量子力学解释

量子力学解释1第1页，共36页，2023年，2月20日，星期四

引言第1章波粒二象性第2章薛定谔方程第3章原子中的电子第4章固体中的电子第5章粒子物理简介量子力学的基本原理和简单应用2第2页，共36页，2023年，2月20日，星期四引言十九世纪末，经典物理已相当成熟，对物理现象本质的认识似乎已经完成。但在喜悦的气氛中，还有两朵小小的令人不安的乌云：跳出传统的物理学框架！？寻找以太的零结果？热辐射的紫外灾难寻找以太的零结果相对论

热辐射的紫外灾难量子论相对真理绝对真理3第3页，共36页，2023年，2月20日，星期四学习方法

处理好三个关系：

形象和抽象

－注意培养抽象思维能力

演绎和归纳

－注意要接受新的观点学习归纳法培养创造性思维

物理和技术

－学习应用物理原理在技术上创新4第4页，共36页，2023年，2月20日，星期四§1.1黑体辐射（和普朗克的能量子假说）分子(含有带电粒子)的热运动使物体辐射电磁波。这种与温度有关的辐射称为热辐射(heatradiation)。热辐射的电磁波的能量对频率有一个分布。例如加热铁块，随着温度的升高:

开始不发光→→→

黄白色橙色暗红温度不同，热辐射的电磁波的能量不同，频率分布也不同。5第5页，共36页，2023年，2月20日，星期四同一个黑白花盘子的两张照片室温下，反射光1100K，自身辐射光（与温度有关）激光、日光灯发光不是热辐射。6第6页，共36页，2023年，2月20日，星期四

温度为T

时,单位时间内从物体单位表面发出的频率在

附近单位频率区间内的电磁波的能量,

称为光谱辐射出射度M(T)1．光谱辐射出射度M(T)一.描述热辐射的物理量M的SI单位为W/(m2·Hz)dE

…温度为T时,单时间内从物体单位表面发出的频率在→

+d间隔内的电磁波的能量

M(T)

…描述热辐射能量按频率的分布。

T单位面积7第7页，共36页，2023年，2月20日，星期四钨丝、太阳的M和关系的实验曲线M注意：图中钨丝、太阳的M

纵坐标标度不同

8第8页，共36页，2023年，2月20日，星期四2.总辐出度M(T)

M

的单位为W/m23.光谱吸收比(T)

以上这些物理量均与物体种类及其表面情况有关。（T）…温度为T时,（单位时间内）入射到物体（单位表面）的,频率在→+d间隔内的电磁波的能量被物体吸收的百分比。9第9页，共36页，2023年，2月20日，星期四★平衡热辐射此时物体具有固定的温度。我们只讨论平衡热辐射的情况。物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量时，热辐射过程达到热平衡，称为平衡热辐射。热辐射的情况与物体种类及其表面有关，情况太复杂了！怎么去研究热辐射的规律呢？提出“理想模型”的方法。10第10页，共36页，2023年，2月20日，星期四

1.黑体

能完全吸收照射到它上面的各种频率电磁波的物体，称为黑体。二.黑体和黑体辐射的基本规律

维恩设计的黑体：黑体黑体能吸收各种频率的电磁波，也能辐射各种频率的电磁波。黑体的光谱吸收比

(T)=1----‘理想模型’。为不透明材料的空腔开的一个小孔。11第11页，共36页，2023年，2月20日，星期四实验表明：辐射本领大的物体，吸收本领也大（实验演示）。黑体的吸收本领最大，辐射本领也最大。而黑体（的热辐射）正好与空腔的形状、材料及

‘表面状态’都无关，是最好的研究对象。

研究热辐射本身的规律，应利用辐射本领M

只与频率、温度有关，而和材料及表面状态无关的物体。12第12页，共36页，2023年，2月20日，星期四

对各种具体物体的总辐出度，可以通过实验定出的“黑度系数”(如有“机电手册”可查)

来得到。例.油毛毡（法向）0.93(200C)

氧化铜（法向）0.60.7(500C)13第13页，共36页，2023年，2月20日，星期四2.研究黑体辐射的实验装置示意图:黑体热电偶(测M(T))光栅光谱仪（或棱镜光谱仪）T测得的黑体辐射实验曲线和两个实验定律：14第14页，共36页，2023年，2月20日，星期四3．斯特藩—玻耳兹曼定律（实验定律）

=5.67×10-8W/（m2K4）

4．维恩位移定律（实验定律）黑体辐射光谱中辐射最强的频率m与黑体温度T

之间满足正比关系

C=5.88×1010Hz/K总辐出度M(T)与黑体温度的四次方成正比M黑体辐射实验曲线或

b=2.898×10-3m·K15第15页，共36页，2023年，2月20日，星期四例。若视太阳为黑体，测得由定出维恩因热辐射定律的发现1911年获诺贝尔物理学奖斯特藩—玻耳兹曼定律和维恩位移律是测量高温、遥感和红外追踪等技术的物理基础。红外照相机拍摄的人的头部的热图热的地方显白色，冷的地方显黑色。16第16页，共36页，2023年，2月20日，星期四三.经典物理学所遇到的困难

----如何解释黑体辐射实验曲线？空腔壁产生的热辐射，想象成空腔壁内有许多以壁为节点的电磁驻波。其中最典型的是维恩公式和瑞利—金斯公式黑体内的驻波

但是，由经典理论导出的M(T)～公式都与实验结果不符合！17第17页，共36页，2023年，2月20日，星期四（1）维恩公式（非前面的维恩位移公式）

假定驻波能量按频率的分布类似于（经典的）麦克斯韦速度分布率。得（2）瑞利—金斯公式

假定驻波的平均能量为kT

（经典的能量均分定理），得在低频段，维恩线偏离实验曲线！在高频段(紫外区)与实验明显不符，短波极限为无限大—“紫外灾难”！18第18页，共36页，2023年，2月20日，星期四黑体热辐射的理论与实验结果的比较M19第19页，共36页，2023年，2月20日，星期四四.普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式1.普朗克假设（1900年）普朗克(1858-1947年)与鲁本斯。即物体发射或吸收电磁辐射只能以“量子”方式进行，每个能量子的能量为。

=h其中

h=6.626×10-34J·s

称为普朗克常数。普朗克认为空腔黑体的热平衡状态，是组成腔壁的带电谐振子和腔内的电磁辐射交换能量而达到平衡的结果。谐振子的能量只能是20第20页，共36页，2023年，2月20日，星期四2.普朗克公式

普朗克在德国物理学会上报告了与全波段实验结果极为符合的普朗克公式：1900.12.14.--量子论诞生日。玻尔对普朗克量子论的评价：“在科学史上很难找到其它发现能象普朗克的如此非凡的结果…基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里产生这个发现将人类的观念——不仅是有关经典科学的观念，而且是有关通常思维方式的观念——的基础砸得粉碎，21第21页，共36页，2023年，2月20日，星期四思想束缚下获得的这一解放。”知识的如此的神奇进展，应归功于人们从传统的

爱因斯坦在1918年4月普朗克六十岁生日庆祝会上的一段讲话：“在科学的殿堂里有各种各样的人：有人爱科学是为了满足智力上的快感；有人是为了纯粹功利的目的，而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那些普遍的基本规律，……他成了一个

以伟大的创造性观念造福于世界的人。普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。普朗克本人也有很多的困惑和彷徨·

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能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的！22第22页，共36页，2023年，2月20日，星期四为什么在宏观世界中,

观察不到能量分离的现象?五,量子假说的含义及其与宏观现象的关系例：设想一质量为m=1g

的小珠子悬挂在一个小轻弹簧下面作振幅A=1mm的谐振动。弹簧的劲度系数k=0.1N/m。按量子理论计算，此弹簧振子的能级间隔多大？减少一个能量子时,振动能量的相对变化是多少？量子论是不附属于经典物理的全新的理论，适用范围更广。能量经典光量子

=h能量子能量23第23页，共36页，2023年，2月20日，星期四能级间隔振子现有能量相对能量变化【解】弹簧振子的频率这样小的相对能量变化在现在的技术条件下还不可能测量出来。现在能达到的最高的能量分辨率为：所以宏观的能量变化看起来都是连续的。24第24页，共36页，2023年，2月20日，星期四

叶企孙先生（1898——1977）中国科学院学部委员（常务）清华大学首任物理系主任（1926）首任理学院院长（1929）1921叶企孙，

W.Duane，H.H.Palmer

用X—射线方法测得：1986推荐值：1998推荐值：一般取：25第25页，共36页，2023年，2月20日，星期四§1.2光电效应（和爱因斯坦的光量子论）

金属及其化合物在电磁辐射照射下发射电子的现象称为光电效应，所发射的电子称为光电子。实验装置：GD为光电管，光通过石英窗口照射阴极K，光电子从阴极表面逸出。光电子在电场加速下向阳极A运动，形成光电流。§1.3光的二象性光子实验规律:26第26页，共36页，2023年，2月20日，星期四（1）用光强I一定的某种频率的光照射，得到的饱和光电流强度im是一定的，光强越大，饱和光电流强度也越大。当电压U=0

时，光电流并不为零；只有当两极间加了反向电压U=－Uc<0时，光电流i

才为零。-Ucim2im1I1I2光强I2>I1UiUc

截止电压。这表明：从阴极逸出的光电子有初动能：（2）相同频率但强度大小不同的光照射，截止电压Uc是相同的，与光强无关。27第27页，共36页，2023年，2月20日，星期四截止电压Uc与频率的具体实验规律：

截止电压与入射光频率的关系其中K为斜率，普适常数U0为截距,与材料有关直线与横坐标的交点就是红限频率0.U0呈线性关系Uc=K-U0（3）不论光强多大，只有当入射光频率大于一定的红限频率

0时，才会产生光电流。28第28页，共36页，2023年，2月20日，星期四（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

。以上这些实验规律与经典电磁波的概念完全不同，经典波的能量是连续地分布在空间的。想一想？！29第29页，共36页，2023年，2月20日，星期四爱因斯坦1905年提出了光量子假设：（1）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，每一个

光量子的能量与辐射频率

的关系为

=h

其中h是普朗克常数。（2）光量子具有“整体性”。一个光子只能整个地被电子吸收或放出。30第30页，共36页，2023年，2月20日，星期四爱因斯坦对光电效应的解释：

★光照射到金属表面时，一个光子的能量可以立即被金属中的一个自由电子吸收。但只有当入射光的频率足够高(每个光量子的能量h足够大时)，电子才有可能克服逸出功逸出金属表面。

★光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与光的强度无关。逸出的电子的最大初动能为（A---逸出功）31第31页，共36页，2023年，2月20日，星期四电子的能量不足以克服逸出功而发生光电效应，所以存在红限频率:★只要

0，立刻就有光电子产生（瞬时效应）。----A,U0

都与材料种类有关★当即