量子力学基础分析课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019-6-23,谢谢观赏,第十三章 量子力学基础,1,谢谢观赏,2019-6-23,第十三章 量子力学基础1谢谢观赏2019-6-23,一 了解,热辐射的有关概念和黑体辐射的有关定律。,二 理解,普朗克的量子假设，理解爱因斯坦的光量子理论及其对光电效应的解释。,教学基本要求,三 掌握,德布罗意假说的内容和意义。,四 了解,海森伯不确定关系的意义。,五 了解波函数的概念及其统计解释，了解薛定谔方程极其重要性。,2,谢谢观赏,2019-6-23,一 了解热辐射的有关概念和黑体辐射的有关定律。二 理解普,量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一套完整的量子力学理论.,量子力学,宏观领域,经典力学,现代物理的理论基础,量子力学相 对 论,量子力学,微观世界的理论,起源于对波粒二相性的认识,第一节 黑体辐射 普朗克量子假设,3,谢谢观赏,2019-6-23,量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已有一,一 热辐射,（1）热辐射,实验证明不同温度下物体能发出,不同的电磁波，这种能量按,频率,的分布随,温度,而不同,的电磁辐射叫做热辐射.,（2）单色辐射出射度,单位时间内从物体单位表面积发出的波长在 附近单位波长区间的电磁波的能量.,单色辐射出射度 单位：,第一节 黑体辐射 普朗克量子假设,4,谢谢观赏,2019-6-23,一 热辐射 （1）热辐射 实验证明不同温度下物,（3）辐射出射度,（辐出度）,单位时间，单位,面积上所辐射出的各,种频率（或各种波长）,的电磁波的能量总和.,0 2 4 6 8 10 12,钨丝和太阳的单色辐出度曲线,2,12,10,4,6,8,太阳,可见光区,钨丝（5800,K）,太阳,（5800,K）,钨丝,第一节 黑体辐射 普朗克量子假设,5,谢谢观赏,2019-6-23,（3）辐射出射度 单位时间，单位0 2,实验表明,辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.,（4）黑体,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）,第一节 黑体辐射 普朗克量子假设,6,谢谢观赏,2019-6-23,实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.（4,会聚透镜,空腔,小孔,平行光管,棱镜,热电偶,测量黑体辐射出射度实验装置,第一节 黑体辐射 普朗克量子假设,7,谢谢观赏,2019-6-23,会聚透镜空腔小孔平行光管棱镜热电偶测量黑体辐射出射度实,0 1000 2000,1.0,0.5,二 黑体辐射定律,可见光区,3000,K,6000,K,（1）,斯忒藩,玻尔兹曼定律,斯忒藩,玻尔兹曼常量,（2）,维恩位移定律,常量,峰值波长,第一节 黑体辐射 普朗克量子假设,8,谢谢观赏,2019-6-23,0 1000 20001.0二,例1（1）,温度为室温 的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？,（2）,若使一黑体单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，其温度应为多少？,（3）,以上两辐出度之比为多少？,解,（2）,取,（,1,）,由维恩位移定律,（,3,）,由,斯特藩,玻尔兹曼定律,第一节 黑体辐射 普朗克量子假设,9,谢谢观赏,2019-6-23,例1（1）温度为室温 的黑体，其单色辐出,例2,太阳的单色辐出度的峰值波长 ，,试由此估算太阳表面的温度.,解,由维恩位移定律,对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法进行推测。,第一节 黑体辐射 普朗克量子假设,除辐射测温外，黑体辐射的规律在现代科学技术和日常生活中有着广泛的应用，比如,红外线遥感,、,红外线追踪,。,10,谢谢观赏,2019-6-23,例2 太阳的单色辐出度的峰值波长,0 1 2 3,6,1,2,3,4,5,瑞利-金斯公式,实验曲线,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,黑体辐射的瑞利金斯公式 经典物理的困难,瑞利-金斯公式,紫外灾难,第一节 黑体辐射 普朗克量子假设,11,谢谢观赏,2019-6-23,0 1 2,三 普朗克的量子假设,普朗克常量,能量子,为单元来吸收或发射能量.,普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为,一维谐振子,，它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过去经典物理认为的那样可以连续的吸收或发射能量，而是以与振子的频率成正比的,普朗克黑体辐射公式,空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为,第一节 黑体辐射 普朗克量子假设,12,谢谢观赏,2019-6-23,三 普朗克的量子假设普朗克常量 能量子,0 1 2 3,6,瑞利-金斯公式,1,2,3,4,5,普朗克公式的理论曲线,实验值,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,第一节 黑体辐射 普朗克量子假设,13,谢谢观赏,2019-6-23,0 1 2,例3,设有一音叉尖端的质量为,0.050,kg,，,将其频率调到 ，振幅 .,求,（2）,当量子数由 增加到 时，振幅的变化是多少？,（1）,尖端振动的量子数；,解（1）,基元能量,第一节 黑体辐射 普朗克量子假设,14,谢谢观赏,2019-6-23,例3 设有一音叉尖端的质量为0.050kg，将其,（2）,在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明显的，即宏观物体的能量完全可视作是连续的.,第一节 黑体辐射 普朗克量子假设,15,谢谢观赏,2019-6-23,（2）在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明,一 光电效应的实验规律,V,A,（1）,实验装置,光照射至金属表面,电子从金属表面逸出,称其为,光电子,.,（2）,实验规律,截止频率（红限）,几种纯金属的,截止,频率,仅当 才发生光电效应，截止频率与,材料有关,与,光强无关,.,金属,截止频率,4.545,5.50,8.065,11.53,铯 钠 锌 铱 铂,19.29,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,16,谢谢观赏,2019-6-23,一 光电效应的实验规律VA（1）实验装置 光,电流饱和值,遏止电压,瞬时性,遏止电势差与入射光频率具有线性关系.,当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出,（光强）,遏止电压 与光强无关,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,17,谢谢观赏,2019-6-23,电流饱和值 遏止电压 瞬时性 遏止电势差,按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有,一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属,表面为止.与实验结果不符.,（3）,经典理论遇到的困难,红限问题,瞬时性问题,按经典理论,无论何种频率的入射光,只要其强度,足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属.与实,验结果不符.,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,18,谢谢观赏,2019-6-23,按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有（3）经典,二 爱因斯坦的光量子论,（1）,“光量子”假设,光子的能量为,（2）,解释实验,几种金属的逸出功,金属,钠 铝 锌 铜 银 铂,2.28 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35,爱因斯坦光电方程,逸出功与材料有关,对同一种金属，,一定，与光强无关,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,19,谢谢观赏,2019-6-23,二 爱因斯坦的光量子论（1）“光量子”假设光子的能量为（,逸出功,爱因斯坦方程,产生光电效应条件条件,（截止频率）,光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电,子数目越多，光电流越大.（时）,光子射至金属表面，一个光子携带的能量 将一,次性被一个电子吸收，若 ，电子立即逸出，,无需时间积累（,瞬时,性）.,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,20,谢谢观赏,2019-6-23,逸出功爱因斯坦方程产生光电效应条件条件（截止频率）光,（3）,的测定,爱因斯坦方程,遏止电势差和入射光频率的关系,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,21,谢谢观赏,2019-6-23,（3）的测定爱因斯坦方程遏止电势差和入射光频率的,例1,波长为,450,nm,的单色光射到纯钠的表面上.,求 （1）,这种光的光子能量和动量；,（2）,光电子逸出钠表面时的动能；,（3）,若光子的能量为,2.40,eV,，,其波长为多少？,解（1）,（2）,（3）,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,22,谢谢观赏,2019-6-23,例1 波长为450nm的单色光射到纯钠的表面上.求 （,例2,设有一半径为 的薄圆片，它距,光源,1.0,m,.,此光源的功率为,1,W,，,发射波长为,589,nm,的单色光.假定光源向各个方向发射的能量是相同,的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数.,解,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,23,谢谢观赏,2019-6-23,例2 设有一半径为,三 光电效应在近代技术中的应用,光控继电器、自动控制、,自动计数、自动报警等.,光电倍增管,放大器,接控件机构,光,光控继电器示意图,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,24,谢谢观赏,2019-6-23,三 光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、光电倍,四 光的波粒二象性,描述光的,粒子性,描述光的,波动性,（2）,粒子性：（光电效应等）,（1）,波动性：,光的干涉和衍射,第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论,25,谢谢观赏,2019-6-23,四 光的波粒二象性描述光的 描述光的（2）粒子性：,思想方法,自然界在许多方面都是明显地对称的，他采用类比的方法提出物质波的假设,.,“整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的研究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们关于粒子的图象想得太多 ，而过分地忽略了波的图象呢？”,法国物理学家德布罗意（,Louis Victor de Broglie 1892 1987),第三节 微观粒子的波粒二象性,26,谢谢观赏,2019-6-23,思想方法 自然界在许多方面都是明显地对,一德布罗意假设,（,1924,年,）,德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性,.,德布罗意公式,2,）宏观物体的德布罗意波长小到实验难以测量的程度，因此宏观物体仅表现出粒子性,.,注 意,1,）若 则,若 则,第三节 微观粒子的波粒二象性,27,谢谢观赏,2019-6-23,一德布罗意假设（1924 年）德布罗意假设：实物粒子具有,例,在一束电子中，电子的动能为 ，求此电子的德布罗意波长,？,解,此波长的数量级与,X,射线波长的数量级相当,.,第三节 微观粒子的波粒二象性,28,谢谢观赏,2019-6-23,例 在一束电子中，电子的动能为,二德布罗意波的实验证明,1,戴维孙,革末电子衍射实验（,1927,年）,35 54 75,当散射角 时,电流与加速电压曲线,检测器,电子束,散射线,电子被镍晶体衍射实验,M,K,电子枪,第三节 微观粒子的波粒二象性,29,谢谢观赏,2019-6-23,二德布罗意波的实验证明1 戴维孙 革末电子衍射实验,.,.,.,镍晶体,电子波的波长,两相邻晶面电子束反射射线干涉加强条件,第三节 微观粒子的波粒二象性,30,谢谢观赏,2019-6-23,.镍,2,G.P.,汤姆孙电子衍射实验,(,1927,年,),当 时，与实验结果相近,.,电子束透过多晶铝箔的衍射,K,双缝衍射图,第三节 微观粒子的波粒二象性,31,谢谢观赏,2019-6-23,2 G.P.汤姆孙电子衍射实验 (1927年,解,在热平衡状态时,按照能均分定理慢中子的平均平动动能可表示为,例,3,试计算,温度为 时慢中子的德布罗意波长,.,平均平动动能,慢中子的德布罗意波长,三 应用举例,1932,年德国人鲁斯卡成功研制了电子显微镜,;,1981,年德国人宾尼希和瑞士人罗雷尔制成了扫瞄隧道显微镜,.,第三节 微观粒子的波粒二象性,32,谢谢观赏,2019-6-23,解 在热平衡状态时,