量子力学实验基础课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,量子力学实验基础,索尔维会议,（,Solvay Conference,）,1927.10.24,梦幻全明星,二十世纪科技巨匠合影,参加会议的,29,人中，有,17,人获诺贝尔奖,黑体辐射,光电效应,康普顿效应,主要内容与要求,重点：,黑体辐射、光电效应,难点：黑体辐射、康普顿效应,十九世纪末，经典物理学达到了相当完善的程度，正当人们欢呼：,迈克尔逊,-,莫雷实验,，否定了绝对参照系的存在,黑体辐射与,“,紫外光灾难,”,“,科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。,”,-,开尔文,-,两朵乌云：,重新思考物理学的基本概念，在曲折艰苦的阵痛中终于诞生了,相对论,(1905),和,量子论,(1900),。,量子力学的诞生,（,QM-Quantun Mechanics,）,早期量子论,量子力学,相对论量子力学,普朗克能量量子化假说,爱因斯坦光子假说,康普顿效应,玻尔的氢原子理论,德布罗意实物粒子波粒二象性,薛定谔方程,波恩的物质波统计解释,海森伯的测不准关系,狄拉克把量子力学与狭义相对论相结合,量子力学的诞生过程,第一节 黑体辐射,(Radiation of Black Body),一、热辐射,定义：由于热运动所引起的辐射称为热辐射。,1.,单色辐射出射度,一定温度下物体在单位时间、单位表面发射在,范围内的辐射能量与波长间隔的比值。,特点：温度不同，能量随波长,(,频率,),不同。,2.,辐射出射度,单位时间、单位面积上所辐射出的各种波长的电磁波的能量总和，与物体的温度和自身性质有关。,3.,平衡热辐射,物体从外界吸收的热能恰好等于它因辐射而失去的能量。,物体吸收某区间的辐射能占该区间总辐射能的比值。,4.,吸收本领,任何物体在同一温度,T,下的单色辐射出射度与相应的吸收本领的比值是一个与物质无关的普适函数,5.,基尔霍夫热辐射定律,二、黑体辐射,的物体称为绝对黑体，简称黑体,。,普适函数就是绝对黑体的单色辐射出射度,例：不透明材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体,。,研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。,测量黑体辐射出射度实验装置,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（黑体是理想模型）。,0 1000 2000,1.0,0.5,0 1000 2000,1.0,0.5,3000K,6000K,1.,斯特藩,-,玻耳兹曼定律（,1879,年）,辐射出射度,2.,维恩位移定律（,1893,年）,维恩利用热力学,相关理论导出：,3.,瑞利,-,金斯公式（,1900,年）,瑞利,-,金斯利用经典电磁理论和能量均分定理导出：,长波范围符合很好，短波区域偏离严重，,紫外灾难。,1900,年,10,月的一个秋日的午后，在柏林近郊一条幽静的林间小路上，普朗克和他六岁的儿子正在散步。,“,埃尔文，你知道吗？爸爸可能已经做出了可与牛顿力学相媲美的伟大发现。,”,-,量子的发现！,1900,年,12,月,14,日,，普朗克在柏林亥姆霍兹研究所的物理学会议上宣读让物理学家们即兴奋、又烦恼的发现。,4.,普朗克公式（,1900,年）,能量量子化假设：,，,(,Planck,1858 1947),1918,年诺贝尔物理学奖,能量交换只能是量子化的,k,玻尔兹曼恒量,黑体由带电谐振子组成，和周围的,电磁场交换能量,能量子,例,1.,已知在红外线,范围内，人体可近似看作一个黑体。假,设成人表面面积的平均值为,1.73m,2,，表面温度为,33,，求人体辐射的总功率。,解：人体单位面积的辐射功率为,人体辐射的总功率为,黑体的温度和周围环境温度不等时，黑体辐射的净功率是,假设周围环境温度,T,s,=20=293K,第二节 光电效应和康普顿效应,一、光电效应,（,Photoelectric Effect,）,光束射到金属表面使电子从金属中脱出的现象称为光电效应。,V,A,i,光电子,K,A,阳极,光电效应现象是赫兹,1887,年发现的，在,1896,年汤姆逊发现了电子之后，勒纳德才证明了所发出的带电粒子是电子。,1.,实验规律,光电效应伏安特性曲线,存在遏止电势差,单位时间内从阴极逸出的光电子数与入射光的强度成正比,实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光电子出现只需要,10,9,s,的时间,。,瞬时响应性质,对于给定的金属，当照射光频率小于金属的红限频率，则无论光的强度如何，都不会产生光电效应,。,存在遏止频率,v,0,金 属,红限频率,（,10 Hz,）,14,逸出功,（,eV),金 属,红限频率,（,10 Hz,）,14,逸出功,（,eV),某些金属和半导体的红限频率及逸出功,钨,W,10.97 4.54,钙,C,a,6.55 2.71,钠,N,a,5.53 2.29,钾,K,5.43 2.25,銣,Rb,5.15 2.13,銫,Cs,4.69 1.94,铀,U,8.76 3.63,铂,Pt,15.28 6.33,银,Ag,11.55 4.78,铜,Cu,10.80 4.47,锗,Ge,11.01 4.56,硅,Si,9.90 4.10,硒,Se,11.40 4.72,铝,Al,9.03 3.74,锑,Sb,5.68 2.35,锌,Zn,8.06 3.34,波动理论所遇到的困难,1.,光电子初动能应当随光强而不是随频率增大,可见,光的波动说,无法解释实验结果,2.,电磁振动激发电子只要强度足够就应该激发,3.,电磁振动激发电子需要一定响应时间,2.,爱因斯坦的光量子论,光是以光速,c,运动的微粒流，称为,光量子,组成,爱因斯坦光量子假设,(1905),光子的能量,光量子具有,“,整体性,”,（光的发射、传播、吸收都是量子化的）,一个光子将全部能量交给一个电子，电子克服金属对它的束缚，从金属中逸出。,爱因斯坦光电效应方程,爱因斯坦对光电效应的解释,光电子初动能和照射光的频率成线性关系,电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，故,无须时间的累积。,光强大，光子数多，释放的光电子也多，光电流大,光的波粒二象性,爱因斯坦由于,对,光电效应,的理论解释和对,理论物理学,的贡献,获得,1921,年诺贝尔物理学奖,密立根由于,研究基本电荷和,光电效应,，特别是通过著名油滴实验，证明电荷有最小单位，,获得,1923,年诺贝尔物理学奖。,例,2.,已知金属钨的逸出功,A=7.2,10,-19,J,，分别用频率为,7,10,14,Hz,的红外光和,5,10,15,Hz,的紫外光照射钨的表面，能不能产生光电效应？,解：金属钨的红限频率,只有频率大于红限频率的光才可产生光电效应,7,10,14,Hz,的红外光不行,5,10,15,Hz,的紫外光可以,二,、,康普顿效应,（,Compton Effect,）,1927,年诺贝尔物理学奖,（,Compton,1892-1962,）,1922,年间康普顿观察,X,射线通过物质散射时，发现散射的波长发生变化的现象。,(,吴有训,1897 1977),1921,年赴芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究，,1926,年获博士学位。,1926,年秋回国。,他在参与,X,射线散射研究的工作中，以精湛的实验技术和卓越的理论分析，验证了康普顿效应。,中国近代物理学奠基人，教育家。,r,l,l,l,0,波长偏移量,检测系统,晶 体,l,0,l,4,j,5,r,l,j,1,5,3,l,0,l,r,l,j,0,9,l,0,l,r,l,j,散射角,l,0,j,0,射 线 源,X,l,0,散射体,j,l,r,随 的增大而增大，与物质种类无关。,j,实验,j,1,5,3,j,1,5,3,j,1,5,3,l,0,l,r,l,l,0,l,r,l,l,0,l,r,l,Z 16,Z 26,X,射线,X,射线,X,射线,Z 6,原子序数,原子序数,l,0,l,0,l,0,原子序数,碳,C,碳,硫,硫,S,铁,铁,Fe,Fe,l,l,0,谱线的强度增强；,谱线的强度减弱。,l,r,各种散射物质对同一散射角 ，波长偏离量,相等。,j,若散射物质的原子序数增加，,散射线中,不同散射物质的实验对同一散射角,j,光子理论对康普顿效应的解释,高能光子和低能自由电子弹性碰撞的结果,若光子和外层电子碰撞，光子有一部分能量传给电,子,光子的能量减少，导致波长变长，频率变低。,若光子和内层电子碰撞时，碰撞前后光子能量几乎,不变，故波长有不变,的成分,。,因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波,长改变和散射角有关。,康普顿效应的定量分析,y,x,y,x,（,1,）,碰撞前,（,2,）,碰撞后,（,3,）,动量守恒,x,光子,:,能量 动量,(,前,),电子,:,0,能量 动量,(,后,),由能量守恒,:,由动量守恒,:,康普顿散射公式,x,电子的康普顿波长,光的波粒二象性,表示粒子特性的物理量,波长、频率是表示波动性的物理量,表示光子不仅具有波动性，同时也具有粒子性，即具有波粒二象性。,光子是一种基本粒子，在真空中以光速运动。,