大學(xué)物理教學(xué)課件：量子物理1-1

1十九世紀(jì)物理學(xué)的成就和危機(jī)：物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)：牛頓定律(v<<c)光的現(xiàn)象：幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)電磁現(xiàn)象：麥克斯韋方程組熱力學(xué)：波爾茲曼的統(tǒng)計(jì)物理學(xué)英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文（1824-1807）：“未來(lái)的物理學(xué)真理不得不在小數(shù)點(diǎn)后面第六位去尋找”“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了”“但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵小小的令人不安的烏云?！边~克耳遜-莫雷實(shí)驗(yàn)黑體輻射實(shí)驗(yàn)：紫外災(zāi)難2第一章能量量子化波粒二象性波爾量子理論§1熱輻射普朗克能量子假說(shuō)§2光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦的光量子§3康普頓效應(yīng)§4原子模型玻爾量子論§5德布羅意物質(zhì)波物質(zhì)波的波動(dòng)方程有駁于經(jīng)典物理的三個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象量子物理雛形量子物理的理論基礎(chǔ)3§1熱輻射普朗克能量子假說(shuō)熱輻射和熱平衡：輻射的能量與溫度有關(guān)，稱之為熱輻射。輻射和吸收的能量相等時(shí)稱為熱平衡。一、黑體輻射的基本概念單色輻出度和全色輻出度單位時(shí)間、單位表面積上所輻射出的單位波長(zhǎng)間隔中的能量是單色輻出度。單位時(shí)間、單位表面積上所輻射出的各種波長(zhǎng)電磁波的能量是全色輻出度。4吸收比和反射比吸收比反射比對(duì)于非透明物體絕對(duì)黑體的熱輻射規(guī)律絕對(duì)黑體的吸收比恒為1。用不透明材料制成一空心容器，壁上開(kāi)一小孔，可看成絕對(duì)黑體5基爾霍夫定律這一普適函數(shù)就是絕對(duì)黑體的單色輻出度M0(,T)絕對(duì)黑體的全色輻出度-黑體的輻射本領(lǐng)在熱平衡下，任何物體的單色輻出度與吸收比之比，是個(gè)普適函數(shù)。絕對(duì)黑體的單色輻出度6二、黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律測(cè)量熱平衡時(shí)黑體的輻射能量密度按波長(zhǎng)的分布曲線。PL2B2A L1B1CA為黑體B1PB2為分光系統(tǒng)C為熱電偶71.

斯忒藩-玻耳茲曼定律斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)黑體的輻射本領(lǐng)與溫度的四次方成正比。1700k1500k1300k82.

維恩位移定律實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度升高時(shí)，單色輻出度最大值m

向短波方向移動(dòng)。1700k1500k1300kb是維恩常數(shù)9二、黑體輻射的普朗克解釋1.經(jīng)典物理遇到的困難瑞利和瓊斯用能均分定理得出：維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出：只適于長(zhǎng)波，存在“紫外災(zāi)難”。10實(shí)驗(yàn)T=1646k瑞利-瓊斯維恩理論值112.黑體輻射的普朗克解釋普朗克能量子假說(shuō)輻射物體中包含大量諧振子，其能量是取特定的分立值

存在著能量的最小單元（能量子=h);

h=6.62610-34焦耳.秒。振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量從理論上推出：k和c分別是玻爾茲曼常數(shù)和光速。12實(shí)驗(yàn)瑞利-瓊斯維恩理論值T=1646k瑞利-瓊斯普朗克理論值普朗克用能量子假說(shuō)解釋了黑體輻射實(shí)驗(yàn)！普朗克因?yàn)樘岢瞿芰孔拥母拍瞰@得1918年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)13§2光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦光量子理論UG+-1.

光電效應(yīng)：當(dāng)光束照射在金屬表面上時(shí)使電子從金屬中脫出的現(xiàn)象。一、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置：14光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較弱飽和電流截止電壓(1)飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律單位時(shí)間內(nèi)，陰極溢出的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比15U03U02U01312UIIS0(2)光電子的初動(dòng)能與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，而與入射光的頻率有關(guān)。截止電壓：如果將電源反向，兩極間將形成使電子減速的電場(chǎng)，反向電壓達(dá)到U0時(shí)光電流完全減小到零，U0叫截止電壓截止電壓Uo

的大小反映光電子初動(dòng)能的大小。能量關(guān)系：16截止電壓與入射光頻率有線性關(guān)系紅限頻率K是與金屬無(wú)關(guān)的普適恒量最大動(dòng)能與入射光頻率成線性關(guān)系，而與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。存在截止頻率(紅限)紅限頻率3.光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性，或說(shuō)響應(yīng)速度很快，10-9s。173.經(jīng)典理論遇到的困難：經(jīng)典理論實(shí)驗(yàn)結(jié)果金屬中電子吸收光能逸出,其初動(dòng)能決定于光振動(dòng)振幅,即由光強(qiáng)決定初動(dòng)能與入射光頻率有關(guān)，而與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)光強(qiáng)足夠大時(shí)，對(duì)各種頻率的光都會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)存在截止頻率(紅限)電子吸收光波能量只有積累到一定量值時(shí)，才會(huì)從金屬中逸出光電子是即時(shí)發(fā)射的18二、愛(ài)因斯坦的光子學(xué)說(shuō)愛(ài)因斯坦在能量子假說(shuō)的基礎(chǔ)上提出光子理論：光不僅在與物質(zhì)相互作用時(shí)（發(fā)射和吸收），具有粒子性，而且在傳播過(guò)程中也有粒子性。一個(gè)頻率為的光子具有能量=h，其能流密度=nh不僅取決于單位面積上的光子數(shù)n，還決定于頻率。由能量守恒可得出：一個(gè)電子逸出金屬表面后的最大動(dòng)能：A稱為逸出功。只與金屬性質(zhì)有關(guān)，與光的頻率無(wú)關(guān)。光電效應(yīng)方程19由此可解釋飽和光電流強(qiáng)度與光強(qiáng)成正比；可以解釋截止電壓與頻率成線性關(guān)系以及紅限頻率的存在。20愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋：光束的能流集中在能量為h的光子上。當(dāng)光束照射在金屬上時(shí)，金屬中的電子要么吸收一個(gè)光子，要么完全不吸收，能量守恒表示為

h=mv2/2+A=eU0+A入射光的強(qiáng)弱表示光子流密度大小。光強(qiáng)大表示光子流密度大，在單位時(shí)間內(nèi)金屬吸收光子的電子數(shù)目多，從而飽和電流大；但不管光子流密度如何，每個(gè)電子只吸收一個(gè)光子，電子獲得的能量與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，與頻率成正比，所以截止電壓與頻率成正比。

當(dāng)頻率v0趨于紅限時(shí)，U00，hv0A；v<v0時(shí)，每個(gè)光子的能量hv0<A，電子吸收光子后獲得的能量小于脫出功，光電效應(yīng)不能發(fā)生；只有光子頻率大于紅限頻率才會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。21光子的能量、動(dòng)量和質(zhì)量密立根1916年的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了光子論的正確性，并求得h=6.5710-34

焦耳?秒。光的波動(dòng)性()

和粒子性(p)是通過(guò)普朗克常數(shù)聯(lián)系在一起的。他因此獲得了1923年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系：光子的質(zhì)量：光子的靜止質(zhì)量為零。光子的動(dòng)量：光子的能量愛(ài)因斯坦因?yàn)樘岢龉饬孔拥母拍瞰@得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根因?yàn)轵?yàn)證光量子的存在而獲得1923年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)22§3康普頓效應(yīng)X射線7.1nm探測(cè)器C1C2A1A2WBS石墨晶體準(zhǔn)直系統(tǒng)散射角23I=0oI=45oI=90oI=135o0正常散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果：波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射稱為康普頓散射實(shí)驗(yàn)規(guī)律：(1)散射光中除有原波長(zhǎng)成分外，還出現(xiàn)了0的譜線；(2)0隨增加而增加;的強(qiáng)度隨增加而增加.(3)與散射物質(zhì)無(wú)關(guān);的譜線強(qiáng)度隨散射物質(zhì)原子序數(shù)的增加而減小;按照經(jīng)典理論,散射是一種共振吸收再發(fā)射的過(guò)程,散射波的頻率(波長(zhǎng))應(yīng)與入射波相同.上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,經(jīng)典理論難以解釋.24光子學(xué)說(shuō)對(duì)康普頓散射的解釋康普頓假設(shè):入射x光是光子流,這些光子不但有能量h0，而且有動(dòng)量h0/c。光的散射過(guò)程是光子與原子中自由電子的完全彈性碰撞過(guò)程。電子的相對(duì)論質(zhì)量：25系統(tǒng)能量守恒：系統(tǒng)動(dòng)量守恒：自由電子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能約百分之幾eV與入射X光的能量(104~105eV)相比,可略.26能量守恒（1）動(dòng)量守恒（2）(1)2–(2)c2

得出：（4）將（4）帶入（3）式：（3）（5）27（6）康普頓波長(zhǎng)入射光子散射的光子外層電子康普頓散射進(jìn)一步證實(shí)了光子論，證明了光子能量、動(dòng)量表示式的正確性，光確實(shí)具有波粒兩象性。另外證明在光電相互作用的過(guò)程中嚴(yán)格遵守能量、動(dòng)量守恒定律。（5）28隨散射角變化，而與散射物質(zhì)無(wú)關(guān)。當(dāng)光子與原子內(nèi)