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1、物理基础 量子物理第1页，本讲稿共47页量子物理引言 到十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日臻完善，并不断取得新的成就。首先在牛顿力学基础上，哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学，几乎达到无懈可击的地步，特别是十九世纪中期，海王星的发现充分表明了牛顿力学是完美无缺的。其次，通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的巨大努力，建立了体系完整而又严密的热力学和统计力学，并且应用越来越广泛。1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设第2页，本讲稿共47页 由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行的深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础，特别是由麦克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存在，
2、随即被赫兹的实验所证实。后来又把牛顿、惠更斯和菲涅耳所建立的光学也纳入了电动力学的范畴，更是一项辉煌的成就。因此当时许多著名的物理学家都认为物理学的基本规律都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本规律应用到各种具体问题上，并用来说明各种新的实验事实而已。1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设第3页，本讲稿共47页就连当时赫赫有名对物理学各方面都做出过重要贡献的权威人物开耳文勋爵在一篇于1900年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了”，不过他还不愧为一名确有远见卓识的物理学家，因为他接着又指出：“但是在物理
3、晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌云”，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个实验现象，一个是热辐射现象中的紫外灾难，1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设第4页，本讲稿共47页另一个是否定绝对时空观的迈克尔逊-莫雷实验，正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。事实上还有第三朵小小的乌云，这就是放射性现象的发现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元，原子也是可以分割的。所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的，它们使经典物理处于十分困难境地，为摆脱这种困境，有一些思想敏锐1.黑体辐
4、射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设第5页，本讲稿共47页而又不受旧观念束缚的物理学家纷纷重新思考研究，在二十世纪初期，建立起了近代物理的两大支柱-量子论和相对论，并在这个基础上又建立起以研究原子的结构、性质及其运动规律为目的的原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起原子核物理学和基本粒子物理学，这些内容统称为量子物理学。1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设第6页，本讲稿共47页一、几个概念 任何物体在任何温度下都要发射各种波任何物体在任何温度下都要发射各种波长的电磁波，这种由于物质中的分子、原子长的电磁波，这种由于物质中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象为热辐射。受到热激
5、发而发射电磁波的现象为热辐射。固体、液体在任何温度下都要辐射电磁波。固体、液体在任何温度下都要辐射电磁波。注意.深色物体比浅色物体吸收和发射电磁波能力大。深色物体比浅色物体吸收和发射电磁波能力大。1.什么是热辐射.物体在某个频率范围内发射电磁波能力越大，则它吸收该频率物体在某个频率范围内发射电磁波能力越大，则它吸收该频率范围内电磁波能力也越大。范围内电磁波能力也越大。第7页，本讲稿共47页描写物体辐射本领的物理量。类似于波强。描写物体辐射本领的物理量。类似于波强。平衡热辐射平衡热辐射:辐射和吸收的能量相等时称为辐射和吸收的能量相等时称为热平衡热平衡。此时。此时物物体具有稳定温度体具有稳定温度2
6、.单色辐出度表示在一定温度表示在一定温度 T 下，单位时间内从物体表面下，单位时间内从物体表面单位面积上波长在单位面积上波长在 附近单位波长间隔内辐射附近单位波长间隔内辐射出的能量出的能量。1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设/一、几个概念一、几个概念发射电磁辐射能量发射电磁辐射能量吸收电磁辐射能量吸收电磁辐射能量相等相等第8页，本讲稿共47页3.辐出度 描写物体在温度描写物体在温度 T 时向外辐射能量本领时向外辐射能量本领的物理量。的物理量。表示在温度表示在温度 T 时单位时间内、单位面积整个时单位时间内、单位面积整个波长范围内的辐射出能量。波长范围内的辐射出能量。已知物体在已知
7、物体在 T 时各种波长的单色辐出度，可时各种波长的单色辐出度，可求出温度为求出温度为 T 时单位时间单位面积的总辐射能时单位时间单位面积的总辐射能量。量。1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设/一、几个概念一、几个概念第9页，本讲稿共47页二、黑体辐射 物体具有向四周辐射能量的本领，又有吸物体具有向四周辐射能量的本领，又有吸收外界辐射来的能量，一般物体只能将一部分收外界辐射来的能量，一般物体只能将一部分能量吸收另一部分反射出去。能量吸收另一部分反射出去。1.什么是黑体 能够吸收外来一切电磁波辐射而毫无反能够吸收外来一切电磁波辐射而毫无反射的物体，黑体只是一种理想的模型。射的物体，黑体
8、只是一种理想的模型。碳黑可近似看作黑体。碳黑可近似看作黑体。灰体、透明体。灰体、透明体。1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设/二、黑体辐射二、黑体辐射第10页，本讲稿共47页 再如，可把一个开再如，可把一个开小孔的不透光空腔看成小孔的不透光空腔看成黑体。黑体。2.黑体的辐射分布1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设/二、黑体辐射二、黑体辐射空腔空腔第11页，本讲稿共47页 实验中将开有小实验中将开有小孔的空腔视为黑体，孔的空腔视为黑体，如使空腔恒温，测量如使空腔恒温，测量从小孔中辐射出来的从小孔中辐射出来的各种波长范围的单色各种波长范围的单色辐出能与波长之间的辐出能与波长
9、之间的关系。关系。1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设/三、黑体辐射三、黑体辐射第12页，本讲稿共47页经典物理遇到的困难 瑞利瑞利-金斯公式在长金斯公式在长波部分符合得较好，波部分符合得较好，瑞利金斯线维恩线实验曲线实验曲线当波长变短，辐出度趋于无穷大。这称为当波长变短，辐出度趋于无穷大。这称为“紫外灾难紫外灾难”。由于理论与实验之间的不可由于理论与实验之间的不可调和性，给物理学界带来很大困难。调和性，给物理学界带来很大困难。1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设/四、瑞利四、瑞利-金斯公式金斯公式第13页，本讲稿共47页 正如正如1900年开耳文指出的晴朗的物理学年开
10、耳文指出的晴朗的物理学理论大厦上空，飞来理论大厦上空，飞来“两朵乌云两朵乌云”之一，它动之一，它动摇了经典物理的基础。摇了经典物理的基础。1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设/四、瑞利四、瑞利-金斯公式金斯公式第14页，本讲稿共47页三、普朗克量子假设、黑体辐射公式 1900年德国物理学家普朗年德国物理学家普朗克为了得到与实验曲线相一致克为了得到与实验曲线相一致的公式，在维恩位移定律和瑞的公式，在维恩位移定律和瑞利利-金斯公式之间用内插法建金斯公式之间用内插法建立一个普遍公式，提出了一个立一个普遍公式，提出了一个与经典物理学概念截然不同的与经典物理学概念截然不同的“能量子能量子”假
11、设：能量是分立假设：能量是分立的，不是连续的。的，不是连续的。1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设/五、普朗克量子假设五、普朗克量子假设第15页，本讲稿共47页 普朗克（德）（1858-1947），量子论的奠基人，1900年12月14日他在德国物理学会上，宣读了以关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文，提出了能量的量子化假设，并导出了能量的分布公式，劳厄称这一天是“量子论的诞生日”。1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设/五、普朗克量子假设五、普朗克量子假设第16页，本讲稿共47页1.普朗克量子假设.金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐
12、振子，它吸收或发射电磁波辐射能时与振振子，它吸收或发射电磁波辐射能时与振子的频率成正比的能量子子的频率成正比的能量子 h 为基本单元来为基本单元来吸收可发射能量。吸收可发射能量。.空腔壁上带电谐振子所吸收或发射的能量是空腔壁上带电谐振子所吸收或发射的能量是 h 的整数倍。的整数倍。普朗克常数普朗克常数1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设/五、普朗克量子假设五、普朗克量子假设第17页，本讲稿共47页 当带电谐振子与周当带电谐振子与周围电磁场交换能量时放围电磁场交换能量时放出能量以量子方式进行。出能量以量子方式进行。温度为温度为 T 的黑体的黑体单位面积上频率在单位面积上频率在 +d
13、范围内范围内辐射的能量辐射的能量为为1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设/五、普朗克量子假设五、普朗克量子假设第18页，本讲稿共47页 普朗克在普朗克在1900年年10月月19日德国物理学会日德国物理学会说说“即使这个辐射公式能证明是绝对精确的，即使这个辐射公式能证明是绝对精确的，但是如果仅仅是一个侥幸猜测出来的内插公式，但是如果仅仅是一个侥幸猜测出来的内插公式，那么它的价值也是有限的那么它的价值也是有限的”。由于提出能量子。由于提出能量子假设，为此获假设，为此获1918年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。这个公式不仅与实验结果相符合，而且也这个公式不仅与实验结果相符合，而且也解决
14、了在经典热力学中固体比热与实验不解决了在经典热力学中固体比热与实验不符的问题。符的问题。1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设/五、普朗克量子假设五、普朗克量子假设第19页，本讲稿共47页例：例：设有一音叉尖端的质量为设有一音叉尖端的质量为 0.050kg，将将其频率调到其频率调到=480Hz，振幅振幅 A=1.0nm。求：尖端振动的量子数。求：尖端振动的量子数。解：解：振动能量为振动能量为由由1.黑体辐射普朗克量子假设黑体辐射普朗克量子假设/五、普朗克量子假设五、普朗克量子假设第20页，本讲稿共47页第二节第二节第二节第二节光电效应光电效应光电效应光电效应 光光光光的波粒二象性的波
15、粒二象性的波粒二象性的波粒二象性第21页，本讲稿共47页 1887年赫兹发现了光电效应，年赫兹发现了光电效应，1905年爱年爱因斯坦用光量子理论解释了光电效应。因斯坦用光量子理论解释了光电效应。1.什么是光电效应 当光线照射在金属表面时，金属中有电子当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出，逸出的电子称为光电子。逸出，逸出的电子称为光电子。如带电小锌球在紫外线照射下会失去负电如带电小锌球在紫外线照射下会失去负电荷带上正电。荷带上正电。2.外光电效应 由于金属表面的电子吸收外界的光子，由于金属表面的电子吸收外界的光子，克服金属的束缚而逸出金属表面的现象。克服金属的束缚而逸出金属表面的现象。2.光
16、电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性 第22页，本讲稿共47页3.内光电效应 由于半导体表面的电子吸收外界的光子，由于半导体表面的电子吸收外界的光子，使其导电性能增强的现象。使其导电性能增强的现象。16.2.1 光电效应的实验规律 普朗克的量子假说当时并未引起人们的广普朗克的量子假说当时并未引起人们的广泛重视，人们把他的黑体辐射公式只看成一个泛重视，人们把他的黑体辐射公式只看成一个与实验符合最好的经验或半经验公式，但是爱与实验符合最好的经验或半经验公式，但是爱因斯坦却看到了量子假说的重要性。光电效应因斯坦却看到了量子假说的重要性。光电效应用经典的光的波动论是没办法解释的，只有用用经典的光
17、的波动论是没办法解释的，只有用量子论才能解释。量子论才能解释。2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/一、实验规律一、实验规律 金金第23页，本讲稿共47页阳极阳极阴极阴极石英窗石英窗 光线经石英窗照光线经石英窗照在阴极上，便有电子在阴极上，便有电子逸出逸出-光电子。光电子。光电子在电场作用下光电子在电场作用下形成光电流。形成光电流。将换向开关反接，电将换向开关反接，电场反向，则光电子离场反向，则光电子离开阴极后将受反向电开阴极后将受反向电场阻碍作用。场阻碍作用。1.光电效应实验2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/一、实验规律一、实验规律 第24页，本讲稿共47页阳极阳
18、极阴极阴极石英窗石英窗2.反向遏止电压U0 当当 K、A 间加反向间加反向电压，光电子克服电电压，光电子克服电场力作功，当电压达场力作功，当电压达到某一值到某一值 U0 时，光电时，光电流恰为流恰为 0。光电子动能转换成电光电子动能转换成电势能势能2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/一、实验规律一、实验规律 第25页，本讲稿共47页3.光电效应实验规律.光电流与光强的关系光电流与光强的关系 不变不变光强不变光强不变2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/一、实验规律一、实验规律 第26页，本讲稿共47页播放动画播放动画2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/一
19、、实验规律一、实验规律 金金第27页，本讲稿共47页.截止频率截止频率0-红限红限当入射光频率当入射光频率 0 时，电子才能逸出金属时，电子才能逸出金属表面；表面；当入射光频率当入射光频率 0 时，时，与光强无关。与光强无关。光电子初动能光电子初动能反向遏止电压反向遏止电压2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/一、实验规律一、实验规律 第28页，本讲稿共47页.当当 0 时，光电时，光电流正比于光强。流正比于光强。光电流光电流I入射光强入射光强.当当 0时，光电效时，光电效应是瞬时的，时间应是瞬时的，时间 0 时，电子才能逸出金属时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。表面，产生光
20、电效应。不同金属具有不同的截止频率。不同金属具有不同的截止频率。3.光电流正比于光强的解释光电流正比于光强的解释 光强正比于单位时间流过单位面积光强正比于单位时间流过单位面积 的光子的光子数。光强越大，光子数越多。数。光强越大，光子数越多。2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/四、爱因斯坦方程四、爱因斯坦方程 第34页，本讲稿共47页金属内电子吸收一个光子可以释放一个光金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光强越大，光电子越多，光电流越电子。光强越大，光电子越多，光电流越大。大。4.光电效应瞬时性的解释光电效应瞬时性的解释 电子吸收光子时间很短，只要光子频电子吸收光子时间很短，
21、只要光子频率大于截止频率，电子就能立即逸出金属率大于截止频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。表面，无需积累能量的时间，与光强无关。爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。完全违背了光的波动理论。2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/四、爱因斯坦方程四、爱因斯坦方程 第35页，本讲稿共47页就连量子物理创始人普朗克也认为太过分就连量子物理创始人普朗克也认为太过分了。他在了。他在1907年给爱因斯坦的信中写到：年给爱因斯坦的信中
22、写到：“我为基本量子（光量子）我为基本量子（光量子）所寻找的不是它在真空中所寻找的不是它在真空中的意义，而是它在吸收和的意义，而是它在吸收和发射地方的意义，并且我发射地方的意义，并且我认为真空中过程已由麦克认为真空中过程已由麦克斯韦方程作了精辟的描述斯韦方程作了精辟的描述”。直到。直到1913年他还对光年他还对光子持否定态度。子持否定态度。2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/四、爱因斯坦方程四、爱因斯坦方程 第36页，本讲稿共47页例例1：铂的逸出功为铂的逸出功为6.3eV，求铂的截止频率求铂的截止频率0。解：解：2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/四、爱因斯坦方程
23、四、爱因斯坦方程 第37页，本讲稿共47页例例2：钾的截止频率钾的截止频率0=4.621014Hz，以波以波长长=435.8nm的光照射，求钾放出光电子的的光照射，求钾放出光电子的初速度。初速度。解：解：2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/四、爱因斯坦方程四、爱因斯坦方程 第38页，本讲稿共47页光电效应的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做美国物理学家密立根，花了十年时间做了了“光电效应光电效应”实验，结果在实验，结果在1915年证实了年证实了爱因斯坦方程，爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又的值与理论值完全一致，又一次证明了一次证明了“光量子光量子”理论的正确。理论
24、的正确。第39页，本讲稿共47页16.2.3 光的波粒二象性1.波动性 光在传播过程中表现出波动性，如干涉、光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。衍射、偏振现象。2.粒子性 光在与物质发生作用时表现出粒子性，光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。如光电效应，康普顿效应。光具有波动性，又有粒子性，即波粒二光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。象性。2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/二、波粒二象性二、波粒二象性 第40页，本讲稿共47页由相对论质速关系由相对论质速关系有有否则否则光子的能量就是它的动能。光子的能量就是它的动能。4.光子的动量由实验
25、测出光压，说明光子是有动量的。由实验测出光压，说明光子是有动量的。3.光子的能量（动能）由相对论光子的质能关系由相对论光子的质能关系光子的质量光子的质量第41页，本讲稿共47页光子能量和动量为光子能量和动量为上两式左边是描写粒子性的上两式左边是描写粒子性的、P；右边是描写波动性的右边是描写波动性的、。h 将光的粒子性与波动性联系起来。将光的粒子性与波动性联系起来。2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/二、波粒二象性二、波粒二象性 第42页，本讲稿共47页例：例：求波长为求波长为20 nm 紫外线光子的能量、动紫外线光子的能量、动量及质量。量及质量。解：解：能量能量动量动量2.光电效
26、应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/二、波粒二象性二、波粒二象性 第43页，本讲稿共47页质量质量2.光电效应光的波粒二象性光电效应光的波粒二象性/二、波粒二象性二、波粒二象性 第44页，本讲稿共47页补充：光电效应在近代技术中的应用1.光控继电器放大器放大器控制机构控制机构 可以用于自动控制，自动计数、自动报可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。警、自动跟踪等。2.光电效应光电效应.光的波粒二象性光的波粒二象性/七、应用七、应用 第45页，本讲稿共47页2.光电倍增管 可对微弱光线进行可对微弱光线进行放大，可使光电流放大放大，可使光电流放大105108 倍，灵敏度高，倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、用在工程、天文、科研、军事等方面。军事等方面。2.光电效应光电效应.光的波粒二象性光的波粒二象性/七、应用七、应用 第46页，本讲稿共47页第47页，本讲稿共47页