第18章早期量子論和量子力學(xué)基礎(chǔ)

第五篇量子物理

第十八章早期量子論和量子力學(xué)基礎(chǔ)

固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征僅與溫度有關(guān)?！?8-1熱輻射普朗克的量子假設(shè)固體在溫度升高時(shí)顏色的變化1400K物體輻射總能量及能量按波長(zhǎng)分布都決定于溫度。800K1000K1200K1.熱輻射現(xiàn)象2.基爾霍夫輻射定律單色輻出度與物體的溫度和輻射波長(zhǎng)有關(guān)。單色輻出度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，溫度為T的物體單位面積上發(fā)射的波長(zhǎng)在到范圍內(nèi)的輻射能量與波長(zhǎng)間隔的比值，用表示?；鶢柣舴蜉椛涑錾涠?單位時(shí)間內(nèi)，從物體單位面積上所發(fā)射的各種波長(zhǎng)的總輻射能，稱為物體的輻射出射度，簡(jiǎn)稱輻出度。輻出度只是物體溫度的函數(shù)?；鶢柣舴蜉椛涠蓡紊毡群蛦紊瓷浔?被物體吸收的能量與入射能量之比稱為吸收比,在波長(zhǎng)到范圍內(nèi)的吸收比稱為單色吸收比,用表示;反射的能量與入射能量之比稱為反射比,波長(zhǎng)到范圍內(nèi)的反射比稱為單色反射比,用表示。絕對(duì)黑體:若物體在任何溫度下,對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射能的吸收比都等于1,則稱該物體為絕對(duì)黑體,簡(jiǎn)稱黑體。基爾霍夫輻射定律基爾霍夫輻射定律:在同樣的溫度下,各種不同物體對(duì)相同波長(zhǎng)的單色輻出度與單色吸收比之比值都相等,并等于該溫度下黑體對(duì)同一波長(zhǎng)的單色輻出度。即好的吸收體也是好的輻射體。基爾霍夫輻射定律3.黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律不透明的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。黑體模型研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。測(cè)定黑體輻出度的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律PL2B2A L1B1CA為黑體B1PB2為分光系統(tǒng)C為熱電偶1700K1500K1300K1100K012345絕對(duì)黑體的輻出度按波長(zhǎng)分布曲線實(shí)驗(yàn)曲線黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律黑體的輻出度與黑體的絕對(duì)溫度四次方成正比：（1）斯特藩-玻耳茲曼定律根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出黑體輻射的兩條定律：熱輻射的功率隨著溫度的升高而迅速增加。斯特藩常數(shù)黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律

對(duì)于給定溫度T，黑體的單色輻出度有一最大值,其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為。

熱輻射的峰值波長(zhǎng)隨著溫度的增加而向著短波方向移動(dòng)。（2）維恩位移定律黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律例題18-1實(shí)驗(yàn)測(cè)得太陽(yáng)輻射波譜的，若把太陽(yáng)視為黑體，試計(jì)算（1）太陽(yáng)每單位表面積上所發(fā)射的功率，（2）地球表面陽(yáng)光直射的單位面積上接受到的輻射功率，（3）地球每秒內(nèi)接受的太陽(yáng)輻射能。（已知太陽(yáng)半徑RS=6.96×108m,地球半徑RE=6。37×106m,地球到太陽(yáng)的距離d=1.496×1011m.)解根據(jù)維恩位移定律根據(jù)斯特藩-玻爾滋蔓定律可求出輻出度，即單位表面積上的發(fā)射功率黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律太陽(yáng)輻射的總功率這功率分布在以太陽(yáng)為中心、以日地距離為半徑的球面上，故地球表面單位面積接受到的輻射功率黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律由于地球到太陽(yáng)的距離遠(yuǎn)大于地球半徑，可將地球看成半徑為RE的圓盤，故地球接受到太陽(yáng)的輻射能功率黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律維恩經(jīng)驗(yàn)公式問(wèn)題：如何從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)曲線的函數(shù)式4.普朗克量子假設(shè)

這個(gè)公式與實(shí)驗(yàn)曲線波長(zhǎng)短處符合得很好，但在波長(zhǎng)很長(zhǎng)處與實(shí)驗(yàn)曲線相差較大。瑞利--金斯經(jīng)驗(yàn)公式

這個(gè)公式在波長(zhǎng)很長(zhǎng)處與實(shí)驗(yàn)曲線比較相近，但在短波區(qū)，按此公式，將隨波長(zhǎng)趨向于零而趨向無(wú)窮大的荒謬結(jié)果，即“紫外災(zāi)難”。

維恩公式和瑞利-金斯公式都是用經(jīng)典物理學(xué)的方法來(lái)研究熱輻射所得的結(jié)果，都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，明顯地暴露了經(jīng)典物理學(xué)的缺陷。黑體輻射實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)晴朗天空中一朵令人不安的烏云。普朗克量子假設(shè)

為了解決上述困難，普朗克利用內(nèi)插法將適用于短波的維恩公式和適用于長(zhǎng)波的瑞利-金斯公式銜接起來(lái)，提出了一個(gè)新的公式：普朗克常數(shù)

這一公式稱為普朗克公式。它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。普朗克量子假設(shè)o實(shí)驗(yàn)值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線12345678普朗克量子假設(shè)普朗克公式還可以用頻率表示為：

普朗克得到上述公式后意識(shí)到，如果僅僅是一個(gè)僥幸揣測(cè)出來(lái)的內(nèi)插公式，其價(jià)值只能是有限的。必須尋找這個(gè)公式的理論根據(jù)。他經(jīng)過(guò)深入研究后發(fā)現(xiàn)：必須使諧振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。普朗克量子假設(shè)

能量子假說(shuō)：輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量ε（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。

對(duì)于頻率為ν的諧振子最小能量為能量量子經(jīng)典普朗克量子假設(shè)

振子在輻射或吸收能量時(shí)，從一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)。在能量子假說(shuō)基礎(chǔ)上，普朗克由玻爾茲曼分布律和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論，得到黑體的單色輻出度，即普朗克公式。

能量子的概念是非常新奇的，它沖破了傳統(tǒng)的概念，揭示了微觀世界中一個(gè)重要規(guī)律，開創(chuàng)了物理學(xué)的一個(gè)全新領(lǐng)域。由于普朗克發(fā)現(xiàn)了能量子，對(duì)建立量子理論作出了卓越貢獻(xiàn)，獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。普朗克量子假設(shè)例18-2試從普朗克公式推導(dǎo)斯特藩-玻爾茲曼定律及維恩位移定律。解：在普朗克公式中，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，引入則普朗克量子假設(shè)黑體的總輻出度：其中：普朗克公式可改寫為：普朗克量子假設(shè)由分部積分法可計(jì)算：所以普朗克量子假設(shè)

可見(jiàn)由普朗克公式可以推導(dǎo)出斯特藩-玻爾茲曼定律。

為了求出最大輻射值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，可以由普朗克公式得到滿足：普朗克量子假設(shè)經(jīng)整理得到令有這個(gè)方程通過(guò)迭代法解得普朗克量子假設(shè)即可見(jiàn)由普朗克公式可推導(dǎo)得出維恩位移定律。普朗克量子假設(shè)§18-2光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦的光子理論光電效應(yīng)

當(dāng)波長(zhǎng)較短的可見(jiàn)光或紫外光照射到某些金屬表面上時(shí),金屬中的電子就會(huì)從光中吸取能量而從金屬表面逸出的現(xiàn)象。1.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律入射光線OOOOOOVGAKBOO光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置金屬板釋放的電子稱為光電子,光電子在電場(chǎng)作用下在回路中形成光電流。結(jié)論1：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi),受光照的金屬板釋放出來(lái)的電子數(shù)和入射光的強(qiáng)度成正比。(1)飽和電流

實(shí)驗(yàn)表明：

在一定強(qiáng)度的單色光照射下,光電流隨加速電勢(shì)差的增加而增大,但當(dāng)加速電勢(shì)差增加到一定量值時(shí),光電流達(dá)飽和值，如果增加光的強(qiáng)度，相應(yīng)的也增大。光強(qiáng)較弱光強(qiáng)較強(qiáng)光電效應(yīng)的伏安特性曲線光電效應(yīng)（2）遏止電勢(shì)差

如果使負(fù)的電勢(shì)差足夠大，從而使由金屬板表面釋放出的具有最大速度的電子也不能到達(dá)陽(yáng)極時(shí)，光電流便降為零，此外加電勢(shì)差的絕對(duì)值叫遏止電勢(shì)差。

實(shí)驗(yàn)表明：遏止電勢(shì)差與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

結(jié)論2：光電子從金屬表面逸出時(shí)具有一定的動(dòng)能，最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。光電效應(yīng)（3）遏止頻率（又稱紅限）實(shí)驗(yàn)表明：遏止電勢(shì)差和入射光的頻率之間具有線性關(guān)系。遏止電勢(shì)差與頻率的關(guān)系光電效應(yīng)

為不隨金屬性質(zhì)不同而改變的普適恒量

即最大初動(dòng)能隨入射光的頻率線性地增加，要使光所照射的金屬釋放電子，入射光的頻率必須滿足：

稱為光電效應(yīng)的紅限（遏止頻率）光電效應(yīng)（4）弛豫時(shí)間

實(shí)驗(yàn)表明，從入射光開始照射直到金屬釋放出電子，無(wú)論光的強(qiáng)度如何，這段時(shí)間很短，不超過(guò)。結(jié)論3：光電子從金屬表面逸出時(shí)的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系。當(dāng)入射光的頻率小于時(shí)，不管照射光的強(qiáng)度多大，不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。光電效應(yīng)按照光的波動(dòng)說(shuō),光電子的初動(dòng)能應(yīng)決定于入射光的光強(qiáng)，即決定于光的振幅而不決定于光的頻率。2.光的波動(dòng)說(shuō)的缺陷無(wú)法解釋紅限的存在。無(wú)法解釋光電效應(yīng)的產(chǎn)生幾乎無(wú)須時(shí)間的積累。3.愛(ài)因斯坦的光子理論

愛(ài)因斯坦從普朗克的能量子假設(shè)中得到啟發(fā),他假定光在空間傳播時(shí),也具有粒子性,想象一束光是一束以運(yùn)動(dòng)的粒子流,這些粒子稱為光量子,現(xiàn)在稱為光子,每一光子的能量為,光的能流密度決定于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)該單位面積的光子數(shù)。

根據(jù)光子理論,光電效應(yīng)可解釋如下:當(dāng)金屬中一個(gè)自由電子從入射光中吸收一個(gè)光子后,就獲得能量,如果大于電子從金屬表面逸出時(shí)所需的逸出功,這個(gè)電子就從金屬中逸出。愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋：光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以無(wú)須時(shí)間的累積。愛(ài)因斯坦的光子理論愛(ài)因斯坦

由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功地說(shuō)明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得到紅限頻率.從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系。愛(ài)因斯坦的光子理論

分別為光子的質(zhì)量和動(dòng)量。4.光的波-粒二象性

光不僅具有波動(dòng)性，還具有粒子性。這種雙重性稱為波-粒二象性。波動(dòng)性和粒子性之間的聯(lián)系如下：例18-3波長(zhǎng)l=4.0×10-7m的單色光照射到金屬銫上，求銫所釋放的光電子最大初速度。利用關(guān)系代入已知數(shù)據(jù)解：銫原子紅限頻率=4.8×1014Hz，據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，光電子最大初動(dòng)能：光電效應(yīng)光電管5.光電效應(yīng)的應(yīng)用光電倍增管解：(1)按照經(jīng)典電磁理論,照射到離光源d處的圓面積內(nèi)的功率是例題18-4設(shè)有一功率P=1W的點(diǎn)光源,d=3m處有一鉀薄片.假定鉀薄片中的電子可以在半徑r=0.5×10-10m的圓面積范圍內(nèi)收集能量,已知鉀的逸出功為a=1.8eV,(1)按照經(jīng)典電磁理論,計(jì)算電子從照射到逸出需要多長(zhǎng)時(shí)間;(2)如果光源發(fā)出波長(zhǎng)為的單色光,根據(jù)光子理論,求每單位時(shí)間打到鉀片單位面積上有多少光子.假定這些能量全部被電子所吸收,那么可以計(jì)算出光開始照射到電子逸出表面所需的時(shí)間為：愛(ài)因斯坦的光子理論每單位時(shí)間打在距光源3m的鉀片單位面積上的能量為(2)按照光子理論,愛(ài)因斯坦的光子理論§18-3康普頓效應(yīng)1.康普頓效應(yīng)

康普頓研究了X射線經(jīng)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光子概念。康普頓吳有訓(xùn)X光管光闌散射物質(zhì)康普頓實(shí)驗(yàn)裝置示意圖X光檢測(cè)器晶體康普頓效應(yīng)

康普頓發(fā)現(xiàn),在散射光中除了有與入射光波長(zhǎng)λ0相同的射線之外，同時(shí)還出現(xiàn)一種波長(zhǎng)λ大于λ0的射線。這種改變波長(zhǎng)的散射稱為康普頓效應(yīng)。

我國(guó)物理學(xué)家吳有訓(xùn)在與康普頓共同研究中還發(fā)現(xiàn)：(1)波長(zhǎng)的偏移隨散射角而異;當(dāng)散射角增大時(shí),波長(zhǎng)的偏移也隨之增加,而且隨著散射角的增大,原波長(zhǎng)的譜線強(qiáng)度增大。(2)在同一散射角下，對(duì)于所有散射物質(zhì),波長(zhǎng)的偏移都相同,但原波長(zhǎng)的譜線強(qiáng)度隨散射物質(zhì)的原子序數(shù)的增大而增加,新波長(zhǎng)的譜線強(qiáng)度隨之減小?？灯疹D效應(yīng)康普頓散射與角度的關(guān)系(a)(b)(c)(d)相對(duì)強(qiáng)度........................................................................................0.7000.750波長(zhǎng)(?)....康普頓效應(yīng)2.光子理論的解釋

根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。光的波動(dòng)理論無(wú)法解釋康普頓效應(yīng)。2.1光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋

光子理論認(rèn)為康普頓效應(yīng)是光子和自由電子作彈性碰撞的結(jié)果，具體解釋如下：因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變?？灯疹D效應(yīng)的解釋2.2康普頓效應(yīng)的定量分析由能量守恒:由動(dòng)量守恒:θXXeφXφθ康普頓效應(yīng)的解釋最后得到：此式說(shuō)明：波長(zhǎng)改變與散射物質(zhì)無(wú)關(guān),僅決定于散射角；波長(zhǎng)改變隨散射角增大而增加。電子的康普頓波長(zhǎng)。計(jì)算的理論值與實(shí)驗(yàn)值符合得很好?？灯疹D效應(yīng)的解釋

X射線的散射現(xiàn)象，理論與實(shí)驗(yàn)的符合，不僅有力地證實(shí)了光子理論，而且也證實(shí)了能量守恒和動(dòng)量守恒兩條定律，在微觀粒子相互作用的基本過(guò)程中，也同樣嚴(yán)格地遵守?？灯疹D效應(yīng)的解釋例題18-5波長(zhǎng)為的X射線與靜止的自由電子碰撞,現(xiàn)在從和入射方向成角的方向去觀察散射輻射.求:(1)散射X射線的波長(zhǎng);(2)反沖電子的能量;(3)反沖電子的動(dòng)量。xyxyPeh/0h/解(1)散射后X射線波長(zhǎng)的改變?yōu)榭灯疹D效應(yīng)所以散射X的波長(zhǎng)為(2)根據(jù)能量守恒,反沖電子獲得的能量就是入射光子與散射光子能量的差值,所以(3)根據(jù)動(dòng)量守恒,有康普頓效應(yīng)所以康普頓效應(yīng)§18-4氫原子光譜玻爾的氫原子理論1.氫原子光譜的規(guī)律性

原子發(fā)光是重要的原子現(xiàn)象之一，光譜學(xué)的數(shù)據(jù)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。氫原子譜線的波長(zhǎng)可以用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示：里德伯常量波數(shù)賴曼系，紫外區(qū)巴爾末系，可見(jiàn)光區(qū)帕邢系，紅外區(qū)布拉開系，紅外區(qū)普豐德系，紅外區(qū)哈弗萊系，紅外區(qū)其他元素的光譜也有類似的規(guī)律性。原子光譜線系的規(guī)律性深刻地反映了原子內(nèi)部的規(guī)律性氫原子光譜2.玻爾的氫原子理論（1）定態(tài)假設(shè)

原子系統(tǒng)只能處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，電子雖然作加速運(yùn)動(dòng)，但并不輻射電磁波，這些狀態(tài)稱為原子的穩(wěn)定狀態(tài)（簡(jiǎn)稱定態(tài)），相應(yīng)的能量分別為。（2）頻率條件

當(dāng)原子從一個(gè)能量為的定態(tài)躍遷到另一能量為的定態(tài)時(shí)，就要發(fā)射或吸收一個(gè)頻率為的光子。玻爾頻率公式玻爾（3）量子化條件

在電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)中，其穩(wěn)定狀態(tài)必須滿足電子的角動(dòng)量等于的整數(shù)倍的條件。角動(dòng)量量子化條件

為量子數(shù)3.氫原子軌道半徑和能量的計(jì)算

根據(jù)電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)的模型及角動(dòng)量量子化條件可以計(jì)算出氫原子處于各定態(tài)時(shí)的電子軌道半徑。玻爾的氫原子理論玻爾半徑

電子處在半徑為的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以計(jì)算出氫原子系統(tǒng)的能量為能量是量子化的。玻爾的氫原子理論基態(tài)能級(jí)；的各穩(wěn)定態(tài)稱為受激態(tài)；時(shí)能級(jí)趨于連續(xù)。玻爾的氫原子理論氫原子的能級(jí)圖賴曼系巴耳末系帕邢系玻爾的氫原子理論根據(jù)氫原子的能級(jí)及玻爾假設(shè)，可以得到氫原子光譜的波數(shù)公式與氫原子光譜經(jīng)驗(yàn)公式是一致的。R理論值與實(shí)驗(yàn)值符合得很好。玻爾的創(chuàng)造性工作對(duì)量子力學(xué)的建立有著深遠(yuǎn)的影響。玻爾的氫原子理論4.玻爾理論的缺陷玻爾理論仍然以經(jīng)典理論為基礎(chǔ)，定態(tài)假設(shè)又和經(jīng)典理論相抵觸?！窳孔踊瘲l件的引進(jìn)沒(méi)有適當(dāng)?shù)睦碚摻忉?。●?duì)譜線的強(qiáng)度、寬度、偏振等無(wú)法處理?！袼岳}18-6在氣體放電管中,用能量為12.5eV的電子通過(guò)碰撞使氫原子激發(fā),問(wèn)受激發(fā)的原子向低能級(jí)躍遷時(shí),能發(fā)射那些波長(zhǎng)的光譜線?解：設(shè)氫原子全部吸收電子的能量后最高能激發(fā)到第n個(gè)能級(jí)，此能級(jí)的能量為,所以把代入上式得因?yàn)閚只能取整數(shù),所以氫原子最高能激發(fā)到n=3的能級(jí),當(dāng)然也能激發(fā)到n=2的能級(jí).于是能產(chǎn)生3條譜線。氫原子光譜氫原子光譜例18-7計(jì)算氫原子中的電子從量子數(shù)的狀態(tài)躍遷到量子數(shù)的狀態(tài)時(shí)所發(fā)譜線的頻率。試證明當(dāng)很大時(shí)，這個(gè)頻率等于電子在量子數(shù)的圓軌道上繞轉(zhuǎn)的頻率。解按玻爾頻率公式有

當(dāng)很大時(shí)

繞轉(zhuǎn)頻率為玻爾的氫原子理論

在量子數(shù)很大的情況下，量子理論得到與經(jīng)典理論一致的結(jié)果，這是一個(gè)普遍原則，稱為對(duì)應(yīng)原理?？梢?jiàn)的值和很大時(shí)的值相同。繞轉(zhuǎn)頻率為玻爾的氫原子理論§18-5德布羅意波波-粒二象性1.德布羅意波

光的干涉、衍射等現(xiàn)象證實(shí)了光的波動(dòng)性；熱輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等現(xiàn)象又證實(shí)了光的粒子性。光具有波-粒二象性。

德布羅意波在光的二象性的啟發(fā)下，提出了與光的二象性完全對(duì)稱的設(shè)想，即實(shí)物粒子（如電子、質(zhì)子等）也具有波-粒二象性的假設(shè)。德布羅意

質(zhì)量為的粒子以速度勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有能量和動(dòng)量；從波動(dòng)性方面來(lái)看，它具有波長(zhǎng)和頻率，這些量之間的關(guān)系遵從下述公式：

具有靜止質(zhì)量的實(shí)物粒子以速度運(yùn)動(dòng)，則和該粒子相聯(lián)系的平面單色波的波長(zhǎng)為：德布羅意公式德布羅意波如果，那么

德布羅意認(rèn)為電子的物質(zhì)波繞圓軌道傳播時(shí)，只有滿足駐波條件時(shí)，此軌道才是穩(wěn)定的。在這一假設(shè)下，可以得出玻爾假設(shè)中的有關(guān)電子軌道角動(dòng)量量子化條件：德布羅意波2.戴維孫-革末實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果晶格常數(shù)為散射平面間距波程差：加強(qiáng)的條件：波程差計(jì)算圖實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與X射線在晶體上衍射時(shí)的布拉格公式相同。電子經(jīng)加速電勢(shì)差為U的電場(chǎng)加速后，動(dòng)量：速度：相應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)：動(dòng)能：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證代入布拉格公式得出：

極大值出現(xiàn)在的方向，與實(shí)驗(yàn)符合的很好，這表明電子具有波動(dòng)性，而且德布羅意波長(zhǎng)公式是正確的。

對(duì)鎳來(lái)說(shuō)，。把和值代入上式得：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電子通過(guò)金多晶薄膜的衍射實(shí)驗(yàn)。（湯姆遜1927）

電子的單縫、雙縫、三縫和四縫衍射實(shí)驗(yàn)。（約恩遜1961)自然界中的一切微觀粒子，不論它們的靜止質(zhì)量是否為零，都具有波粒二象性。30年代以后，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中子、質(zhì)子、中性原子都具有衍射現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.電子顯微鏡

光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)與光波的波長(zhǎng)成反比。

當(dāng)加速電場(chǎng)很大時(shí),電子的得布羅意波長(zhǎng)可以比可見(jiàn)光波長(zhǎng)短得多,如U為10萬(wàn)伏時(shí),電子的波長(zhǎng)為,比可見(jiàn)光短10萬(wàn)倍.因此利用電子波代替可見(jiàn)光制成的電子顯微鏡能具有極高的分辨本領(lǐng)。

電子顯微鏡在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。解：由得布羅意公式得：例題18-8一質(zhì)量m=0.05㎏的子彈,以速率運(yùn)動(dòng)著,其得布羅意波長(zhǎng)為多少?由此可見(jiàn)，對(duì)于一般的宏觀物體,其物質(zhì)波波長(zhǎng)是很小的，很難顯示波動(dòng)性。德布羅意波例題18-9試估算熱中子的得布羅意波長(zhǎng)(中子的質(zhì)量mn=1.67×10-27㎏)。解:熱中子是指在室溫下(T=300K)與周圍處于熱平衡的中子,它的平均動(dòng)能：它的方均根速率：相應(yīng)的得布羅意波長(zhǎng)：德布羅意波例題18-10電子在鋁箔上散射時(shí),第一級(jí)最大(k=1)的偏轉(zhuǎn)角為,鋁的晶格常數(shù)a為4.05×10-10m,求電子速度。解：參看圖示,第一級(jí)最大的條件是：按得布羅意公式把m按靜質(zhì)量計(jì)算，得：d德布羅意波§18-6不確定度關(guān)系

1927年海森伯（W.Heisenberg）分析了幾個(gè)理想實(shí)驗(yàn)后提出了不確定度關(guān)系。2φΔx電子束x縫屏幕衍射圖樣pppxyφ

在電子衍射花樣中兩個(gè)一級(jí)極小值之間都有電子分布。一級(jí)極小值位置和縫寬之間的關(guān)系為:所以這就是海森伯坐標(biāo)和動(dòng)量的不確定度關(guān)系式?？紤]到在兩個(gè)一級(jí)極小值之外還有電子出現(xiàn)，所以有：寫為：經(jīng)嚴(yán)格證明此式應(yīng)改PPPxyφ不確定度關(guān)系方向電子的位置不確定量為：方向的分動(dòng)量的不確定量為：討論：

a.不確定度關(guān)系式說(shuō)明用經(jīng)典物理學(xué)量—?jiǎng)恿?、坐?biāo)來(lái)描寫微觀粒子行為時(shí)將會(huì)受到一定的限制,因?yàn)槲⒂^粒子不可能同時(shí)具有確定的動(dòng)量及位置坐標(biāo)。

b.不確定度關(guān)系式可以用來(lái)判別對(duì)于實(shí)物粒子其行為究竟應(yīng)該用經(jīng)典力學(xué)來(lái)描寫還是用量子力學(xué)來(lái)描寫。

c.對(duì)于微觀粒子的能量E及它在能態(tài)上,停留的之間也有下面的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系:平均時(shí)間不確定度關(guān)系這說(shuō)明原子光譜有一定寬度，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)這一點(diǎn)。原子處于激發(fā)態(tài)的平均壽命一般為于是激發(fā)態(tài)能級(jí)的寬度為：不確定度關(guān)系由于根據(jù)不確定性關(guān)系得解：槍口直徑可以當(dāng)作子彈射出槍口時(shí)位置的不確定量。和子彈飛行速度每秒幾百米相比,這速度的不確定性是微不足道的,所以子彈的運(yùn)動(dòng)速度是確定的。

例題18-11設(shè)子彈的質(zhì)量為0.01㎏,槍口的直徑為0.5㎝。試求子彈射出槍口時(shí)的橫向速度的不確定量。不確定度關(guān)系

例題18-12電視顯象管中電子的加速度電壓為10kV,電子槍的槍口的直徑為0.01㎝.試求電子射出電子槍后的橫向速度的不確定量。解：電子橫向位置的不確定量由于,所以電子運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)來(lái)說(shuō)仍然是相當(dāng)確定的,波動(dòng)性不起什么實(shí)際影響。不確定度關(guān)系例題18-13試求原子中電子速度的不確定量,取原子的線度約為10-10m。由不確定關(guān)系式得解原子中電子位置的不確定量由玻爾理論可估算出氫原子中電子的軌道運(yùn)動(dòng)速度約為,可見(jiàn)速度的不確定量與速度大小的數(shù)量級(jí)基本相同.因此原子中電子在任一時(shí)刻沒(méi)有完全確定的位置和速度,也沒(méi)有確定的軌道,不能看成經(jīng)典粒子,波動(dòng)性十分顯著。不確定度關(guān)系例題18-14實(shí)驗(yàn)測(cè)定原子核線度的數(shù)量級(jí)為10-14m，試應(yīng)用不確定度關(guān)系來(lái)估算電子如被束縛在原子核中的動(dòng)能。從而判斷原子核是由質(zhì)子和電子組成是否可能。由于動(dòng)量的數(shù)值不可能小于它不確定量，故電子的動(dòng)量解取電子在原子核中位置的不確定量由不確定度關(guān)系得不確定度關(guān)系理論證明，電子具有這樣大的動(dòng)能足以把原子核擊碎，所以，把電子禁錮在原子核內(nèi)是不可能的，這就否定了原子核是由質(zhì)子和電子組成的假設(shè)。電子在原子核中的動(dòng)能故考慮到電子在此動(dòng)量下有極高的速度，需要應(yīng)用相對(duì)論的能量動(dòng)量公式不確定度關(guān)系§18-7波函數(shù)薛定諤方程1.波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)意義得到描寫自由粒子的平面波波函數(shù)：利用關(guān)系

用某種函數(shù)表達(dá)式來(lái)表述與微觀粒子相聯(lián)系的物質(zhì)波，該函數(shù)表達(dá)式稱為物質(zhì)波的波函數(shù)。機(jī)械波或物質(zhì)波的物理意義可以通過(guò)與光波的對(duì)比來(lái)闡明物質(zhì)波的強(qiáng)度大光強(qiáng)度大光波振幅平方大（波動(dòng)觀點(diǎn)）光子在該處出現(xiàn)的概率大（微粒觀點(diǎn)）波函數(shù)振幅的平方大單個(gè)粒子在該處出現(xiàn)的概率大（波動(dòng)觀點(diǎn)）（微粒觀點(diǎn)）波函數(shù)

在某一時(shí)刻，在空間某處，微觀粒子出現(xiàn)的概率正比于該時(shí)刻、該地點(diǎn)波函數(shù)的平方。在空間一很小區(qū)域(以體積元dV=dxdydz表征)出現(xiàn)粒子的概率為：

稱為概率密度，表示在某一時(shí)刻在某點(diǎn)處單位體積內(nèi)粒子出現(xiàn)的概率。及單值、連續(xù)、有限等標(biāo)準(zhǔn)化條件歸一化條件波函數(shù)還須滿足：波函數(shù)試求：（1）常數(shù)A；（2）粒子在0到a/2區(qū)域出現(xiàn)的概率；（3）粒子在何處出現(xiàn)的概率最大？例18-8：作一微運(yùn)動(dòng)的粒子被束縛在0<x<a的范圍內(nèi)。

已知其波函數(shù)為

解:（1）由歸一化條件得:（2）粒子的概率密度為:波函數(shù)在0<x<a/2區(qū)域內(nèi)，粒子出現(xiàn)的概率為：（3）概率最大的位置應(yīng)滿足因0<x<a/2,故得粒子出現(xiàn)的概率最大。波函數(shù)2.定態(tài)薛定諤方程

薛定諤建立的適用于低速情況的、描述微觀粒子在外力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的微分方程,稱為薛定諤方程。

質(zhì)量為m

的粒子在勢(shì)能為的外力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，含時(shí)薛定諤方程為：拉普拉斯算符薛定諤用分離變量法：代入薛定諤方程，采用分離變量，得到:討論勢(shì)能函數(shù)與時(shí)間無(wú)關(guān)的情形，即，此時(shí)粒子的能量是一個(gè)與時(shí)間無(wú)關(guān)的常量，這種狀態(tài)稱為定態(tài)，對(duì)應(yīng)的波函數(shù)稱為定態(tài)波函數(shù)。定態(tài)薛定諤方程令等式兩端等于同一常數(shù)定態(tài)薛定諤方程定態(tài)薛定諤方程§18-8勢(shì)阱中的粒子勢(shì)壘諧振子1.一維無(wú)限深勢(shì)阱

若質(zhì)量為m的粒子，在保守力場(chǎng)的作用下，被限制在一定的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，其勢(shì)函數(shù)稱為勢(shì)阱。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，提出理想模型——無(wú)限深勢(shì)阱。

一維無(wú)限深勢(shì)阱：a保守力與勢(shì)能之間的關(guān)系：在勢(shì)阱邊界處，粒子要受到無(wú)限大、指向阱內(nèi)的力，表明粒子不能越出勢(shì)阱,即粒子在勢(shì)阱外的概率為0。勢(shì)阱內(nèi)的一維定態(tài)薛定諤方程為：解為：一維無(wú)限深勢(shì)阱由邊界條件得：據(jù)歸一化條件，得得波函數(shù)表達(dá)式：一維無(wú)限深勢(shì)阱(1)粒子能量不能取連續(xù)值得能量取分立值（能級(jí)），能量量子化是粒子處于束縛態(tài)的所具有的性質(zhì)。由討論：一維無(wú)限深勢(shì)阱（2）粒子的最小能量不等于零最小能量

也稱為基態(tài)能或零點(diǎn)能。零點(diǎn)能的存在與不確定度關(guān)系協(xié)調(diào)一致。一維無(wú)限深勢(shì)阱(3)粒子在勢(shì)阱內(nèi)出現(xiàn)概率密度分布不受外力的粒子在0到a范圍內(nèi)出現(xiàn)概率處處相等。量子論觀點(diǎn)：0a=1=2=3=4nnnn0a當(dāng)很大時(shí)，量子概率分布就接近經(jīng)典分布經(jīng)典觀點(diǎn)：一維無(wú)限深勢(shì)阱（4）有限深勢(shì)阱，粒子出現(xiàn)的概率分布

如果勢(shì)阱不是無(wú)限深，粒子的能量又低于勢(shì)璧，粒子在阱外不遠(yuǎn)處出現(xiàn)的概率不為零。0a

經(jīng)典理論無(wú)法解釋，實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。一維無(wú)限深勢(shì)阱得到兩相鄰能級(jí)的能量差例題18-15設(shè)想一電子在無(wú)限深勢(shì)阱，如果勢(shì)阱寬度分別為1.0×10-2m和10-10m。試討論這兩中情況下相鄰能級(jí)的能量差。解：根據(jù)勢(shì)阱中的能量公式當(dāng)a=1cm時(shí)可見(jiàn)兩相鄰能級(jí)間的距離隨著量子數(shù)的增加而增加，而且與粒子的質(zhì)量m和勢(shì)阱的寬度a有關(guān)。一維無(wú)限深勢(shì)阱在這種情況下，相鄰能級(jí)間的距離是非常小的，我們可以把電子的能級(jí)看作是連續(xù)的。當(dāng)a=10-10m時(shí)在這種情況下，相鄰能級(jí)間的距離是非常大的，這時(shí)電子能量的量子化就明顯的表現(xiàn)出來(lái)。一維無(wú)限深勢(shì)阱可見(jiàn)能級(jí)的相對(duì)間隔隨著n的增加成反比地減小。當(dāng)時(shí)，較之要小的多。這時(shí)，能量的量子化效應(yīng)就不顯著了，可認(rèn)為能量是連續(xù)的，經(jīng)典圖樣和量子圖樣趨與一致。所以，經(jīng)典物理可以看作是量子物理中量子數(shù)時(shí)的極限情況。當(dāng)n>>1時(shí),能級(jí)的相對(duì)間隔近似為一維無(wú)限深勢(shì)阱例題18-16試求在一維無(wú)限深勢(shì)阱中粒子概率密度的最大值的位置。解：一維無(wú)限深勢(shì)阱中粒子的概率密度為將上式對(duì)x求導(dǎo)一次，并令它等于零因?yàn)樵谮鍍?nèi)，即只有一維無(wú)限深勢(shì)阱于是由此解得最大值得位置為例如最大值位置最大值位置最大值位置可見(jiàn)，概率密度最大值的數(shù)目和量子數(shù)n相等。一維無(wú)限深勢(shì)阱這時(shí)最大值連成一片，峰狀結(jié)構(gòu)消失，概率分布成為均勻，與經(jīng)典理論的結(jié)論趨于一致。相鄰兩個(gè)最大值之間的距離如果阱寬a不變，當(dāng)時(shí)一維無(wú)限深勢(shì)阱2.一維勢(shì)壘隧道效應(yīng)

一維方勢(shì)阱如圖ⅠⅡⅢ粒子沿方向運(yùn)動(dòng),當(dāng)粒子可以通過(guò)勢(shì)壘。當(dāng)，實(shí)驗(yàn)證明粒子也能通過(guò)勢(shì)壘,這只有由量子力學(xué)的到解釋。設(shè)三個(gè)區(qū)域的波函數(shù)分別為在各區(qū)域薛定諤方程分別為令為實(shí)數(shù)一維勢(shì)壘解為：一維勢(shì)壘

三個(gè)區(qū)域中波函數(shù)的情況如圖所示：隧道效應(yīng)

在粒子總能量低于勢(shì)壘壁高的情況下,粒子有一定的概率穿透勢(shì)壘.此現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。

貫穿勢(shì)壘的概率定義為在處透射波的強(qiáng)度與入射波的強(qiáng)度之比：貫穿概率與勢(shì)壘的寬度與高度有關(guān)。一維勢(shì)壘掃描隧道顯微鏡(STM)原理：利用電子的隧道效應(yīng)。

金屬樣品外表面有一層電子云，電子云的密度隨著與表面距離的增大呈指數(shù)形式衰減，將原子線度的極細(xì)的金屬探針靠近樣品，并在它們之間加上微小的電壓，其間就存在隧道電流，隧道電流對(duì)針尖與表面的距離及其敏感，如果控制隧道電流保持恒定，針尖的在垂直于樣品方向的變化，就反映出樣品表面情況。48個(gè)Fe原子形成“量子圍欄”，圍欄中的電子形成駐波。

STM的橫向分辨率已達(dá)，縱向分辨達(dá),STM的出現(xiàn)，使人類第一次能夠適時(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面上的排列狀態(tài)以及表面電子行為有關(guān)性質(zhì)。掃描隧道顯微鏡3.諧振子諧振子的勢(shì)能為薛定諤方程為其能量本征值為基態(tài)能(零點(diǎn)能)能級(jí)間隔一維諧振子的能級(jí)諧振子1.氫原子的薛定諤方程氫原子中電子的勢(shì)能函數(shù)定態(tài)薛定諤方程為使求解的問(wèn)題變得簡(jiǎn)便,通常采用球坐標(biāo)。xyzθφ）r電子原核子§18-9量子力學(xué)中的氫原子問(wèn)題拉普拉斯算符變?yōu)椋涸O(shè)波函數(shù)為代入薛定諤方程，采用分離變量法得到三個(gè)常微分方程。在解波函數(shù)時(shí)，考慮到波函數(shù)應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)條件，很自然地得到氫原子的量子化特征。氫原子（1）能量量子化同玻爾得到的氫原子的能量公式一致，但卻沒(méi)有認(rèn)為的假設(shè)。在求解得到氫原子能量必須滿足量子化條件為稱為主量子數(shù)氫原子n=1基態(tài)能量n=2,3,…

對(duì)應(yīng)的能量稱為激發(fā)態(tài)能量當(dāng)n很大時(shí)，能級(jí)間隔消失而變?yōu)檫B續(xù)。

對(duì)應(yīng)于電子被電離，氫原子的電子電離能為：當(dāng)

，12345氫原子

說(shuō)明角動(dòng)量只能取由l決定的一系列分立值，即角動(dòng)量也是量子化的。（2）軌道角動(dòng)量量子化和角量子數(shù)

處于能級(jí)的原子,其角動(dòng)量共有n種可能值，即,用s,p,d,…表示角動(dòng)量狀態(tài)。l=0,1,2,...,n-1()

在求解角量為變量的函數(shù)所滿足的方程時(shí)，進(jìn)一步得到角動(dòng)量量子化的結(jié)果。稱

為角量子數(shù)，或副量子數(shù)。氫原子氫原子內(nèi)電子的狀態(tài)n=1n=2n=3n=4n=5n=6l=0l=1l=5l=4l=3l=2(s)(p)(h)(g)(f)(d)1s5f5d5p5s6s6p6d6f6g6h4s3s3p4f3d4p4d5g2p2s氫原子（3）軌道角動(dòng)量空間量子化和磁量子數(shù)稱為磁量子數(shù)。對(duì)于一定的角量子數(shù)可以取個(gè)值。氫原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量不僅大小取分離值，其方向也有一定限制。若取外磁場(chǎng)B的方向?yàn)?/p>

軸，角動(dòng)量在

軸上的投影只能取氫原子角動(dòng)量的空間量子化氫原子例19-10設(shè)氫原子處于2p態(tài)，求氫原子的能量、角動(dòng)量大小

及角動(dòng)量的空間取向。解：2p態(tài)表示n=2,l=1。得角動(dòng)量的大小為

當(dāng)l=1時(shí)，ml的可能值是-1,0,+1，角動(dòng)量方向與外磁場(chǎng)的夾角可能值為：根據(jù)氫原子3.氫原子中電子的概率分布要知道電子在氫原子中的分布，必須要知道定態(tài)波函數(shù)：稱為徑向函數(shù)；稱為角分布函數(shù)。以下給出前幾個(gè)函數(shù)：角分布函數(shù)：為玻爾半徑電子的概率分布電子的徑向分布概率為表示電子出現(xiàn)在至的球殼中的概率。電子的概率分布?xì)湓又须娮訌较蚋怕史植茧娮拥母怕史植茧娮拥慕欠植几怕视蓻Q定。與無(wú)關(guān)，表示角向概率密度對(duì)于軸具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性由坐標(biāo)原點(diǎn)引向曲線的長(zhǎng)度表示方向的概率大小氫原子中電子的角分布電子的概率分布

1921年，施特恩（O.Stern）和格拉赫（W.Gerlach）發(fā)現(xiàn)一些處于S態(tài)的原子射線束，在非均勻磁場(chǎng)中一束分為兩束。準(zhǔn)直屏原子爐磁鐵NS§18-10電子的自旋原子的電子殼層結(jié)構(gòu)1.施特恩-格拉赫實(shí)驗(yàn)由自旋產(chǎn)生的磁矩稱為自旋磁矩由自旋產(chǎn)生的角動(dòng)量為其方向與磁矩方向相反。1925年，烏侖貝克(G.E.Uhlenbeck)和古茲密特(S.A.Goudsmit)提出電子自旋假說(shuō)。把電子繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為自旋。2.電子的自旋S電子的自旋自旋磁量