量子物理第一章

1、量子物理第一章第1页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三1第一章 波粒二象性 （Wave-particle duality）1.1黑体辐射1.2光电效应 1.3光子、光的二象性1.4 康普顿效应1.5 实物粒子的波动性*1.6 概率波与概率幅*1.7不确定关系第2页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三2提高照明效率研究高温测量测星体表面温度电磁波谱的研究 1.1黑体辐射（Black-body radiation） “热力学和光学已发展到这样的程度，以至于它们俩的结合，能够产生一个婴儿，引起物理学的最大革命。”德国物理学家劳厄（Laue）当时评论道：它注定

2、会 理论上出现了矛盾：一. 热辐射理论发展的背景 科技发展的需要：“紫外灾难”第3页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三3二. 热辐射的基本概念 1.热辐射（heat radiation）： 但是强度不同。热辐射强度按波长(频率)的分布和温度有关， 高温物体发出的是紫外光。炽热物体发出的是可见光，低温物体发出的是红外光， 温度 短波长的电磁波的比例 。热辐射波谱是连续谱，各种波长(频率)都有，第4页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三4 炼钢的热辐射第5页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三5 3. 光谱辐出度（单色辐出度）M这种温度

3、不变的热辐射称之为平衡热辐射。（单位时间内） T单位面积2. 平衡热辐射则物体的温度恒定。加热一物体，若物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，（monochromatic energy density of radiation）M 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。M 取决于T，物质种类和表面情况第6页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三64.（总）辐出度（总发射本领）M(T) （radiant excitance）单位：w/m2（monochromatic absorptance）5. 单色吸收比（率） (T)第7页，共54

4、页，2022年，5月20日，21点46分，星期三7电磁波而无反射的物体，2.维恩设计的黑体三.黑体 1.黑体（black body）：太阳光的 也小于 99%。黑体是理想化模型，能完全吸收各种波长 小孔空腔即使是煤黑、黑珐琅对 电磁波射入小孔后，很难再从小孔中射出。第8页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三82维恩位移律m = b/Tb = 2.89775610-3 mK3理论与实验的对比1. 斯特藩-玻耳兹曼定律M(T)=T 4 = 5.6710-8 W/m2K4 经典物理学遇到的困难四. 黑体辐射的规律第9页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三9五.

5、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 Js3.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)量子第10页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三106.2 光电效应一.光电效应的实验规律1.光电效应光电子:光电效应:2实验装置光照射某些金属时,能从表面释放出电子的效应。 光电效应中产生的电子称为“光电子”。第11页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三11(1)饱和光电流强度 im 与入射光

6、强成正比3.实验规律4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa(2)Uc= K - U0截止电压光电子的最大初动能为AeKmm-=n221v第12页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三12(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(驰豫时间不超过10-9s)00n=KU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！光波的能量分布在波面上,阴极电子积累能量克服 逸出功需要一段时间,光电效应

7、不可能瞬时发生！ 三.光电效应的意义第13页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三136.3 光子、光的二象性一.爱因斯坦的光子理论光的发射、传播、吸收都是量子化的。光子能量 （不是nh ）当普朗克还在寻找他的能量子的经典理论的根源时，爱因斯坦却大大发展了能量子的概念。爱因斯坦光量子假设（1905）： 电磁辐射由以光速c运动的,局限于空间某一 小范围的光的能量子单元（光子）所组成， 光量子具有 “整体性”：第14页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三14二. 光子理论对光电效应的解释 (eUc) (eK ) (eU0)A：逸出功光强N：光子数一束光就是以速

8、率 c 运动的一束光子流。 一个光子将全部能量交给一个电子， 电子克服金属对它的束缚，从金属中逸出。 I N 单位时间打出光电子多 im 光子打出光电子是瞬时发生的第15页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三15光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！但是光量子理论在当时并未被物理学界接受！ h A 时才能产生光电效应，所以存在：红限频率普朗克在推荐爱因斯坦为柏林科学院院士时说： “ 光量子假设可能是走得太远了。” 不发生光电效应，当 入射波长0，和散射物质无关。波长的偏移 = 0 只与散射角 有关，实验规律是：第23页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期

9、三23 康普顿用光子理论做了成功的解释： 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二.康普顿效应的理论解释 经典电磁理论难解释为什么有0的散射， 碰撞光子把部分能量传给电子外层电子束缚能 eV,室温下 kT10-2eV，）（ 波长1的X射线 ，其光子能量 104 eV，e自由电子（静止）m0h光子的能量散射X射线频率 波长第24页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三24三. 康普顿散射实验的意义 支持了“光量子”概念，进一步证实了 首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子 具有动量”的假设 证实了在微观领域的单个碰撞事件中， 动量和能量守恒定律仍然是

10、成立的。康普顿获得1927年诺贝尔物理学奖。 p = /c = h /c = h / = h第25页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三25光(波)具有粒子性一.德布罗意假设 那么实物粒子也应具有波动性。实物粒子具有波动性吗?L.V. de Broglie （法，18921986）从自然界的对称性出发，认为：既然光(波)具有粒子性德布洛意把题为“量子理论的研究”的博士论文提交巴黎大学。6.5 实物粒子的波动性第26页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三26与粒子相联系的波称为物质波或德布罗意波， 一个能量为E、动量为 p 的实物粒子同时具有波动性，他在论

11、文中指出：关系与光子一样：它的波长、频率 和 E、p的 爱因斯坦 德布罗意关系式 德布罗意波长（de Broglie wavelength）第27页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三27 物质波的概念可以成功地解释粒子领域中令人困惑的轨道量子化条件。r（轨道角动量 量子化条件） 朗之万把德布洛意的文章寄给爱因斯坦， 爱因斯坦称赞说：“揭开了自然界巨大帷幕的一角”“瞧瞧吧，看来疯狂，可真是要站得住脚呢”稳定轨道波长论文获得了评委会的高度评价。第28页，共54页，2022年，5月20日，21点46分，星期三28U=100V 时， =1.225经爱因斯坦的推荐，物质波理论受到了关注。 答辩会上，佩林问： “这种波怎样用实验耒证实呢？” 德布洛意答道： “用电子在晶体上的衍射实验可以做到。”算算电子的