大学物理-近代物理基础-量子物理.ppt
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1、第一章 量子物理基础,量子理论的诞生,引言,1 黑体辐射和普朗克的能量子假说,一.基本概念,1.热辐射,定义,分子的热运动使物体辐射电磁波,例如:加热铁块,基本性质,温度发射的能量电磁波,平衡热辐射,物体辐射的能量等于在同,的短波成分,一时间内所吸收的能量,2.辐射能量按波长的分布单色辐出度M,3.总辐出度 M(T),单位时间内从物体单位表面发出的波长在,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,物体M 最大且只与温度有关而和材料,附近单位波长间隔内的电磁波的能量。,及表面状态无关,4维恩位移律,m=b/T,b=2.89775610-3 mK,5理论与实验的对
2、比,3.斯特藩-玻耳兹曼定律,M(T)=T 4,=5.6710-8 W/m2K4,2.维恩设计的黑体,三.经典物理学遇到的困难,四.普朗克的能量子假说和黑体辐射公式,2.普朗克假定(1900),h=6.626075510-34 Js,3.普朗克公式,经典,能量,=h,在全波段与实验结果惊人符合,物体-振子,经典理论:振子的能量取“连续值”,物体发射或吸收电磁辐射:,1“振子”的概念(1900年以前),量子,2 光电效应和爱因斯坦的光量子论,一.光电效应的实验规律,1光电效应,光电子,光电效应,2实验装置,3.实验规律,Uc=K-U0,与入射光强无关,光电子的最大初动能为,只有当入射光频率 v大
3、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,饱和光电流强度 im 与入射光强 I成正比,光电效应是瞬时发生的,驰豫时间不超过10-9s,二.经典物理学所遇到的困难,按照光的经典电磁理论:,光波的能量分布在波面上,阴极电子积,1.普朗克假定是不协调的,三.爱因斯坦的光量子论,只涉及发射或吸收,未涉及辐射在空间的传播。,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!,累能量克服逸出功需要一段时间,光电,效应不可能瞬时发生!,3.对光电效应的解释,当 A/h时,不发生光电效应。,红限频率,四.光电效应的意义,光量子具有“整体性”,电磁辐射由以光速c运动
4、的局限于空间某一小范围的光量子(光子)组成,,=h,2.爱因斯坦光量子假设(1905),3 光的波粒二象性 康普顿散射,一.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;,粒子不是经典粒子,波也不是经典波,2.基本关系式,粒子性:能量,动量P,波动性:波长,频率,而在另一些情况下,则突出显示出粒子性。,二.康普顿散射,1.康普顿研究X射线在石墨上的散射,2.实验规律,电子的Compton波长,3.康普顿效应的特点,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,3.康普顿散射实验的意义,三.康普顿效应验证了光的
5、量子性,1.经典电磁理论的困难,4 实物粒子的波动性,光(波)具有粒子性,一.德布罗意假设,实物粒子具有波动性。并且,与粒子相联系的波称为概率波,实物粒子具有波动性,或德布罗意波,二实验验证,电子通过金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,(汤姆逊1927),(约恩逊1961),例题1:m=0.01kg,v=300m/s的子弹,h极其微小宏观物体的波长小得实验,对波粒二象性的理解,(1)粒子性,“原子性”或“整体性”,不是经典的粒子,抛弃了“轨道”概念,难以测量“宏观物体只表现出粒子性”,(2)波动性,“弥散性”“可叠加性”“干涉”“衍射”“偏振”,具有频率和波矢,不是经典
6、的波 不代表实在的物理量的波动,三.波函数和概率波,1.玻恩假定,2.自由粒子平面波波函数,利用,得,经典的平面波为,由图,3.用电子双缝衍射实验说明概率波的含义,(1)入射强电子流,(2)入射弱电子流,概率波的干涉结果,4.波函数满足的条件,自然条件:单值、有限和连续,归一化条件,在空间各点发现自由粒子的概率相同,,,设归一化因子为C,则归一化的波函数为,(x)=C exp(-2x2/2),计算积分得,(),取 0,则归一化的波函数为,(x)=()exp(-2x2/2),例题3:将波函数 归一化,四.状态叠加原理,若体系具有一系列互异的可能状态,则,也是可能的状态,5.波函数统计诠释涉及对世
7、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(1972),5 不确定性关系,一.光子的不确定性关系,1.衍射反比关系,dq,2.不确定性关系,x d,px pzq,由 pz=h/和 d 得,x px h,严格的理论给出光子不确定性关系,二.实物粒子的不确定性关系,物理根源是粒子的波动性,实物粒子的不确定性关系与光子的相同,三.能量与时间的不确定性关系,能级自然宽度和寿命,设体系处于某能量状态的寿命为,则该状态能量的不确定程度DE(能级自然宽度),例1原子中电子运动不存在“轨道”,设电子的动能 T=10 eV,平均速度,速度的不确定度,VV 轨道概念不适用!,例2威尔逊云室(可看到
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