhì)波是單色平面波，波函數(shù)為15.6 波函數(shù) 一維定態(tài)薛定諤方程 第三十八張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月波函數(shù)的物理意義： t 時(shí)刻，粒子在空間 r 處的單位體積中出現(xiàn)的概率，又稱為概率密度 t 時(shí)刻 , 粒子在 r 處 dV 內(nèi)出現(xiàn)的概率dVo電子數(shù) N=7電子數(shù) N=100電子數(shù) N=30

17、00電子數(shù) N=20000電子數(shù) N=70000 單個(gè)粒子的出現(xiàn)是偶然事件；大量粒子的分布有確定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。電子雙縫干涉圖樣說(shuō)明第三十九張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 歸一化條件 波函數(shù)必須單值、有限、連續(xù)概率密度在任一處都是唯一、有限的, 并在整個(gè)空間內(nèi)連續(xù)。粒子在整個(gè)空間出現(xiàn)的概率為 1 t 時(shí)刻 , 粒子在 r 處 dV 內(nèi)出現(xiàn)的概率dVo說(shuō)明第四十張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、薛定諤方程 (描述微觀粒子在外力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的微分方程 ) 質(zhì)量 m 的粒子在外力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能函數(shù) V ( r , t ) ，其運(yùn)動(dòng)微分方程為粒子在穩(wěn)定力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能函數(shù) V ( r

18、) 、能量 E 不隨時(shí)間變化，粒子處于定態(tài)，定態(tài)波函數(shù)寫為得定態(tài)薛定諤方程薛定諤方 程第四十一張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一維定態(tài)薛定諤方程（粒子在一維空間運(yùn)動(dòng))描述外力場(chǎng)的勢(shì)能函數(shù)粒子能量(2) 求解 E（粒子能量） ( r ) (定態(tài)波函數(shù))(1) 勢(shì)能函數(shù) V 不隨時(shí)間變化。說(shuō)明第四十二張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、一維無(wú)限深勢(shì)阱中的粒子 0 x a 區(qū)域，定態(tài)薛定諤方程為x0 aV ( x )勢(shì)能函數(shù)令V (x) = 0 ， 0 x aV (x) = ， 0 a0 x 或 x U0 , R0, 即使粒子總能量大于勢(shì)壘高度，入射粒子并非全部透射進(jìn)入 III

19、區(qū),仍有一定概率被反射回 I 區(qū)。 (2)E U0 , T0, 雖然粒子總能量小于勢(shì)壘高度，入射粒子仍可能穿過勢(shì)壘進(jìn)入 III 區(qū) 隧道效應(yīng)。E第四十八張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(3) 透射系數(shù)T 隨勢(shì)壘寬度a、粒子質(zhì)量m 和能量差變化， 隨著勢(shì)壘的加寬、加高透射系數(shù)減小。 粒子類型粒子能量勢(shì)壘高度勢(shì)壘寬度透射系數(shù)電子1 eV2 eV1 eV2 eV1 eV2 eV210-10 m510-10 m0.024210-10 m0.51質(zhì)子310-38第四十九張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月五、氫原子球坐標(biāo)的定態(tài)薛定諤方程第五十張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1.

20、 能量量子化 能量主量子數(shù) n = 1 , 2 , 3 , 電子云電子在波爾軌道上出現(xiàn)的概率最大電子云密度 概率密度nlm2（r,） 2. 角動(dòng)量量子化 角量子數(shù) l = 0 , 1 , 2 , , n-1電子繞核轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量 L 的大小3. 角動(dòng)量空間量子化 角動(dòng)量 L 的在外磁場(chǎng)方向Z 的投影磁量子數(shù) ml = 0 , 1 , 2 , , l 第五十一張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁量子數(shù) ml = 0 , 1 , 2L 在 Z 方向的投影zL 的大小例 l = 2 電子角動(dòng)量的大小及可能的空間取向 ？z第五十二張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(1) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象v0v0

21、 +vv0 -v光源處于磁場(chǎng)中時(shí)，一條譜線會(huì)分裂成若干條譜線。光源e向 z 軸（外磁場(chǎng) B 的方向）投影B 玻爾磁子攝譜儀磁矩磁矩和角動(dòng)量的關(guān)系(2) 解釋NS4. 塞曼效應(yīng) 磁場(chǎng)作用下的原子附加能量z由于磁場(chǎng)作用, 原子附加能量為 第五十三張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、四個(gè)量子數(shù) （表征電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）主量子數(shù) n ( 1 , 2 , 3, ) 副量子數(shù) l ( 0，1，2， , n -1 ) 磁量子數(shù) ml ( 0，1， 2， , l ) 自旋磁量子數(shù) ms ( 1/2 , -1/2 ) 大體上決定了電子能量決定電子的軌道角動(dòng)量大小，對(duì)能量也有稍許影響。決定電子軌道角動(dòng)量空間取向決定電子自旋角動(dòng)量空間取向第五十四張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月取離散值SNFSNz一、斯特恩革拉赫實(shí)驗(yàn)15.7 氫原子的量子力學(xué)描述 電子自旋Ag 原子源第五十五張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月F 取分立的值分立的沉積線Z 取分立的值 空間量子化空間量子化角動(dòng)量SNF第五十六張，PPT共六十二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月原子沉積線條數(shù)應(yīng)為奇數(shù)（2l+1 ），而不應(yīng)是2條?；鶓B(tài) Ag ( 47 ) 原子的磁矩等于最外層價(jià)電子