6 量子物理基础ppt课件

1、1作业题作业题5.30：在迈克耳孙干涉仪的可调反射镜平移了：在迈克耳孙干涉仪的可调反射镜平移了0.064mm的过程中，观察的过程中，观察到到200个明条纹移动，所用的单色光的波长为多少？个明条纹移动，所用的单色光的波长为多少？2选择题：自然光以布儒斯特角由空气入射到一玻璃表面上，反射光是（选择题：自然光以布儒斯特角由空气入射到一玻璃表面上，反射光是（ ）（B）平行于入射面的振动占优势的部分偏振光）平行于入射面的振动占优势的部分偏振光（A）在入射面内振动的完全线偏振光）在入射面内振动的完全线偏振光（D）垂直于入射面的振动占优势的部分偏振光）垂直于入射面的振动占优势的部分偏振光（C）垂直于入射面振

2、动的完全线偏振光）垂直于入射面振动的完全线偏振光C3第第6 6章章 量子物理基础量子物理基础6.1 量子概念的提出量子概念的提出6.2 波动量子理论的建立波动量子理论的建立6.3 原子中电子排布的壳层模型原子中电子排布的壳层模型6.4 激光激光6.5 固体的能带简介固体的能带简介4 20世纪初开尔文提出：存在两世纪初开尔文提出：存在两朵朵“乌云乌云”一是迈一是迈莫的电磁波波速实验莫的电磁波波速实验爱因斯坦爱因斯坦1905年创建了相对论。年创建了相对论。一是有关热辐射实验一是有关热辐射实验 20世纪世纪30年代建立了一套完整的量子力学年代建立了一套完整的量子力学理论理论56.1 量子概念的提出量

3、子概念的提出6.1.1 能量子概念的提出能量子概念的提出6.1.2 光量子概念的提出光量子概念的提出6.1.3 量子化概念在氢原子量子化概念在氢原子 结构中的应用结构中的应用66.1.1 能量子概念的提出能量子概念的提出1. 热辐射热辐射 定义：这种与温度有关的电磁辐射叫热定义：这种与温度有关的电磁辐射叫热辐射辐射 基本性质：基本性质：温度温度 发射的能量发射的能量 所辐射的所辐射的电磁波的短波成分电磁波的短波成分 高温物体发出的是紫外光高温物体发出的是紫外光炽热物体发出的是可见光炽热物体发出的是可见光低温物体发出的是红外光低温物体发出的是红外光 平衡热辐射：平衡热辐射： 物体辐射的能量等于在

4、同物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量一时间内所吸收的能量7 单色辐出度单色辐出度M （T） 温度为温度为T 的物体，单位时间从物体的单位面积表面上辐射出的波长在的物体，单位时间从物体的单位面积表面上辐射出的波长在附近的单位波长区间内的电磁波能量。附近的单位波长区间内的电磁波能量。 ddMTM 在单位时间从物体的单位表面积上辐射出的各种波长的电磁波的能量为在单位时间从物体的单位表面积上辐射出的各种波长的电磁波的能量为 0)()( dTMTM称为该物体在温度称为该物体在温度 T 的辐出度的辐出度82. 黑体辐射黑体辐射 绝对黑体绝对黑体 能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体能完全吸收各种

5、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最大且只与温度有关而和材料及表面状态无关。料及表面状态无关。 利用黑体可撇开材料的具体性质来普遍地研究热辐射本身的规律。利用黑体可撇开材料的具体性质来普遍地研究热辐射本身的规律。 黑体辐射实验黑体辐射实验维恩设计的黑体维恩设计的黑体9实验装置实验装置T传感器传感器平行光管平行光管绝对黑体绝对黑体三棱镜三棱镜黑体单色辐出度按波长分布实验黑体单色辐出度按波长分布实验10a. 斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律M(T) = T 4 = 5.67 10-8 W/m2K4某一温度下的黑体辐出度与其温度的四次某一温度下的黑体辐出度与其温度的四次方成正比

6、方成正比b. 维恩位移定律维恩位移定律 m T = bb = 2.89775610-3 mK 黑体辐射的单色辐出度的最大值随温度升高向短波方向移动。黑体辐射的单色辐出度的最大值随温度升高向短波方向移动。11例例6.1 如果把房间的一个小窗户看作黑体，室温如果把房间的一个小窗户看作黑体，室温(20)下其单色辐出度的峰值下其单色辐出度的峰值对应的波长是多少？对应的波长是多少？解：室温的热力学温度是解：室温的热力学温度是 T = 293K，根据维恩位移定律根据维恩位移定律Tbm它是属于超过人眼视觉范围的远红外谱线。它是属于超过人眼视觉范围的远红外谱线。 m1089. 929310897. 263bT

7、m12例题：夜间地面降温主要是由于地面的热辐射，如果晴天夜里地面温度是例题：夜间地面降温主要是由于地面的热辐射，如果晴天夜里地面温度是5，按黑体辐射计算，按黑体辐射计算，1m2 地面失去热量的速率是多少？地面失去热量的速率是多少？133. 黑体辐射的普朗克公式黑体辐射的普朗克公式维恩公式维恩公式经典物理学遇到的困难经典物理学遇到的困难瑞利瑞利金斯公式金斯公式“紫外灾难紫外灾难” 1900年从经典电动力学和统计物理学理年从经典电动力学和统计物理学理论推导而得。论推导而得。热力学理论及实验数据热力学理论及实验数据TcecTM251)(42)(ckTTM14普朗克的黑体辐射公式普朗克的黑体辐射公式M

8、.Planck 德国人德国人18581947sJ1063.634 h 实验物理学家鲁本斯把它同最新的实验结果比实验物理学家鲁本斯把它同最新的实验结果比较，发现：较，发现：在全波段与实验结果惊人符合在全波段与实验结果惊人符合!通过积分通过积分通过导数求极值得通过导数求极值得m得：得： 11252TkhcehcTM 40TdTMTMbTm154. 能量子概念的提出能量子概念的提出1900年年12月月14日普朗克提出能量量子化假说：日普朗克提出能量量子化假说：频率为频率为的谐振振子，其能量取值为的谐振振子，其能量取值为h的整数倍的整数倍h为能量子，为能量子，n为能量量子数为能量量子数经典经典能量能量

9、量子量子物体发射或吸收电磁辐射物体发射或吸收电磁辐射:普朗克获得普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 , 3 , 2 , 1nnhE166.1.2 光量子概念的提出光量子概念的提出1. 光电效应现象光电效应现象 由于光照射到金属表面而使电子从金属表面溢出的现象被称为光电效应，所由于光照射到金属表面而使电子从金属表面溢出的现象被称为光电效应，所发射的电子叫光电子。发射的电子叫光电子。 光电效应引起的现象是赫兹在光电效应引起的现象是赫兹在1887年发年发现的，当现的，当1896年汤姆逊发现了电子之后，勒年汤姆逊发现了电子之后，勒纳德才证明了所发出的带电粒子是电子。纳德才证明了所发出的

10、带电粒子是电子。17经典物理学所遇到的困难：经典物理学所遇到的困难：（1）存在红限频率）存在红限频率0，与经典理论相悖；，与经典理论相悖；ceUm2mv21（2）频率足够的弱光照射延迟时间短；）频率足够的弱光照射延迟时间短；（3）逸出光电子的最大速度仅与频率有关。）逸出光电子的最大速度仅与频率有关。182. 爱因斯坦光量子假说爱因斯坦光量子假说只涉及发射或吸收，未涉及辐射在空间的传播。只涉及发射或吸收，未涉及辐射在空间的传播。 电磁辐射由以光速电磁辐射由以光速c运动的局限于空间某一小范围的光量子（光子）组成。运动的局限于空间某一小范围的光量子（光子）组成。光量子具有光量子具有“整体性整体性”，

11、光的发射、传播、吸收都是量子化的。光的发射、传播、吸收都是量子化的。光子能量：光子能量： = h普朗克假定的局限性：普朗克假定的局限性：爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设(1905)：193. 对光电效应的解释对光电效应的解释（一个束缚电子吸收一个光子能量守恒过程）（一个束缚电子吸收一个光子能量守恒过程）Ahm2mv21光电效应方程光电效应方程红限频率：红限频率：hA0A为逸出功为逸出功遏止电压与入射光频率的关系遏止电压与入射光频率的关系AhmeUc2mv214.06.08.010.0 (1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa1916年密立根实验得到证实年密立根实验得到证实2

12、0 爱因斯坦由于对光电效应的理论解爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得释和对理论物理学的贡献获得1921年年诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。密立根由于研究基本电荷和光电效应，特密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。21例例6.2 已知纯金属钠的逸出功为已知纯金属钠的逸出功为2.29eV。（1）求光电效应的红限频率和红限波长；）求光电效应的红限频率和红限波长；（2）如果是）如果是300nm的紫外线入射钠表面，求光电子的最大动能和截止电压。的

13、紫外线入射钠表面，求光电子的最大动能和截止电压。解：（解：（1）根据光电效应方程）根据光电效应方程Ahm2mv21红限频率：红限频率：Hz1053. 5140hA红限波长：红限波长： m1043. 5700Ahcc22（2）根据光电效应方程）根据光电效应方程Ahm2mv21光子最大动能为：光子最大动能为：eV75. 1212Ahcmmv V75. 121emUc2mv截止电压为：截止电压为：23例题：已知铯的逸出功为例题：已知铯的逸出功为 1.8 eV，今用某波长的光使其产生光电效应，如，今用某波长的光使其产生光电效应，如光电子的最大动能为光电子的最大动能为 2.1 eV，求：（，求：（1）入

14、射光的波长；）入射光的波长； （2）铯的红限频率。）铯的红限频率。244. 光的波粒二象性光的波粒二象性 从光的干涉、衍射到光电效应，说明光既具有波动性，又具有粒子性。从光的干涉、衍射到光电效应，说明光既具有波动性，又具有粒子性。25光的粒子性用能量光的粒子性用能量、动量、动量p进行描述进行描述光的波动性用波长光的波动性用波长、频率来描述、频率来描述光子能量：光子能量：=h光子的相对论质量为光子的相对论质量为chchm2光子的动量为光子的动量为hchp2201cmmv相对论质速关系相对论质速关系光子的静止质量为光子的静止质量为0266.1.3 量子化概念在氢原子结构中的应用量子化概念在氢原子结

15、构中的应用1. 氢原子光谱的规律氢原子光谱的规律 巴耳末公式：巴耳末公式：221211nR里德伯常数里德伯常数17m10097. 1RH H H H H 656.3nm486.3nm434.0nm410.1nm364.6nm氢原子在可见光波段的线光谱氢原子在可见光波段的线光谱（实验测定）（实验测定）n为大于为大于2的整数的整数把把2换成换成3， n取大于取大于3的整数，的整数，帕邢系的波长关系符合上式帕邢系的波长关系符合上式272. 玻尔的氢原子模型玻尔的氢原子模型 1897年年J. J. 汤姆逊发现电子汤姆逊发现电子1911年卢瑟福提出原子核式模型年卢瑟福提出原子核式模型 尼尔斯尼尔斯. 玻

16、尔（玻尔（1885-1962），丹麦物理学家。），丹麦物理学家。18岁时玻尔岁时玻尔进入哥本哈根大学的数学和自然科学系，主修物理学，进入哥本哈根大学的数学和自然科学系，主修物理学， 1911年玻尔以论文年玻尔以论文金属电子论的研究金属电子论的研究在哥本哈根大学获博士在哥本哈根大学获博士学位。学位。1912年由于对卢瑟福（年由于对卢瑟福（18711937）原子的有核模型）原子的有核模型的兴趣及卢瑟福的个人魅力主动的兴趣及卢瑟福的个人魅力主动从师于卢瑟福。从师于卢瑟福。1920年哥本哈根成立理论物理学研究所，玻尔就任所长。在他的指导年哥本哈根成立理论物理学研究所，玻尔就任所长。在他的指导下众多才华

17、横溢的青年科学家纷至沓来，使该所很快就成、为世界上主要科研中心之下众多才华横溢的青年科学家纷至沓来，使该所很快就成、为世界上主要科研中心之一。由于在研究原子结构和原子辐射方面的贡，玻尔获得了一。由于在研究原子结构和原子辐射方面的贡，玻尔获得了1922年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。281222204118EnnhmeEnn = 1的定态为基态，的定态为基态，n 1的其它状态称为激发态的其它状态称为激发态基态能量为基态能量为eV6 .13822041hmeE即为电离能，与实验值吻合的很好。即为电离能，与实验值吻合的很好。氢原子光谱规律的玻尔理论解释氢原子光谱规律的玻尔理论解释（1）能量的计算

18、，设电子在第能量的计算，设电子在第n个轨道上能量为个轨道上能量为En能量量子化能量量子化29（2）用玻尔理论研究氢光谱的规律）用玻尔理论研究氢光谱的规律hEEmnnmcnmnm2232041181nmchmecnmnm成功预测了莱曼系和布拉开系成功预测了莱曼系和布拉开系173204m100973731. 18chmeR理论理论223204118nmhme30126 534赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布喇开系布喇开系En= hcR/n2 hcR/25 hcR/16 hcR/9=-1.51eV hcR/4=-3.39eV hcR=13.6eVT=R/n2109677cm-12741cm

19、-112186cm-16855cm-14387cm-1氢原子能级图氢原子能级图31例题：求氢原子光谱莱曼系的最小波长和最大波长例题：求氢原子光谱莱曼系的最小波长和最大波长22111nmRmn17m100973731. 1R326.2 波动量子理论的建立波动量子理论的建立6.2.1 德布罗意波德布罗意波6.2.2 不确定关系不确定关系6.2.3 波动量子力学的建立波动量子力学的建立6.2.4 氢原子的量子理论简介氢原子的量子理论简介336.2.1 德布罗意波德布罗意波1. 德布罗意假设德布罗意假设 思想方法：自然界在许多方面都是明显地对称的，思想方法：自然界在许多方面都是明显地对称的，他采用类比

20、的方法提出物质波的假设。他采用类比的方法提出物质波的假设。 “整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的研整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的研究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法；在究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢实物理论上，是否发生了相反的错误呢 ？ 是不是我们关于是不是我们关于粒子粒子的图象想的图象想得太多，而过分地忽略了波的图象呢？得太多，而过分地忽略了波的图象呢？”34德布罗意德布罗意1924年提出：年提出：物质波假说：实物粒子具有波动性物质波假说：实物粒子具有波动性德布罗意关系为：德布罗意关系为：2mchEvmhP当粒子速度接近光速时，当粒子

21、速度接近光速时，需考虑相对论效应需考虑相对论效应22cv10mm物质波和光波的区别是实物粒子的静止质量不为零物质波和光波的区别是实物粒子的静止质量不为零 任何物体都伴随以波，而且不可能将物体的运动和波的传播分开。任何物体都伴随以波，而且不可能将物体的运动和波的传播分开。35例例6.4 试计算初速度为零的电子经试计算初速度为零的电子经150V、15000V电压加速后的德布罗意波长电压加速后的德布罗意波长1和和2。（不考虑质量随速度变化的相对论效应）。（不考虑质量随速度变化的相对论效应）解：电子被电场加速后解：电子被电场加速后eUm2021v02meUv德布罗意波长为德布罗意波长为Uemh02vm

22、hph0150V15000Vnm10. 02101Uemhnm01. 02202Uemh362. 德布罗意波的实验验证德布罗意波的实验验证（1）戴维逊）戴维逊-革末实验：电子衍射实验革末实验：电子衍射实验 1927年戴维逊和革末用加速后的电子投射到金属镍单晶表面上进行电子反年戴维逊和革末用加速后的电子投射到金属镍单晶表面上进行电子反射时的衍射实验，和射时的衍射实验，和X光布拉格衍射现象一样。光布拉格衍射现象一样。GK狭缝狭缝电电流流计计镍镍集集电电器器U电子射线电子射线单单晶晶5102015250IU1237（2）汤姆逊）汤姆逊1927的电子通过金多晶薄膜的衍射实的电子通过金多晶薄膜的衍射实验

23、验同期实验上也证明中子，质子，原子等也具有波动同期实验上也证明中子，质子，原子等也具有波动性，德布罗意公式对这些粒子也同样正确。性，德布罗意公式对这些粒子也同样正确。（3）电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验）电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验约恩逊约恩逊 （1961）38例例6.5 试计算质量为试计算质量为0.01kg、速度为、速度为300m/s子弹的德布罗意波长。子弹的德布罗意波长。解：由德布罗意关系式，子弹的德布罗意波长为解：由德布罗意关系式，子弹的德布罗意波长为vmhph m1021. 230001. 01062. 6343439例题：电子和光子各具有波长例题：电子和光子各具有波长2

24、.0，它们的动量各是多少？，它们的动量各是多少？403. 德布罗意波的统计意义德布罗意波的统计意义电子双缝衍射实验：电子双缝衍射实验：7 7个电子个电子100100个电子个电子底片上出现一个个的点子底片上出现一个个的点子电子具有粒子性电子具有粒子性来源于来源于“一个电子一个电子”所具有的波动性，所具有的波动性，而不是电子间相互作用的结果。而不是电子间相互作用的结果。随着电子增多，逐渐形成衍射图样随着电子增多，逐渐形成衍射图样300030002000020000700007000041 物质波描述了粒子在各处被发现的概率。衍射图样中亮处，电子出现的概物质波描述了粒子在各处被发现的概率。衍射图样中

25、亮处，电子出现的概率大；不在峰值的空间电子出现的概率小。一个电子对衍射图样贡献是一个点率大；不在峰值的空间电子出现的概率小。一个电子对衍射图样贡献是一个点（粒子性），当电子数足够多时，点的分布概率服从波的规律，连续的衍射图（粒子性），当电子数足够多时，点的分布概率服从波的规律，连续的衍射图样就形成了。样就形成了。 在某处德布罗意波的强度与粒子在该处附近出现的概率成正比。在某处德布罗意波的强度与粒子在该处附近出现的概率成正比。玻恩提出德布罗意波是概率波的核心：玻恩提出德布罗意波是概率波的核心：42选择题：如果两种不同质量的粒子，其德布罗意波长相同，则这两种粒子的选择题：如果两种不同质量的粒子，其德布罗意波长相同，则这两种粒子的（ ）（A）动量相同）动量相同（B）能量相同）能量相同（C）速度相同）速度相同（D）动能相同）动能相同A436.2.2 不确定关系不确定关系电电子子束束xxzOxpzppsinppxsin0ppxsinppxphxsinxhpsinhxp44海森伯不确定关系海森伯不确定关系222zyxpzpypx不确定关系表明：微观粒子的位置和动量不能同时完全确定的值，或