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1、第16章 量子物理（Quantum Physics）一、一、旧量子旧量子论的形成（冲破经典量子假说）论的形成（冲破经典量子假说）1900 Planck 振子能量量子化振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化电磁辐射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化原子能量量子化二二、量子力学的建立（崭新概念）、量子力学的建立（崭新概念）1923 de Broglie（德布罗意德布罗意）电子具有波动性电子具有波动性 1926-27 Davisson,G.P.Thomson 电子衍射实验电子衍射实验 1925 Heisenberg 矩阵力学矩阵力学 1926 Schroedi
2、nger 波动方程波动方程 1928 Dirac 相对论波动方程相对论波动方程量子史话量子史话 量子力学是研究原子、分子和凝聚态物质的结构量子力学是研究原子、分子和凝聚态物质的结构和性质的理论基础，在化学、生物、信息、激光、能和性质的理论基础，在化学、生物、信息、激光、能源和新材料等方面的科学研究和技术开发中，发挥越源和新材料等方面的科学研究和技术开发中，发挥越来越重要的作用。来越重要的作用。学习现代物理学发展史的学习现代物理学发展史的重大意义重大意义：1）科学家如何抓住机遇，克服困难，勇于突破）科学家如何抓住机遇，克服困难，勇于突破传统观念束缚的创新思想和锲而不舍的探索精神，以传统观念束缚的
3、创新思想和锲而不舍的探索精神，以及作为一个成功者所具有的高尚品德及作为一个成功者所具有的高尚品德.2）科学发展不是一帆风顺的，有成功也有失败，）科学发展不是一帆风顺的，有成功也有失败，而且科学争论永远不断，正是不同学术观点之间的科而且科学争论永远不断，正是不同学术观点之间的科学争论的不断产生和解决推动着人类科学认识的不断学争论的不断产生和解决推动着人类科学认识的不断深入和发展深入和发展.量子概念是量子概念是 1900 1900 年普朗克首先提出的，距今已年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定
4、谔、狄拉克等许多物理布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到大师的创新努力，到 20 20 世纪世纪 30 30 年代就建立了一套年代就建立了一套完整的量子力学理论完整的量子力学理论.19001900年年，普普朗朗克克（M.PulanckM.Pulanck）提提出出能能量量子子，即即能能量量量量子子化化的的概概念念，这这对对经经典典物物理理理理论论是是一一个个极极大大的的冲冲击击，因因为为能能量量的的连连续续性性在在经经典典物物理理中中是是“天天经经地地义义”的的事事情情。在在物物理理学学上上，能能量量子子概概念念的的提提出出具具有有划时代的意义，它标志了量子力学的诞生
5、。划时代的意义，它标志了量子力学的诞生。19051905年年，为为解解释释光光电电效效应应，爱爱因因斯斯坦坦提提出出光光量量子子（光光子子）的的概概念念，指指出出光光具具有有波波粒粒二二象象性性。19231923年年，德德布布罗罗意意（P.L.de P.L.de BroglieBroglie）提提出出实实物物粒粒子子也也具具有有波波动动性性的的假假设设。波波粒粒二二象象性性的的假假设设，为为物物质质世世界界建建立立了了一一个个统统一一的的模模型型。物物质质具具有有波波粒粒二二象象性性是是建建立立量量子子力力学学的的一一个基本出发点。个基本出发点。19271927年年，戴戴维维孙孙（C.J.Da
6、vissonC.J.Davisson）和和革革末末（L.H.GermerL.H.Germer）通通过过镍镍单单晶晶体体表表面面对对电电子子束束的的散散射射，观观测测到到和和X X光光衍衍射射类类似似的的电电子子衍衍射射现现象象；同同年年，G.P.G.P.汤汤姆姆孙孙（G.P.ThomsonG.P.Thomson）用用电电子子束束通通过过多多晶晶薄膜，证实了电子的波动性。薄膜，证实了电子的波动性。19251925年年，海海森森伯伯(W.Heisenberg)(W.Heisenberg)放放弃弃电电子子轨轨道道等等经经典典概概念念，用用实实验验上上可可观观测测到到的的光光谱谱线线的的频频率率和和强
7、强度度描描述述原原子子过过程程，奠奠定定了了量量子力学的一种形式子力学的一种形式矩阵力学的基础。矩阵力学的基础。19261926年年，薛薛定定谔谔(E.Schrodinger)(E.Schrodinger)提提出出了了非非相相对对论论粒粒子子（能能量量远远小小于于静静能能）的的运运动动方方程程薛薛定定谔谔方方程程，由由此此方方程程出出发发的的量量子力学称为波动力学。子力学称为波动力学。同同年年，狄狄拉拉克克（P.A.M.P.A.M.DiracDirac）提提出出了了电电子子的的相相对对论论性性运运动动方方程程狄狄拉拉克克方方程程，把把狭狭义义相相对对论论引引入入薛薛定定谔谔方方程程，统统一一了
8、了量量子子论论和和相相对对论论，为为研研究究粒粒子子物物理理的的量量子子场场论奠定了基础。论奠定了基础。量量子子物物理理的的理理论论基基础础独独立立于于经经典典力力学学，同同我我们们的的日日常常感感受受格格格格不不入入。对对于于生生活活在在宏宏观观世世界界又又比比较较熟熟悉悉经经典典力力学学的的人人们们来来说说，学学习习量量子子物物理理确确有有一一定定难难度度。初初学学者者往往往往试试图图用用经经典典的的概概念念去去理理解解量量子子物物理理，这这将将使学习陷入困境。使学习陷入困境。一一 黑体黑体 黑体辐射黑体辐射 热辐射热辐射 任何物体在任何温度下都会发射不同频率任何物体在任何温度下都会发射不
9、同频率的电磁波的现象为热辐射的电磁波的现象为热辐射.物体在任何时候都存在发射物体在任何时候都存在发射和吸收电磁辐射的过程和吸收电磁辐射的过程.实验证明热辐射具有如下规律实验证明热辐射具有如下规律:1.1.辐射能量按频率的分布随温度而不同辐射能量按频率的分布随温度而不同.2.不同物体在某一频率范围发射和吸收辐射的能不同物体在某一频率范围发射和吸收辐射的能力不同力不同;同一物体在某一频率范围发射越强同一物体在某一频率范围发射越强,吸收也越吸收也越强强.16 16 1 1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假普朗克能量子假设设实验表明实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强辐射能力越强的物体，其吸
10、收能力也越强.黑体黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率的电能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体磁辐射的物体称为黑体.（黑体是理想模型）（黑体是理想模型）1.1.单色辐射出射度单色辐射出射度 单位时间内从物体单位面积发单位时间内从物体单位面积发出的出的频率在频率在 附近单位频率区间（或波长在附近单位频率区间（或波长在 附近单附近单位波长区间）的电磁波的能量位波长区间）的电磁波的能量.单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：定量研究热辐射的有关物理量定量研究热辐射的有关物理量 2.2.辐射出射度（辐出度）辐射出射度（辐出度）单位时间
11、，单位面积上所单位时间，单位面积上所辐射出的辐射出的各种频率（或各种波长）各种频率（或各种波长）的电磁波的能量总和的电磁波的能量总和.会聚透镜会聚透镜空腔空腔小孔小孔平行光管平行光管棱镜棱镜热电偶热电偶测量黑体辐射出射度实验装置测量黑体辐射出射度实验装置二二 斯特藩斯特藩 玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律18791879年斯特藩从实验上总结而得该定律年斯特藩从实验上总结而得该定律18841884年玻耳兹曼从理论上证明了该定律年玻耳兹曼从理论上证明了该定律（1 1）斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律斯特藩斯特藩玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数（2）维恩位移定律维恩位移定律常数常数峰值波长峰值波长0 1000 20001.00.5 可可见见光光区区30003000K K60006000K K黑体单色辐出度实验曲线黑体单色辐出度实验曲线绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线0 1 2 3 4 5/m1700K1300K1500K1100K