学到量子力学过渡时期的三个重.ppt

量 子 力 学基 础, 从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出,第十八章 量子力学基础,18-1 从经典物理到现代物理概述, 提纲, 物理学的分支及近年来发展的总趋势,18-2 热辐射 普朗克能量子假说, 热辐射,斯忒藩Stefan)-玻耳兹曼定律,维恩位移定律, 绝对黑体的热辐射规律, 经典物理遇到的困难, 普朗克能量子假说,18-3 光电效应 康普顿效应, 光电效应的实验规律及经典理论的困难, 爱因斯坦的光子学说,光子的能量、动量和质量,作业:18-3,18-7,18-14,18-1 从经典物理到现代物理概述, 物理学的分支及近年来发展的总趋势,近年来的发展：,* 粒子物理 高能加速器产生新粒子，已发现300种。 麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。,* 天体物理 运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球 进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应 用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。,* 太阳中微子短缺问题,* 引力波存在的问题,* 物体的速度能否超过光速的问题,* 生物物理有机体遗传程序的研究,* 有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计 物理、X射线、电子能谱 和核磁共振技术等）。,* 非平衡热力学及统计物理,物理学发展的总趋向：,* 学科之间的大综合。,* 相互渗透结合成边缘学科。,生物物理、生物化学、物理化学、量子化学 量子电子学、量子统计力学、固体量子论。,二十世纪物理学中两个重要的概念：场和对称性, 从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出, 光电效应 康普顿效应。, 黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难”。, 原子的稳定性和大小。,18-2 热辐射 普朗克能量子假说,实验表明：一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量。,辐射的能量与温度有关，称之为热辐射。,辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡。此时温度恒定不变。,单色辐出度,单位时间、单位表面积、 上所辐射出的，单位波长 间隔中的能量。,辐射出射度,单位时间、单位表面积、 上所辐射出的各种波长 电磁波的能量。,吸收比,反射比, 绝对黑体的热辐射规律,对于任意温度、或波长，绝对黑体的吸收比都恒为1,用不透明材料制成一空心容器， 壁上开一小孔，可看成绝对黑体,对于非透明物体,基尔霍夫定律：,这一普适函数就是绝对黑体的单色辐出度M0(,T),绝对黑体的辐射出射度,在热平衡下，任何物体的单色辐出度 与吸收比之比，是个普适函数。, 斯忒藩(Stefan)-玻耳兹曼定律,维恩位移定律,实验发现：当绝对黑体的 温度升高时，单色辐出度 最大值m 向短波方向移动。, 经典物理遇到的困难, 瑞利和琼斯用 能量均分定理 电磁理论得出：,只适于长波，有所谓的 “紫外灾难”。, 维恩根据经典热力学得出：, 普朗克能量子假说,* 辐射物体中包含大量谐振子的能量是取特定的分立值,* 存在着能量的最小单元（能量子=h); h=6.62610-34焦耳。,* 振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量,从理论上推出：,分别是玻尔兹曼常数和光速。,普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题， 还解释了固体的比热问题等等。它成为现代理论的 重要组成部分。, 普朗克能量子假说,普朗克的理论结果,18-3 光电效应 康普顿效应, 光电效应的实验规律及经典理论的困难,饱和光电流强度与 入射光强度成正比。,或者说：单位时间内从 金属表面逸出的光电子 数目与入射光强成正比,相同频率，不同入射光强度,但实际不一定!,相同入射光强度，不同频率, 光电子的初动能与入射光强度 无关，而与入射光的频率有关。,截止电压的大小反映 光电子初动能的大小,截止电压与入射光频率有线性关系, 光电效应具有瞬时性，或说响应速度很快，10-9秒。,第三个实验事实：,* 经典认为光强越大，饱和电流应该大，光电子的 初动能也该大。但实验上饱和电流不仅与光强有 关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。,经典理论的困难：,* 只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流； 频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。 而经典认为有无光电效应不应与频率有关。,* 瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收 能量要时间，即需能量的积累过程。, 爱因斯坦的光子学说,爱因斯坦在能量子假说 的基础上提出光子理论：,认为光不仅在与物质相互 作用时（发射和吸收）， 具有粒子性，而且在传播 过程中也有粒子性。,一个频率为 的光子具有能量,它的能流密度： 不仅取决于单位 面积上的光子数 n ，还决定于频率。,由能量守恒可得出： 一个电子逸出金属表面后的最大动能：,只与金属性质有关 与光的频率无关。 A 称为逸出功。,由此，可解释饱和光电流强度 与光强成正比；可以解释截止 电压与频率成线性关系以及红 限频率的存在。,光子的能量、动量和质量,密立根1916年的实验，证实了光子论的正确性，并求得 h=6.5710-34 焦耳秒。光的波动性（p） 和粒子性（） 是通过普朗克常数联系在一起的。,相对论质能关系：,光子的质量：,所以，光子的静止质量为零。,因为：,光子的动量：,