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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,*,*,*,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,*,*,*,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,*,*,*,量子物理,研究对象改变引发危机,一系列重大试验发觉无法用经典物理理论来解释，,迫使,物理学家跳出传统经典物理理论框架，最终造成了量子物理诞生！,第1页,1 黑体辐射和普朗克能量子假说,一.基本概念,1.热辐射,比如：加热铁块,第一章 波粒二象性,辐射能量按频率分布随温度而变电磁辐射,温度,电磁波短波成份,2.光谱辐射出射度,M,单位:W/(m,2,Hz),单位时间内从物体单位表面发出,频率在,附近单位频率间隔内,电磁波能量。,开始发光暗红橙色兰白色,第2页,3.平衡热辐射,4.试验表明辐射能力越强物体，吸收能力也越强,二.黑体和黑体辐射基本规律,1.黑体,能,完全,吸收,各种波长电磁波,而无反射,物体，,M,最大且,只与温度相关而和材料,及表面状态无关,物体辐射能量等于在同一时间内所吸收能量，物体到达热平衡，称为,平衡热辐射,。,此时物体含有固定,温度,。,第3页,2.维恩设计黑体,3.维恩黑体辐射公式,4.瑞利金斯公式,维恩公式,瑞利金斯公式,高频符合试验结果,“,紫外灾难,”,第4页,5.普朗克公式,在,全波段,与试验结果惊人符合！,普朗克假定（1900年）：,h,=,6.626075510,-34,Js,普朗克常数,E,=nh,n,0,1,2,3，,谐振子以,能量子,发射或吸收能量,“,量子,”概念提出获1918年诺贝尔物理学奖,能量量子化,(不连续),!,第5页,6.由普朗克公式可导出两条试验定律,斯特藩玻尔兹曼定律,维恩位移定律,=,5.67,10,-8,W/m,2,K,4,M,黑体全部辐射出射度,黑体辐射中，光谱辐射出射度最大光频率随温度改变,6000K,4500K,3000K,测量高温、遥感和红外追踪等物理基础,。,第6页,红外辐射热象图,红外夜视仪拍照片,炼钢热辐射,第7页,室温下，反射光,1100K，本身辐射光,一个黑白花盘子两张照片,第8页,2 光电效应,一.光电效应试验,1光电效应,光电子,2试验装置,光金属发射电子：,光电流,K,A,GD,光,G,V,第9页,3.试验规律,4.0,6.0,8.0,10.0,(10,14,Hz),0.0,1.0,2.0,U,c,(,V,),Cs,Na,Ca,2）,U,c,=K,-U,0,与入射光,频率相关,1）,i,i,m2,i,m1,I,2,I,1,(光强,I,2,I,1,),o,U,-,U,c,饱和光电流强度,i,m,入射光强,与入射光强度无关,第10页,3）,只有当入射光频率 v大于一定频率v,0,时，才会产生光电效应,0,称为,截止频率,或,红限频率,4）光电效应是瞬时发生,只要入射光频率,0,，不论光多微弱，,从光照射阴极到光电子逸出，驰豫时间,不超出,10,-9,s。,第11页,二.经典物理学所碰到困难,按照光经典电磁理论：,光波能量分布在波面上，阴极电子积,光波强度与频率无关，电子吸收能,量也与频率无关，更不存在,截止频率！,累能量需要一段时间，光电效应,不可能瞬时发生！,第12页,光量子含有,“整体性”,电磁辐射由以光速c 运动局限于空间 某一小范围光量子,（光子）,组成,，,E,=h,1.爱因斯坦光量子假设(1905),2.对光电效应解释,逸出功,A,电子逸出金属表面克服阻力所需功,三.爱因斯坦光量子论,第13页,当,A/h时，不发生光电效应。,红限频率,光电效应方程,四.光波粒二象性,1.近代认为光含有波粒二象性,在有些情况下，光突出显示出波动性；,而在另一些情况下，则突出显示出粒子性。,光电效应瞬时性,第14页,第15页,2.基本关系式,粒子性：,能量,E,，,动量,P，,质量,m,波动性：,波长,，,频率,光子,描述光性质基本关系式,第16页,例图中所表示为在一次光电效应试验中得出曲线,（1）由图中数据求出普朗克恒量 。,（2）该金属光电效应红限频率。,第17页,光电管阴极用逸出功A=2.2 eV金属制成，今用一单色光照射此光电管，阴极发射出光电子，测得截止电压为5 V，求：,（1）光电管阴极金属光电效应红限波长？,（2）入射光波长？（普朗克恒量 ）,基本电荷,第18页,3.康普顿散射,1.康普顿研究X射线在石墨上散射,准直系统,入射光,0,散射光,探测器,石墨,散射体,散射X射线中有波长变大现象,2.康普顿解释,X,射线光子与“静止”“自由电子”弹性碰撞,碰撞过程中能量与动量守恒,反冲电子,第19页,波长偏移,电子康普顿波长,3.康普顿散射试验意义,过程讨论,：,光子将一部分能量传给电子，变小，增加,一部分光子波长不变，称为瑞利散射,证实了光波粒二象性,光子与粒子作用过程严格恪守动量、能量守恒,X射线康普顿效应显著,第20页,例:波长,0,0.01nmX射线与静止自由电子碰撞。在与入射方向成90角方向上观察时，散射X射线波长多大？反冲电子动能和动量各怎样？,1.,2.,3.,反冲电子取得最大动能？,第21页,光子能量为0.5MeVX射线，入射到某种物质上而发生康普顿散射，若反冲电子动能为0.1MeV，则散射光波长改变量与入射光波长之比为？,P,174,选择题1,第22页,光波粒二象性,光子,光波,能量,E,动量,P,频率,n,波长,l,E=h,n,P,=,h,/l,4 粒子波动性,一.德布罗意假设,实物粒子含有波动性,光(波)含有粒子性,粒子,粒子波,能量,Emc,2,动量,P=mv,频率,n,mc,2,/h,波长,l=,h,/,P=h/mv,与粒子相联络波称为,物质波,或,德布罗意波,德布罗意公式,l,：德布罗意波长,量子力学基础就是波粒二象性思想,第23页,二试验验证,电子经过镍单晶衍射试验,1.1927年，戴维逊和革末试验,d,q,德布罗意波长,l,1.6710,10,m,与试验结果相符,第24页,电子经过多晶薄膜衍射试验,电子单缝、双缝、三缝和四缝衍射试验,2.1927年G.P汤姆逊试验,3.1961年约恩逊,多晶薄膜,电子束,1937年,戴维逊革末,和,G.P汤姆逊,取得,诺贝尔奖,1929年德布罗意因其博士论文取得诺贝尔物理学奖,第25页,4.中子、质子等微观粒子也含有波粒二象 性，,德布罗意公式,也适用。,例:计算电子经过U,1,=100V和U,2,=10000V电压加速后德布罗意波长,1,和,2,各是多少？,解：,电子动能为,第26页,假如电子运动速度与光速能够比拟，则当电子动能等于它静止能量2倍时，其德布罗意波长为多少？,(普朗克常量,h,=6.6310,-34,Js，电子静止质量,m,e,=9.1110-31 kg),第27页,练习1.求动能为1.0010,5,ev,电子,德布罗意波长。（,m,e,=9.11,10,-31,Kg,）,练习2.中子,德布罗意波长为1A，求其速度和动能。（,m,中子,=1.675,10,-27,Kg,）,例1.5 m=0.01kg，v=300m/s子弹？,h,极其微小，,宏观物体波长小得试验难以测量,“宏观物体只表现出粒子性”,第28页,一.关于粒子波粒二象性,德布罗意波本质是什么？,6 概率波与概率幅,1.在经典物理中,粒子,：,“颗粒性”集中于一点（整体性），确定位置、速度、运动轨迹。,波,：,某种实在物理量空间分布在作周期性改变,(连续性，扩展于空间),统一起来？,第29页,2.“,波是由粒子组成,”,认为波是大量粒子组成；,波动性是大量粒子相互作用而形成，,但这和单个粒子就含有波动性相矛盾。,一、历史上两种经典看法,把微观粒子看作是经典粒子和经典波混合体。,1.“,粒子是由波组成,”,把粒子看作是由很多波组成波包，,但波包在媒质中要扩散、消失(和粒子性矛盾)。,第30页,物质波：,描述粒子在各处被发觉概率,二、概率波,1.概率波,对光辐射(电磁波)，爱因斯坦1917年,波动观点：光强,E,2,粒子观点：光强,某处光子数,E,2,某处发觉一个光子,概率,玻恩1926年提出,德布罗意波是,概率波,第31页,对机械波有,物质波波函数：,2.波函数,量子力学中引入波函数,定义：,时刻t，在点（x,y,z)附近单位体积内发觉粒子概率,概率密度,概率幅,波函数称为概率幅,物质波,强度,也应与波函数中振幅平方成正比,粒子抵达该处概率,第32页,3.电子双缝衍射现象,1,2,单个电子去向是,概率性,，但在一定条件下 （如双缝），又有确定规律.,微观粒子对应,物质波不是经典波是,概率波,明纹处：,电子抵达数量多（对大量粒子）,粒子抵达该处,概率大,物质波本质：,描述粒子在空间出现概率,第33页,70000个,起源于“,一个电子,”所含有波动性，而不是电子间相互作用结果。,若使一个电子重复屡次经过缝，会出现相同衍射图样。,第34页,子弹对双缝乱射，观察屏上枪眼强度分布。,两缝都打开时强度分布是两缝分别打,开时强度直接相加,n,12,=n,1,+n,2,无干涉现象,。,机枪双缝试验,1,2,电子双缝衍射现象,微观粒子不是经典粒子！,第35页,4.概率幅叠加,1 缝单独开：,2 缝单独开：,应为,概率幅叠加,交叉项即为干涉项,1、2 都开：,物质波,干涉，是因为概率幅,线性叠加,产生。,微观粒子物质波是一个几率波，这种几率好像一只无形手控制着电子出现在空间某一位置几率。,第36页,5.波函数统计诠释包括对世界本质认识争论至今未息,哥本哈根学派：,爱因斯坦,狄拉克,概率波哲学意义,：,在已知给定条件下，不可能准确地预知结果，只能预言一些可能结果概率。,即没有严格因果关系！,波恩、海森堡,粒子波概率性就是自然界最终本质,德布罗意,“上帝是不会跟宇宙玩掷骰子游戏”,最终解释应该是一些变量完全确定数值演变结果,第37页,7 不确定性关系,经典力学,中：位置、动量能够同时准确确定,量子概念,下：因为概率性，粒子不再含有确定位置,x,Z,q,a,位置不确定,xa,动量不确定,p,x,psin,q,由,=h/p,得,x,p,x,h,从而也就不含有确定动量,电子单缝衍射中位置与动量：,缝宽a越小，中央明纹分布越宽,x,sin,x,越小，,p,x,越大,x,越大，,p,x,越小,第38页,2.位置和动量不确定关系：,1927年海森堡提出不确定关系,1932年获诺贝尔奖,假如测量一个粒子位置不确定范围是,x，,则同时测量其动量也有一个不确定范围,p,x,，且满足,:,不确定性关系是物体固有性质，自然界根本属性,3.能量和时间不确定关系：,基态能级最稳定，时间长，测得E准，对应能级窄；激发态时间短，易跃迁，能级宽。,不能同时准确测量粒子位置和动量,第39页,例1.8,原子线度为10,10,m，求原子中电子速度 不确定量。,例1.7,设子弹质量为0.01kg，枪口直径为0.5cm，试用不确定性关系计算子弹射出枪口时横向速度。,第40页,练习：同时测量,动能,为1Kev做一维运动电子位置与动量时，若位置不确定值在0.1nm内，则动量不确定值百分比,p/p最少为何值？,（m,e,=9.1110,-31,Kg 1ev=1.6 10,-19,J h=6.63 10,-34,Js）,第41页,典例3：,光子波长为,3000,假如确定此波长准确度为,/=10,-5,，试求此光子位置不确定量。,第42页,典例3：,已知电子德布罗意波长与光子波长相同。,（1）它们动量大小是否相同？,（2）它们总能量是否相同？,（1）,（2）,而相同，故,p,相同。,电子动能大,第43页,已知粒子在一维矩形无限深势阱中运动，其波函数为：,那么，粒子在 处出现概率密度为多少?,已知粒子在一条直线上做一维运动，其波函数为 (0 xa)，,求（1）粒子在 0a/4区间内概率；,（2）发觉粒子概率为最大位置,第44页,（2）依据能量守恒，有,典例2,用波长为1 光子做康普顿散射试验。,（1）散射角等于90,0,时康普顿散射波长是多少？,（2）分配给这个反冲电子动能多大？,（普朗克恒量 ，电子静止质量 ）,所以：,第45页,
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