早期量子论和量子力学的准备.ppt

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1、关于早期量子论和量关于早期量子论和量子力学的准备子力学的准备现在学习的是第1页，共39页19世纪末，经典物理学已发展到顶峰。世纪末，经典物理学已发展到顶峰。牛顿力学牛顿力学 1846发现海王星发现海王星 电磁学电磁学 光的电磁性光的电磁性光学光学 热学热学 统计力学统计力学 在当时看来，已知的一切物理现象，都可以从现成在当时看来，已知的一切物理现象，都可以从现成的理论里得到解释。的理论里得到解释。“物理学的大厦已基本建成，后辈物理学家只要做些修物理学的大厦已基本建成，后辈物理学家只要做些修补工作就行了。补工作就行了。”J.J.汤姆孙汤姆孙现在学习的是第2页，共39页3量子力学量子力学 黑体辐射

2、黑体辐射光电效应光电效应氢原子光谱氢原子光谱 康普顿康普顿效应应效应应经典物理学经典物理学现在学习的是第3页，共39页量子力学的诞生量子力学的诞生 三个实验三个实验（1）黑体辐射）黑体辐射（2）光电效应）光电效应（3）原子光谱）原子光谱三个飞跃三个飞跃（1）普朗克能量子假说）普朗克能量子假说（2）德布罗意物质波假设）德布罗意物质波假设（3）薛定谔方程与）薛定谔方程与 玻恩概率波解释玻恩概率波解释现在学习的是第4页，共39页51905年年 爱因斯坦爱因斯坦 光量子假说光量子假说1910年年 卢瑟福卢瑟福 原子有核模型原子有核模型1913年年 波尔波尔 氢原子光谱规律氢原子光谱规律原子及量子概念原

3、子及量子概念1924年年 德布罗意德布罗意 物质波，波粒二象性物质波，波粒二象性1925年年 海森伯海森伯 矩阵力学矩阵力学1926年年 薛定谔薛定谔 波动力学波动力学 量子力学理论量子力学理论1927年年 海森伯海森伯 测不准关系测不准关系 波恩波恩 波函数的统计诠释波函数的统计诠释 狄拉克狄拉克 相对论量子力学相对论量子力学量子力学理论量子力学理论1900年年 普朗克普朗克 能量子能量子（旧量子论）（旧量子论）A、旧量子旧量子论的形成论的形成（冲破经典冲破经典量子假说量子假说）B、量子力学的建立、量子力学的建立（崭新概念崭新概念）C、量子力学的进一步发展、量子力学的进一步发展（应用、发展应

4、用、发展）现在学习的是第5页，共39页 热辐射热辐射 普朗克量子假说普朗克量子假说现在学习的是第6页，共39页一、一、热辐射的基本概念热辐射的基本概念1）辐射出射度辐射出射度 (辐出度辐出度)-)-M 温度为温度为T T时时，单位时间内从物体表面单位面积上所辐射出来的各种频单位时间内从物体表面单位面积上所辐射出来的各种频率电磁波能量的总和率电磁波能量的总和 2)单色辐射出射度（单色辐出度）单色辐射出射度（单色辐出度）热辐射热辐射：物体发出的各种电磁波的能量按频率的分布随温度而不同物体发出的各种电磁波的能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射现象。的电磁辐射现象。温度为温度为T T时时，单位时间内

5、从物体表面单位面积上所辐射出来的，单位时间内从物体表面单位面积上所辐射出来的，波长在波长在附近，单位波长间隔内的电磁波能量。附近，单位波长间隔内的电磁波能量。现在学习的是第7页，共39页式中式中 dM 是频率在是频率在 +d 范围内单位时间从物体表面单位面积上辐范围内单位时间从物体表面单位面积上辐射的电磁波能量射的电磁波能量3）单色单色吸收比（光谱吸收比）吸收比（光谱吸收比）和和单色单色反射比（反射比（光谱光谱反射比）反射比）物体在温度物体在温度T，吸收和反射频率，吸收和反射频率 d范围内电磁波能量与相范围内电磁波能量与相应频率入射电磁波能量之比应频率入射电磁波能量之比对于对于不透明不透明物体

6、物体：+=11）辐射出射度辐射出射度(辐出度辐出度)-M 2)单色辐射出射度（单色辐出度）单色辐射出射度（单色辐出度）（光谱辐射出射度）（光谱辐射出射度）单位：单位：W/(m2.Hz)现在学习的是第8页，共39页基尔霍夫定侓和黑体基尔霍夫定侓和黑体2）黑体）黑体 若一个物体在任何温度下，对于任何波长入射辐射能的吸收比若一个物体在任何温度下，对于任何波长入射辐射能的吸收比都等于都等于 1,则称它为绝对黑体则称它为绝对黑体 黑体黑体即即,1）基尔霍夫定侓：）基尔霍夫定侓：普适函数普适函数现在学习的是第9页，共39页人造绝对黑体模型人造绝对黑体模型 封闭封闭空腔的空腔的小孔小孔绝对黑体的单色辐出度绝

7、对黑体的单色辐出度-研究热辐射的中心问题研究热辐射的中心问题吸收吸收发射发射现在学习的是第10页，共39页11热辐射热辐射温度不同时温度不同时 辐射的波长分布不同辐射的波长分布不同是是热能转化为电磁能的过程热能转化为电磁能的过程逐渐升温逐渐升温火火炉炉600度1000度400度热辐射及其定量描述热辐射及其定量描述由于分子热运动导致物体辐射电磁波由于分子热运动导致物体辐射电磁波热辐射过程的实质热辐射过程的实质是是物体向外辐射电磁波物体向外辐射电磁波辐射能辐射能热辐射谱是连续的；热辐射谱是连续的；平衡热辐射；平衡热辐射；只要只要T 0 K，就有热辐射；就有热辐射；现在学习的是第11页，共39页黑体

8、辐射黑体辐射的实验曲的实验曲线线可可见见光光区区0M 实验装置实验装置黑体黑体准直系统准直系统三棱镜三棱镜测量系统测量系统透镜透镜加热器加热器黑体辐射的实验研究黑体辐射的实验研究现在学习的是第12页，共39页黑体辐射的基本规律黑体辐射的基本规律1）斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律斯特藩常数斯特藩常数2）维恩位移定律维恩位移定律 黑体辐射出的光谱中辐射最强的波长黑体辐射出的光谱中辐射最强的波长 m 与黑体温度与黑体温度 T 之间满之间满足关系足关系维恩常数维恩常数或或现在学习的是第13页，共39页14瑞利瑞利-金斯线金斯线 为解释黑体辐射规律，为解释黑体辐射规律，1900年瑞利和金斯用能量均

9、分定理和电年瑞利和金斯用能量均分定理和电磁理论导出一个公式：磁理论导出一个公式：黑体辐射的瑞利黑体辐射的瑞利黑体辐射的瑞利黑体辐射的瑞利金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难该公式只适用于长波段该公式只适用于长波段,而在短波段而在短波段（紫外区）与实验不符。（紫外区）与实验不符。-紫外灾难紫外灾难普朗克线普朗克线1900.12.14 普朗普朗克在德国物理克在德国物理学会会议上提学会会议上提出一个黑体辐出一个黑体辐射公式射公式M.Planck 普朗克常数普朗克常数维恩线维恩线现在学习的是第14页，共39页1515普朗克常数普朗克常数-h 是一个普适常数是一个普适常数普朗克能量子假定：普朗

10、克能量子假定：振子的能量不连续。振子的能量不连续。E=n ，n=1,2,3.=h-能量子能量子基本物理思想：基本物理思想：辐射黑体中的分子、原子可看作辐射黑体中的分子、原子可看作线性谐振子线性谐振子 振动时向外辐射能量（也可吸收能量）振动时向外辐射能量（也可吸收能量）物体发射或吸收电磁辐射时物体发射或吸收电磁辐射时 交换能量的最小单位是交换能量的最小单位是“能量子能量子”=h 二、普朗克量子假设：二、普朗克量子假设：现在学习的是第15页，共39页普朗克的思想是完全背离经典物理，受到当时许多人的怀疑和反普朗克的思想是完全背离经典物理，受到当时许多人的怀疑和反对，包括当时的物理学泰斗对，包括当时的

11、物理学泰斗-洛仑兹。乃至当时普朗克自已也洛仑兹。乃至当时普朗克自已也想以某种方式来消除想以某种方式来消除 这一关系式。他写道：这一关系式。他写道：我试图将我试图将 h h 纳入经典理论的范围，但这样的尝试都失败了，这个纳入经典理论的范围，但这样的尝试都失败了，这个量非常顽固，后来他又说：量非常顽固，后来他又说：普朗克的能量子假说导致了量子力学的产生，普朗克也成为普朗克的能量子假说导致了量子力学的产生，普朗克也成为量子力学的奠基人，于量子力学的奠基人，于19181918年获得诺贝尔奖。年获得诺贝尔奖。19001900年年1212月月1414日成为量子物理的诞生日日成为量子物理的诞生日在好几年内我

12、花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将作用量子引在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将作用量子引入到经典理论中去。但我从这种深入剖析中也获得了极大的好处，入到经典理论中去。但我从这种深入剖析中也获得了极大的好处，我终于确切地知道能量子我终于确切地知道能量子 将在物理中发挥出巨大作用。将在物理中发挥出巨大作用。19001900年年1212月月1414日普朗克在德国物理学会的例会上以题为日普朗克在德国物理学会的例会上以题为“关于正常谱中关于正常谱中能量分布定律的理论能量分布定律的理论”条理清晰地推导和论证了他得到的黑体辐射公式。条理清晰地推导和论证了他得到的黑体辐射公式。现在学习的是第16

13、页，共39页光电效应现在学习的是第17页，共39页18实验装置：实验装置：GD为光电管，光通过石英窗口照射为光电管，光通过石英窗口照射阴极阴极K，光电子从阴极表面逸出。光电子从阴极表面逸出。光电子在电场加速下向光电子在电场加速下向阳极阳极A 运动，形成光电流。运动，形成光电流。实验规律如下：实验规律如下：ARiVAKGDI光电效应光电效应光照射某些金属时能从表面释放出电子光照射某些金属时能从表面释放出电子的效应。产生的电子称为的效应。产生的电子称为光电子。光电子。改变改变A，K几间的电势差几间的电势差VAK，可测的光电流可测的光电流I 随随VAK的变化关系的变化关系(伏伏安特性曲线安特性曲线)

14、一、一、光电效应的实验规律光电效应的实验规律现在学习的是第18页，共39页191.光电流和入射光强度关系光电流和入射光强度关系 入射光频率一定时，饱和光电流强度入射光频率一定时，饱和光电流强度 im与入射光强度成正比。与入射光强度成正比。伏安特性曲线伏安特性曲线2.光电子的初动能和入射光频率光电子的初动能和入射光频率的关系的关系与频率与频率 有关，有关，存在红限频率存在红限频率Va0 CsNa Ca截止电压截止电压Va与光强与光强 I 无关无关,K常数；常数；V0 0与材料有关。与材料有关。3.光电效应和时间的关系光电效应和时间的关系 光电转换时间极短光电转换时间极短 0 称为称为康普顿散射康

15、普顿散射=0O=45O=90O=135O.o（A）.2、散射曲线的三个特点、散射曲线的三个特点:c=2.41 10-3nm（实验值）（实验值）1).波长改变量（波长改变量（0）随散）随散射角而异射角而异称为称为Compton波长波长新波长新波长 散射角散射角 散射角散射角 ，I0 ，I I 现在学习的是第26页，共39页(1)(1)与散射物质无关与散射物质无关,仅与散射角有关仅与散射角有关实验表明实验表明 轻元素轻元素重元素重元素(2)(2)2).对同一散射角，原子量对同一散射角，原子量较小的物质散射强度大，较小的物质散射强度大，但波长改变量（但波长改变量（0）相同。相同。经典电磁理论预言，散

16、射辐射具有和入射辐射一样的频率经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率.经典理论无法解释波长变化经典理论无法解释波长变化.经典理论的困难经典理论的困难现在学习的是第27页，共39页2828用光量子概念解释康普顿效应用光量子概念解释康普顿效应 能量守恒能量守恒：(1)动量守恒：动量守恒：(2)光子与电子弹性碰撞光子与电子弹性碰撞yex电子电子静止静止yx散射散射光子光子反冲反冲电子电子x方向：方向：(3)y方向：方向：由由(1),(2),(3)得：得：现在学习的是第28页，共39页29 2.光子与石墨中和原子核束缚很紧的内层电子光子与石墨中和原子核束缚很紧的内层电子 的碰撞，应看做是光

17、子和的碰撞，应看做是光子和整个原子整个原子的碰撞。的碰撞。1.上式表明上式表明波长的改变量波长的改变量 与散射角与散射角 有关，散射角有关，散射角 越越大，大，也越大。也越大。弹性碰撞中，入射光子几乎不损失能量，弹性碰撞中，入射光子几乎不损失能量，这时散射光子波长不变。这时散射光子波长不变。讨论：讨论：物理意义物理意义 光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性.微观粒子也遵守微观粒子也遵守能量守恒能量守恒和和动量守恒动量守恒定律定律.现在学习的是第29页，共39页 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论现在学习的是第30页，共39页311

18、.1.原子的核式结构原子的核式结构19111911卢瑟福核式模型卢瑟福核式模型卢瑟福核式模型卢瑟福核式模型:+-粒子的大角散射粒子的大角散射粒子的大角散射粒子的大角散射原子的行星模型原子的行星模型 原子的中心有一带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质原子的中心有一带正电的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，电子围绕这个核旋转，核的尺寸与整个原子相比是很小的量，电子围绕这个核旋转，核的尺寸与整个原子相比是很小的.一、氢原子光谱规律一、氢原子光谱规律现在学习的是第31页，共39页322.2.2.2.氢原子光谱的规律氢原子光谱的规律氢原子光谱的规律氢原子光谱的规律式中式中R：里德堡常数：里德堡常数

19、氢原子光谱经验规律（氢原子光谱经验规律（18851908年）年）巴尔末公式巴尔末公式红红蓝蓝紫紫6562.84340.54861.3氢原子的可见光光谱：氢原子的可见光光谱：。1853年瑞典人年瑞典人埃格斯特朗埃格斯特朗（A.J.Angstrom）波数波数里德堡里德堡现在学习的是第32页，共39页33赖曼系赖曼系巴尔末系巴尔末系帕邢系帕邢系布喇开系布喇开系普芳德系普芳德系紫外区紫外区红外区红外区可见光可见光氢光谱的其他线系氢光谱的其他线系:光谱规律光谱规律(n=2,3,4)(n=3,4,5.)(n=4,5,6)(n=5,6,7 )(n=6,7,8)-广义巴尔末公式广义巴尔末公式 （里兹组合原理）

20、（里兹组合原理）式中式中:k=1，2，3，4，n=k+1，k+2，k+3，光谱项光谱项(1)(1)光谱是线状分立的光谱是线状分立的(2)(2)可构成谱线系可构成谱线系(3)(3)波数可表为二光谱项的差波数可表为二光谱项的差现在学习的是第33页，共39页343.3.用用经典理论解释原子结构所遇到的困难经典理论解释原子结构所遇到的困难+1）加速运动的电子辐射的电磁）加速运动的电子辐射的电磁波的频率是连续分布的。波的频率是连续分布的。这与氢这与氢 原子光谱线状分布原子光谱线状分布完全不符。完全不符。2）据卢瑟福的原子模型：绕核）据卢瑟福的原子模型：绕核 加速运动的电子，最后被吸加速运动的电子，最后被

21、吸 到核上。原子不稳定。但是到核上。原子不稳定。但是 实际上原子是非常稳定的。实际上原子是非常稳定的。现在学习的是第34页，共39页35二、玻尔的氢原子理论二、玻尔的氢原子理论 电子在原子中，可以在一些电子在原子中，可以在一些特定特定的轨道上运动而的轨道上运动而不不辐射电磁波，辐射电磁波，这时原子处于这时原子处于稳定稳定状态（状态（定态定态），并具有一定的能量，称为），并具有一定的能量，称为能级能级：电子以速度电子以速度v在半径为在半径为r的圆周上绕核运动时，只有电子的的圆周上绕核运动时，只有电子的角动量角动量L等于等于h/2 的的整数倍整数倍的那些轨道是的那些轨道是稳定稳定的的.1）定态假设

22、）定态假设 3）轨道角动量量子化假设）轨道角动量量子化假设称为称为量子数量子数2）跃迁假设）跃迁假设 当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁时，要发射或当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁时，要发射或吸收光子。吸收光子。玻尔的频率条件玻尔的频率条件量子化条件量子化条件现在学习的是第35页，共39页36由经典力学：由经典力学：玻尔量子化条件：玻尔量子化条件：根据基本假设推算氢原子的能量和轨道半径：根据基本假设推算氢原子的能量和轨道半径：玻尔半径：玻尔半径：轨道能量：轨道能量：n=1 态叫基态，其余态叫激发态态叫基态，其余态叫激发态基态能量：基态能量：（电离能）（电离能）能量量子化能量量子化

23、现在学习的是第36页，共39页3737里德伯理论值：里德伯理论值：E1E1/4E1/9E1/n2n=1n=2n=3n=4n=E0=0E莱曼系莱曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系 氢原子能级跃迁与光谱系氢原子能级跃迁与光谱系电离能电离能氢原子光谱的解释氢原子光谱的解释光子能量光子能量频率频率波数波数现在学习的是第37页，共39页381)1)求出了氢原子的能级公式求出了氢原子的能级公式2)2)氢原子光谱线的波数公式氢原子光谱线的波数公式 1)1)成功地揭开了成功地揭开了“巴耳末公式之迷巴耳末公式之迷”2)2)首次打开了人们认识原子结构的大门首次打开了人们认识原子结构的大门 3)3)定态和频率假设在原子结构和分子结构的现代理论中仍是重要概定态和频率假设在原子结构和分子结构的现代理论中仍是重要概念念 4)4)为量子力学的建立奠定了基础为量子力学的建立奠定了基础,但他的理论但他的理论是半经典的是半经典的,仍仍保留了保留了“轨道轨道”概念概念普朗克能量子概念、爱因斯坦光子论、玻尔氢原子理论普朗克能量子概念、爱因斯坦光子论、玻尔氢原子理论-旧量子论（早期量子论）旧量子论（早期量子论）玻尔对氢原子的工作玻尔对氢原子的工作玻尔的贡献玻尔的贡献现在学习的是第38页，共39页感谢大家观看现在学习的是第39页，共39页