《量子物理》PPT课件.ppt

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1、量子物理,研究对象的变化引起的危机,一系列重大实验发现无法用经典物理的理论来解释，迫使 物理学家跳出传统的经典物理的理论框架，最终导致了量子物理的诞生！,1 黑体辐射和普朗克的能量子假说,一.基本概念,1.热辐射,例如：加热铁块,第一章 波粒二象性,辐射能量按频率的分布随温度而变的电磁辐射,温度 电磁波的短波成分,2.光谱辐射出射度 M,单位:W/(m2Hz),单位时间内从物体单位表面发出的频率在,附近单位频率间隔内的电磁波的能量。,开始发光暗红橙色兰白色,3.平衡热辐射,4.实验表明辐射能力越强的物体，吸收能力也越强,二.黑体和黑体辐射的基本规律,1.黑体,能完全吸收各种波长电磁波而无反射的

2、,物体，M 最大且只与温度有关而和材料,及表面状态无关,物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量，物体达到热平衡，称为平衡热辐射。此时物体具有固定的温度。,2.维恩设计的黑体,3.维恩黑体辐射公式,4.瑞利金斯公式,维恩公式,瑞利金斯公式,高频符合实验结果,“紫外灾难”,5.普朗克公式,在全波段与实验结果惊人符合！,普朗克假定（1900年）：,h=6.626075510-34 Js 普朗克常数,E=nh n0,1,2,3，,谐振子以能量子发射或吸收能量,“量子”概念的提出获1918年诺贝尔物理学奖,能量量子化(不连续)!,6.由普朗克公式可导出两条实验定律,斯特藩玻尔兹曼定律,维恩位移定律,

3、=5.6710-8 W/m2K4,M黑体全部辐射出射度,黑体辐射中，光谱辐射出射度最大的光的频率随温度的变化,测量高温、遥感和红外追踪等的物理基础。,2 光电效应,一.光电效应实验,1光电效应,光电子,2实验装置,光金属发射电子：,光电流,3.实验规律,2）Uc=K-U0,与入射光的频率有关,1）,饱和光电流强度im 入射光强,与入射光的强度无关,3）只有当入射光频率 v大于一定的频率v0时，才会产生光电效应,0 称为截止频率或红限频率,4）光电效应是瞬时发生的,只要入射光频率 0，无论光多微弱，从光照射阴极到光电子逸出，驰豫时间 不超过10-9s。,二.经典物理学所遇到的困难,按照光的经典电

4、磁理论：,光波的能量分布在波面上，阴极电子积,光波的强度与频率无关，电子吸收的能,量也与频率无关，更不存在截止频率！,累能量需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生！,光量子具有“整体性”,电磁辐射由以光速c 运动的局限于空间 某一小范围的光量子（光子）组成，,E=h,1.爱因斯坦光量子假设(1905),2.对光电效应的解释,逸出功A电子逸出金属表面克服阻力所需功,三.爱因斯坦的光量子论,当 A/h时，不发生光电效应。,红限频率,光电效应方程,四.光的波粒二象性,1.近代认为光具有波粒二象性,在有些情况下，光突出显示出波动性；,而在另一些情况下，则突出显示出粒子性。,光电效应的瞬时性,2.基本关系

5、式,粒子性：能量E，动量P，质量m,波动性：波长，频率,光子,描述光的性质的基本关系式,例图中所示为在一次光电效应实验中得出的曲线（1）由图中数据求出普朗克恒量。（2）该金属光电效应的红限频率。,光电管的阴极用逸出功A=2.2 eV的金属制成，今用一单色光照射此光电管，阴极发射出光电子，测得截止电压为5 V，求：（1）光电管阴极金属的光电效应红限波长？（2）入射光波长？（普朗克恒量）,基本电荷,3.康普顿散射,1.康普顿研究X射线在石墨上的散射,散射的X射线中有波长变大的现象,2.康普顿的解释,X射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞,碰撞过程中能量与动量守恒,波长偏移,电子的康普顿波长,3

6、.康普顿散射实验的意义,过程讨论：,光子将一部分能量传给电子，变小，增加,一部分光子波长不变，称为瑞利散射,证明了光的波粒二象性,光子与粒子的作用过程严格遵守动量、能量守恒,X射线的康普顿效应明显,例:波长00.01nm的X射线与静止的自由电子碰撞。在与入射方向成90角的方向上观察时，散射X射线的波长多大？反冲电子的动能和动量各如何？,1.,2.,3.,反冲电子获得的最大动能？,光子能量为0.5MeV的X射线，入射到某种物质上而发生康普顿散射，若反冲电子的动能为0.1MeV，则散射光波长的改变量与入射光的波长之比为？,P174 选择题1,光的波粒二象性,光子,光波,能量E,动量P,频率n,波长

7、l,E=h n,P=h/l,4 粒子的波动性,一.德布罗意假设,实物粒子具有波动性,光(波)具有粒子性,粒子,粒子波,能量Emc2,动量P=mv,频率nmc2/h,波长l=h/P=h/mv,与粒子相联系的波称为物质波,或德布罗意波,德布罗意公式,l：德布罗意波长,量子力学的基础就是波粒二象性思想,二实验验证,电子通过镍单晶的衍射实验,1.1927年，戴维逊和革末实验,德布罗意波长,l1.671010 m与实验结果相符,电子通过多晶薄膜的衍射实验,电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验,2.1927年G.P汤姆逊实验,3.1961年约恩逊,1937年戴维逊革末和G.P汤姆逊获得诺贝尔奖,1929年

8、德布罗意因其博士论文获得诺贝尔物理学奖,4.中子、质子等微观粒子也具有波粒二象 性，德布罗意公式也适用。,例:计算电子经过U1=100V和U2=10000V电压加速后的德布罗意波长1和2各是多少？,解：,电子动能为,假如电子运动速度与光速可以比拟，则当电子的动能等于它静止能量的2倍时，其德布罗意波长为多少？(普朗克常量h=6.6310-34 Js，电子静止质量me=9.1110-31 kg),练习1.求动能为1.00105ev的电子的德布罗意波长。（me=9.11 10-31Kg）,练习2.中子的德布罗意波长为1A，求其速度和动能。（m中子=1.675 10-27Kg）,例1.5 m=0.01

9、kg，v=300m/s子弹的？,h极其微小，宏观物体的波长小得实验难以测量,“宏观物体只表现出粒子性”,一.关于粒子的波粒二象性,德布罗意波的本质是什么？,6 概率波与概率幅,1.在经典物理中,粒子：,“颗粒性”集中于一点（整体性），确定的位置、速度、运动轨迹。,波：,某种实在的物理量的空间分布在作周期性的变化(连续性，扩展于空间),统一起来？,2.“波是由粒子组成的”认为波是大量粒子组成的；波动性是大量粒子相互作用而形成的，但这和单个粒子就具有波动性相矛盾。,一、历史上两种典型的看法,把微观粒子看作是经典粒子和经典波的混合体。,1.“粒子是由波组成的”把粒子看作是由很多波组成的波包，但波包在

10、媒质中要扩散、消失(和粒子性矛盾)。,物质波：描述粒子在各处被发现的概率,二、概率波,1.概率波 对光辐射(电磁波)，爱因斯坦1917年,波动观点：光强E2,粒子观点：光强 某处光子数,E2 某处发现一个光子的概率,玻恩1926年提出,德布罗意波是概率波,对机械波有,物质波波函数：,2.波函数,量子力学中引入波函数,定义：,时刻t，在点（x,y,z)附近单位体积内发现粒子的概率,概率密度,概率幅波函数称为概率幅,物质波的强度也应与波函数中振幅平方成正比,粒子到达该处的概率,3.电子双缝衍射现象,单个电子的去向是概率性的，但在一定条件下（如双缝），又有确定的规律.,微观粒子对应的物质波不是经典波

11、是概率波,明纹处：,电子到达的数量多（对大量粒子）,粒子到达该处的概率大,物质波的本质：描述粒子在空间出现的概率,70000个,来源于“一个电子”所具有的波动性，而不是电子间相互作用的结果。,若使一个电子反复多次通过缝，会出现相同的衍射图样。,子弹对双缝乱射，观察屏上枪眼的强度分布。两缝都打开时的强度分布是两缝分别打 开时强度的直接相加 n12=n1+n2 无干涉现象。,机枪的双缝实验,电子双缝衍射现象,微观粒子不是经典粒子！,4.概率幅叠加,1 缝单独开：,2 缝单独开：,应为概率幅叠加,交叉项即为干涉项,1、2 都开：,物质波的干涉，是由于概率幅的线性叠加产生的。,微观粒子的物质波是一种几

12、率波，这种几率好像一只无形的手控制着电子出现在空间某一位置的几率。,5.波函数统计诠释涉及对世界本质的认识争论至今未息,哥本哈根学派：,爱因斯坦,狄拉克,概率波的哲学意义：,在已知给定条件下，不可能精确地预知结果，只能预言某些可能结果的概率。,即没有严格的因果关系！,波恩、海森堡,粒子波的概率性就是自然界的最终本质,德布罗意,“上帝是不会跟宇宙玩掷骰子游戏的”,最终的解释应该是某些变量的完全确定的数值演变的结果,7 不确定性关系,经典力学中：位置、动量可以同时精确确定,量子概念下：由于概率性，粒子不再具有确定的位置,位置的不确定 xa,动量的不确定 px psinq,由=h/p 得,x pxh

13、,从而也就不具有确定的动量,电子单缝衍射中的位置与动量：,缝宽a越小，中央明纹分布越宽,x sin,x 越小，px越大,x越大，px越小,2.位置和动量的不确定关系：,1927年海森堡提出不确定关系,1932年获诺贝尔奖,如果测量一个粒子的位置的不确定范围是x，则同时测量其动量也有一个不确定范围px，且满足:,不确定性关系是物体固有的性质，自然界的根本属性,3.能量和时间的不确定关系：,基态能级最稳定，时间长，测得的E准，相应能级窄；激发态时间短，易跃迁，能级宽。,不能同时准确测量粒子的位置和动量,例1.8 原子线度为1010 m，求原子中电子速度 的不确定量。,例1.7 设子弹的质量为0.0

14、1kg，枪口的直径为0.5cm，试用不确定性关系计算子弹射出枪口时的横向速度。,练习：同时测量动能为1Kev做一维运动的电子的位置与动量时，若位置的不确定值在0.1nm内，则动量的不确定值的百分比 p/p至少为何值？,（me=9.1110-31Kg 1ev=1.6 10-19J h=6.63 10-34Js）,典例3：光子的波长为3000如果确定此波长的精确度为/=10-5，试求此光子位置的不确定量。,典例3：已知电子的德布罗意波长与光子的波长相同。（1）它们的动量大小是否相同？（2）它们的总能量是否相同？,（1）,（2）,而相同，故p相同。,电子动能大,已知粒子在一维矩形无限深势阱中运动，其波函数为：那么，粒子在 处出现的概率密度为多少?,已知粒子在一条直线上做一维运动，其波函数为(0 xa)，求（1）粒子在 0a/4区间内的概率；（2）发现粒子的概率为最大的位置,（2）根据能量守恒，有,典例2用波长为1 的光子做康普顿散射实验。（1）散射角等于900 时的康普顿散射波长是多少？（2）分配给这个反冲电子的动能多大？（普朗克恒量，电子的静止质量）,所以：,