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1、量子科学家第1页，本讲稿共21页 斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律：黑体对所有频率总的辐黑体对所有频率总的辐射出射为射出射为s=5.6710 Wm K -8b =2.898 10 m K -3维恩位移定律：普朗克公式对v（）求导，可得维恩位移定律，即光谱辐射出射度最大的光频率或峰值波长为维恩位移定律：普朗克公式对v（）求导，可得维恩位移定律，即光谱辐射出射度最大的光频率或峰值波长为维恩位移定律：普朗克公式对v（）求导，可得维恩位移定律，即光谱辐射出射度最大的光频率或峰值波长为第2页，本讲稿共21页能量子假设 1900年12月24日，普朗克在关于正常光谱的能量分布定律的理论一文中提出能量量
2、子化假设，量子论诞生。这些谐振子和空腔中的辐射场相互作用过程中吸收和发射的能量是量子化的，只能取一些分立值：e,2 e,，n e ;可视为带电的线性谐振子；组成黑体腔壁的分子或原子频率为n 的谐振子，吸收和发射能量的最小值 e=h n 称为能量子（或量子）h =6.6310 J s -34称为普朗克常量第3页，本讲稿共21页 光电效应（光电效应（1921）：）：红限频率红限频率v0=A/h 爱因斯坦光量子假说（爱因斯坦光量子假说（1905）:康普顿散射（康普顿散射（1923）：）：2、光的粒子性、光的粒子性:第4页，本讲稿共21页爱因斯坦与康普顿1923年用X射线通过石墨的散射实验进一步证明光
3、的粒子性。光子与电子碰撞服从能量及动量守恒定律。1905年提出光量子（光子）理论，成功解释光电效应。第5页，本讲稿共21页3、粒子的波动性、粒子的波动性:德布罗意假设（德布罗意假设（1921）：）：此假设很快为戴维孙、革末和汤姆孙利用电此假设很快为戴维孙、革末和汤姆孙利用电子衍射实验证实。子衍射实验证实。概率波和概率幅（概率波和概率幅（1926）：）：玻恩认为玻恩认为物质波描述了粒子在各处出现的概率，物质波描述了粒子在各处出现的概率，也就是说，也就是说，德布罗意波是概率波。德布罗意波是概率波。玻恩用玻恩用单值、有限、连续单值、有限、连续的波函数的波函数=(x,y,z,t)来描述微观粒子的运动来
4、描述微观粒子的运动,假定假定|2=*为粒子的为粒子的概率密度概率密度,即在即在t时刻时刻,在在(x,y,z)处单位体积内出现处单位体积内出现粒子的概率粒子的概率,且且:第6页，本讲稿共21页德布罗意 1923年他提出电子既具有粒子性又具有波动性。1924年正式发表一切物质都具有波粒二象性的论述。并建议用电子在晶体上做衍射实验来验证。1927年被实验证实。他的论述被爱因斯坦誉为“揭开了巨大面罩的一角”。德布罗意为此获得1929年诺贝尔物理学奖。第7页，本讲稿共21页4 4、不确定关系、不确定关系(1927)(1927)：5 5、氢原子光谱、氢原子光谱(1913)(1913)谱线的波数谱线的波数频
5、率条件频率条件：角动量量子化条件角动量量子化条件：位置动量不确定关系：位置动量不确定关系：能量时间不确定关系：能量时间不确定关系：第8页，本讲稿共21页不确定关系海森伯因创立用矩阵数学描述微观粒子运动规律的矩阵力学，获1932年诺贝尔物理奖（注：不确定关系又称测不准关系，在上述表达式中的 和 都具有统计含义，分别代表有关位置和动量的方均根偏差。）称为海森伯位置和动量的不确定关系，它说明，同时精确测定微观粒子的位置和动量是不可能的。微观粒子不能同时具有确定的位置和动量，位 置 的 不 确 定 量 该方向动量的不确定量同一时刻的关系1927年，德国物理学家海森伯提出第9页，本讲稿共21页卢瑟福原子
6、模型：卢瑟福原子模型：1911年卢瑟福根据年卢瑟福根据 alpha 粒子散射实验提出了原子粒子散射实验提出了原子有核模型。原子的质量几乎集中有核模型。原子的质量几乎集中于带正电的原子核，而核的半径于带正电的原子核，而核的半径只占整个原子半径的万分之一至只占整个原子半径的万分之一至十万分之一；带负电的电子散布十万分之一；带负电的电子散布在核的外围。卢瑟福的原子有核在核的外围。卢瑟福的原子有核模型成功地解释了模型成功地解释了a 粒子散射实粒子散射实验。验。第10页，本讲稿共21页玻尔续量子实验 1913年玻尔将普朗克、爱因斯坦的量子理论推广到卢瑟福的原子有核模型中，并结合原子光谱的实验规律，提出他
7、的氢原子理论，奠定了原子结构的量子理论基础。为此他获得1922年诺贝尔物理学奖。第11页，本讲稿共21页6、薛定谔方程(1926)（一维）定态薛定谔方程（一维）：第12页，本讲稿共21页薛薛定定谔谔方方程程描描述述非非相相对对论论实实物物粒粒子子在在势势场场中中的的状状态态随随时时间间的的变变化化，反反映映了了微观粒子的运动规律。微观粒子的运动规律。薛定谔（薛定谔（Schrdinger 1887-1961）1933年薛定谔获诺贝尔物理奖。年薛定谔获诺贝尔物理奖。奥地利物理学家，提出量子奥地利物理学家，提出量子力学最基本的方程。力学最基本的方程。第13页，本讲稿共21页7、薛定谔方程举例（一维）
8、一维无限深势阱中的粒子能量量子化德布罗意波长量子化类似于经典的两端固定的弦驻波第14页，本讲稿共21页势垒穿透：微观粒子可以进入其势能（有限的）大于其总能量的区域，这是由不确定关系决定的。在势垒有限的情况下，粒子可以穿过势垒到达另一侧，这种现象又称隧道效应。谐振子能量量子化零点能第15页，本讲稿共21页1986诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖:宾宾尼尼：设设计计出出扫扫描描式式隧隧道道效应显微镜效应显微镜1986诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖:罗罗雷雷尔尔：设设计计出出扫扫描描式式隧道效应显微镜隧道效应显微镜第16页，本讲稿共21页8、氢原子：、氢原子：氢原子能级：轨道角动量轨道角动量沿磁场方向分量
9、：主量子数主量子数n=1,2,3轨道量子数轨道量子数l=0,1,2,3,n-1轨道磁量子数轨道磁量子数ml=-l,-(l-1),0,1,.,l第17页，本讲稿共21页塞曼塞曼(Zeeman):1902诺贝尔物理学奖得主诺贝尔物理学奖得主第18页，本讲稿共21页9、电子自旋、电子自旋(1926)电子自旋角动量电子自旋角动量电子自旋在空间某一方向的投影电子自旋在空间某一方向的投影ms只有只有1/2（向上）和（向上）和-1/2（向下）两个值，为（向下）两个值，为自旋磁量子数。自旋磁量子数。轨道角动量和电子自旋角动量的合角动量轨道角动量和电子自旋角动量的合角动量玻尔磁子玻尔磁子电子自旋磁矩在磁场中的能
10、量电子自旋磁矩在磁场中的能量第19页，本讲稿共21页10、多电子原子的电子组态、多电子原子的电子组态电子的状态用电子的状态用4 个量子数个量子数n,l,ml,ms确定。确定。n相同相同的状态组成一壳层，可容纳的状态组成一壳层，可容纳2n2个电子；个电子；l相同相同的状态组成一次壳层，可容纳的状态组成一次壳层，可容纳2（2l+1)个电子。个电子。基态原子电子组态遵循两个规律：基态原子电子组态遵循两个规律：（1）能量）能量最低最低原理，即电子总处于可能最原理，即电子总处于可能最低的能级。一般低的能级。一般n越大，越大，l越大，能量就越高。越大，能量就越高。（2）泡利）泡利不相容不相容原理原理(19
11、21)，不可能有两个，不可能有两个或两个以上的电子处在同一量子状态。即不或两个以上的电子处在同一量子状态。即不能有两个电子具有相同的能有两个电子具有相同的n,l,ml,ms。第20页，本讲稿共21页泡利不相容原理泡利不相容原理 1945诺贝尔物诺贝尔物理学奖得主理学奖得主W.Pauli 不不可可能能有有两两个个或或两两个个以以上上的的电电子子处处在在同同一一量量子子状状态态。即即不不能能有有两两个个电电子子具具有有相相同同的的n,l,ml,ms。注意：费米子服从泡利不相注意：费米子服从泡利不相容原理，但玻色子不容原理，但玻色子不受泡利不相容原理的受泡利不相容原理的限制。限制。第21页，本讲稿共21页