文科物理现代物理学量子世界.pptx

1第三章第三章 现代物理学现代物理学2第三章第三章 现代物理学现代物理学 第二节第二节 量子世界量子世界n一、一、探索物质结构探索物质结构n二、原子的行星模型二、原子的行星模型n三、原子的阶梯能量三、原子的阶梯能量n四、微观物质的神奇性质（波粒二象性）四、微观物质的神奇性质（波粒二象性）3一、探索物质结构一、探索物质结构 公孙龙公孙龙 “一尺之锤，日取其半，一尺之锤，日取其半，万世不竭万世不竭”物质可以无限的划分物质可以无限的划分 图3.2.1 一尺之锤道尔顿（道尔顿（J.DaltonJ.Dalton）倍比定律倍比定律 实验结论实验结论原子论原子论 ：原子组成了：原子组成了物质世界的最小单位物质世界的最小单位 4汤姆森，汤姆森，J.J.Thomson，1856-1940，英国物理学，英国物理学家。家。1906年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖得主。得主。n1897年，英国物理年，英国物理学家汤姆森学家汤姆森(Josph John Thomson)从实从实验确认了带负电的电验确认了带负电的电子的存在，测出了电子的存在，测出了电子的荷质比子的荷质比e/me。并。并因此被授予因此被授予1906年年诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。5图图3.2.2 发现电子的实验示意图发现电子的实验示意图电子轨迹电子轨迹n由于电子的发现，汤由于电子的发现，汤姆姆森森被人们誉为：被人们誉为：“一位最先打开通一位最先打开通往往基基本粒子物理学大门的本粒子物理学大门的伟人。伟人。”6 现在的公认值为：现在的公认值为：根根据据电电子子的的电电量量及及荷荷质质比比e/me，可可定定出电子的质量为：出电子的质量为：密密 立立 根根(R.A.Millikan)，1868-1953，美美国国物物理理学学家家。1923年年诺诺贝贝尔尔物理奖得主。物理奖得主。n19101910年，年，美国物理学美国物理学家家密立根通过著名的密立根通过著名的“油滴实验油滴实验”精确地精确地测定了电子的电量。测定了电子的电量。后来又经过几年反复后来又经过几年反复测定，得出：测定，得出：7 图图3.2.3 汤姆森模型汤姆森模型二、原子的行星模型二、原子的行星模型n汤姆汤姆森森的的“西瓜模型西瓜模型”：原子中的正电荷：原子中的正电荷均匀分布在整个原子均匀分布在整个原子球体内，而电子则嵌球体内，而电子则嵌在其中。电子分布在在其中。电子分布在一个个环上。一个个环上。8粒子散射实验粒子散射实验装置侧视图装置侧视图粒子源粒子源散射箔散射箔闪烁屏闪烁屏显微镜显微镜散射角散射角图图3.2.4粒子散射实验装置俯视图粒子散射实验装置俯视图1、盖革、盖革-马斯顿的马斯顿的粒子散射实验粒子散射实验9卢瑟福，卢瑟福，E.Rutherford，1871-1937，英国科学家。，英国科学家。1908年年诺贝尔化学奖得主。诺贝尔化学奖得主。卢瑟福一生至少培养了卢瑟福一生至少培养了10位诺贝尔奖得主位诺贝尔奖得主 尼尔斯尼尔斯玻尔，玻尔，1922年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖保罗保罗狄拉克，狄拉克，1933年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖詹姆斯詹姆斯查德威克查德威克,1935年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖布莱克特布莱克特,1948年的诺贝尔物理奖年的诺贝尔物理奖 沃尔顿和考克劳夫特沃尔顿和考克劳夫特,1951诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖索迪，索迪，1921年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖赫维西，赫维西，1943年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖哈恩，哈恩，1944年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖鲍威尔，鲍威尔，1950年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖贝特，贝特，1967年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖卡皮查，卡皮查，1978年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖诺贝尔奖得主的幼儿园诺贝尔奖得主的幼儿园 10原子核原子核电子电子图图3.2.5 卢瑟福原子结构模型卢瑟福原子结构模型原子尺度原子尺度10-10m 10-14m 行星模型行星模型 2 2、卢瑟福提出的原子核式结构模型、卢瑟福提出的原子核式结构模型n原子是由原子核原子是由原子核与与核外电子核外电子构成的，原子核位于原子构成的，原子核位于原子的中心，它的半径小于的中心，它的半径小于10-14米，带着电荷为米，带着电荷为Ze的正电的正电（其中（其中Z为核电荷数）；原为核电荷数）；原子的半径为子的半径为10-10米，米，Z个电个电子每一个都像行星一样，子每一个都像行星一样，位于以核为中心，以位于以核为中心，以10-10米米为半径的球面或球内，绕为半径的球面或球内，绕核旋转来保持平衡。核旋转来保持平衡。11FrR图图3.2.6 粒子在两种模型中的受力比较粒子在两种模型中的受力比较FRrF1/r2F1/r2Fr粒子粒子粒子粒子 粒子在两种模型中的受力情况比较粒子在两种模型中的受力情况比较12卢瑟福手迹卢瑟福手迹13绝对黑体模型：绝对黑体模型：从外面观察打开的窗户是从外面观察打开的窗户是黑色的，阳光进入房间后经黑色的，阳光进入房间后经多次反射全被吸收，这是一多次反射全被吸收，这是一个近似的个近似的绝对黑体模型。绝对黑体模型。三、原子的阶梯能量三、原子的阶梯能量1、普朗克提出的能量量子化对黑体辐射的解释、普朗克提出的能量量子化对黑体辐射的解释14E=nh（n=1,2,3,）普普 朗朗 克克，Max Karl Ernst Ludwig Planck,18581947，德德国国物物理理学学家家，量量子子物物理理学学的的开开创创者者和和奠奠基基人人。获获19181918年年Nobel Nobel PrizePrize。15VA光真空管电子图图3.2.8 光电效应实验图光电效应实验图光量子光量子E=hE=h普朗克常量普朗克常量h=6.62610-26JsA.Einstein，1879 1955，德国人德国人2、爱因斯坦提出的光量子对光电效应的解释、爱因斯坦提出的光量子对光电效应的解释16图图3.2.9 太阳光谱图太阳光谱图光谱仪光谱仪 光源光源棱镜棱镜红光红光蓝光蓝光图图3.2.10 光谱仪结构示意图光谱仪结构示意图紫外区红外区HHHHH=364.6410.1 434.0 486.1656.2 nm图图3.2.11 氢原子光谱氢原子光谱3 3、瑞士学者巴耳末根据经验得到的氢原子光谱公式、瑞士学者巴耳末根据经验得到的氢原子光谱公式17玻尔，玻尔，Niels Bohr，1885-1962，丹麦物理，丹麦物理学家。学家。1922年诺贝尔年诺贝尔物理学奖得主。物理学奖得主。4、玻尔提出的定态轨道模型、玻尔提出的定态轨道模型n玻尔通过引入量子化条件，提玻尔通过引入量子化条件，提出了玻尔模型来解释氢原子光出了玻尔模型来解释氢原子光谱，提出互补原理和哥本哈根谱，提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学，对二十诠释来解释量子力学，对二十世纪物理学的发展有深远的影世纪物理学的发展有深远的影响。玻尔为丹麦物理学家，哥响。玻尔为丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人。本哈根学派的创始人。18定态轨道定态轨道 图图3.2.12 3.2.12 玻尔模型的定态轨道和能级玻尔模型的定态轨道和能级E1E2E3E1E2E319角动量量子化角动量量子化 L=nh/(2)（n=1，2，）跃迁频率跃迁频率 h=E2-E1 图图3.2.13 电子跃迁产生线状光谱电子跃迁产生线状光谱E1 E2E320泡利，泡利，W.Pauli,1900-1958，奥地利，奥地利维也纳物理学家。维也纳物理学家。1945年年Nobel物理学物理学奖得主。奖得主。5、泡利不相容原理、泡利不相容原理-电子的量子数电子的量子数n泡利（泡利（W.Pauli）不相容）不相容原理：在原子中，一个电原理：在原子中，一个电子的状态由四个量子数子的状态由四个量子数（n，l，m，s）决定，不）决定，不可能有两个或两个以上的可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个电子具有完全相同的四个量子数。量子数。21n=1n=2n=3图图3.2.14 3.2.14 电子在不同能级的分布情况电子在不同能级的分布情况电子能级电子能级22爱因斯坦爱因斯坦 E=hp=h/图图3.2.15 光的波粒二象性光的波粒二象性粒粒子子性性波波动动性性1905年1917年？光 四、微观物质的神奇性质（波粒二象性）四、微观物质的神奇性质（波粒二象性）1、光的波粒二象性、光的波粒二象性23康普顿，康普顿，A.H.Compton，1892-1962，美国物理学家。，美国物理学家。1927年诺贝尔物理学奖获年诺贝尔物理学奖获得者。得者。n康普顿从康普顿从1920年开始从事年开始从事X射线经石墨或金属等物射线经石墨或金属等物质散射光谱的研究，用光质散射光谱的研究，用光子和电子的相互碰撞解释子和电子的相互碰撞解释了了X射线散射中波长变长射线散射中波长变长的实验结果，有力地证实的实验结果，有力地证实了爱因斯坦的光量子假说。了爱因斯坦的光量子假说。24X射线源射线源铅准直器铅准直器石墨散射体石墨散射体 晶体晶体探测器探测器图图3.2.16 康普顿散射实验示意图康普顿散射实验示意图康普顿散射实验：表明了光的波粒二象性康普顿散射实验：表明了光的波粒二象性25=h/p 德德布布罗罗意意，Louis Louis Victor Victor de de BroglieBroglie，1892198718921987，法法国国著著名名理理论论物物理理学学家家。19291929年年诺诺贝贝尔尔物物理理学奖获得者。学奖获得者。1924.11.291924.11.29德德布布罗罗意意把把题题为为“量量子子理理论论的的研研究究”的的博博士士论论文文提提交交巴巴黎黎大大学学，获获得得评评委委会会的的高高度度评评价价和和爱爱因因斯斯坦坦的的称称赞赞：“揭开了自然界巨大帷幕的一角揭开了自然界巨大帷幕的一角”。2、德布罗意提出的物质波、德布罗意提出的物质波n“所有的物体都具有波动性所有的物体都具有波动性”=E/h 26 （a）单晶衍射谱）单晶衍射谱 （b）多晶衍射谱）多晶衍射谱图图3.2.17 电子晶体衍射图样电子晶体衍射图样戴维森（戴维森（1881年年-1958年），美国物年），美国物理学家。理学家。戴维森因戴维森因验证电子的波动性验证电子的波动性荣获了荣获了1937年的物年的物理学诺贝尔奖金理学诺贝尔奖金.电子晶体衍射实验电子晶体衍射实验G.P.汤姆森（汤姆森（18921975）英国物理英国物理学家，物理学家学家，物理学家J.J.汤姆森的独生子。汤姆森的独生子。G.P.汤姆孙的主要贡献是从电子束射过汤姆孙的主要贡献是从电子束射过薄金箔所产生的衍射图的实验中求得的薄金箔所产生的衍射图的实验中求得的衍射波长，正好与衍射波长，正好与L.V.德布罗意所预言德布罗意所预言的电子波的波长相符，因而证实了电子的电子波的波长相符，因而证实了电子的波动性的波动性。几乎同时，。几乎同时，C.J.戴维森也由戴维森也由电子束经晶体表面的漫反射的衍射实验电子束经晶体表面的漫反射的衍射实验而得到同样的结论，为此两人共获而得到同样的结论，为此两人共获1937年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。27xpxh/4和和tEh/4 海森伯，海森伯，Werner Karl Heisenberg，1901-1976，德国物理学家。，德国物理学家。1932年诺贝尔物理学年诺贝尔物理学奖获得者。奖获得者。3、海森伯于、海森伯于1925你建立了矩阵力学，你建立了矩阵力学，1927年提出不确定关系。年提出不确定关系。n 粒子在客观上不能同时具有确粒子在客观上不能同时具有确定的坐标位置和相应的动量定的坐标位置和相应的动量n由于一个微观粒子停留在一个由于一个微观粒子停留在一个能级上的时间有限，因此具有能级上的时间有限，因此具有能级弥散能级弥散 28dxypxysin图图3.2.18 电子单缝衍射实验电子单缝衍射实验电子束屏屏幕幕电子的单缝衍射实验电子的单缝衍射实验29薛定谔，薛定谔，Erwin Schrdinger,18871961,奥地利理论物理奥地利理论物理学家学家。1933年诺贝尔年诺贝尔物理学奖获得者。物理学奖获得者。4、薛定谔的波动方程、薛定谔的波动方程薛定谔于薛定谔于1926年创造波动力学：年创造波动力学：定态定态薛定谔方程薛定谔方程 薛定谔由上述方程算出氢原子的薛定谔由上述方程算出氢原子的能级分布。能级分布。其中其中 叫做波函数。叫做波函数。30 玻恩，玻恩，M.Born，18821970，德国理论物理学，德国理论物理学家。家。1954年年Nobel物理学物理学奖获得者。奖获得者。5、玻恩对波函数的统计解释、玻恩对波函数的统计解释n 描述微观粒子运动状态的描述微观粒子运动状态的是是波函数波函数。n1927年，玻恩把年，玻恩把 2解解释为在给定的释为在给定的 t 时刻，在时刻，在空间某处的单位体积中找空间某处的单位体积中找到一个粒子的概率，即概到一个粒子的概率，即概率密度。率密度。玻恩和约尔丹之前还发展了玻恩和约尔丹之前还发展了海森伯的矩阵力学。海森伯的矩阵力学。31光的双缝干涉实验光的双缝干涉实验 32图图3.2.19 双缝干涉实验双缝干涉实验机枪机枪电子枪电子枪子弹子弹电子电子双缝双缝双缝双缝屏幕屏幕屏幕屏幕分别用机枪和电子枪扫射双缝分别用机枪和电子枪扫射双缝33电子双缝干涉实验图样电子双缝干涉实验图样 世界十大最美丽的实验之榜首世界十大最美丽的实验之榜首 34电电子子双双缝缝干干涉涉实实验验 35n=2(a)l=0，m=0(b)l=1，m=0(c)l=1，m=1图图3.2.20 3.2.20 氢原子的电子云图氢原子的电子云图zzzxyn=1，l=0，m=0zn=1，2，；l=0，1，n-1；m=0，1，l。根据薛定谔方程得出的根据薛定谔方程得出的氢原子的电子云图氢原子的电子云图 6 6、电子云和隧道效应、电子云和隧道效应36Vxx1x2能量能量E图图3.2.21 3.2.21 隧道效应隧道效应薛定谔方程预言的薛定谔方程预言的隧道效应隧道效应n即使电子的能量即使电子的能量E小于势垒的小于势垒的高度高度V，电子也有一定，电子也有一定的概率跑出势垒的概率跑出势垒。37n从从经典经典的观点看，电子的能量的观点看，电子的能量E如果小于势垒的如果小于势垒的高度高度V，就像被困在井里的狮子，无法逃脱出井，就像被困在井里的狮子，无法逃脱出井的束缚。的束缚。EV38n从从量子量子的观点看，即使电子的能量小于势垒的能的观点看，即使电子的能量小于势垒的能量，它也可以穿透势垒，就好像狮子可以逃脱出量，它也可以穿透势垒，就好像狮子可以逃脱出井的束缚。井的束缚。VE39应用应用n扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 nscanning tunneling microscopen简称简称STM 401927年第五届索尔维会议：年第五届索尔维会议：一张汇聚了物理学界智慧之脑的一张汇聚了物理学界智慧之脑的“明星照明星照”则则成了这次会议的见证，数十个涵盖了众多分支的物理学家都留下了他们的成了这次会议的见证，数十个涵盖了众多分支的物理学家都留下了他们的身影，爱因斯坦、玻尔更是照片的灵魂人物，被称为是物理学的身影，爱因斯坦、玻尔更是照片的灵魂人物，被称为是物理学的“全明星全明星”合影！虽然已经过去将近一百年，但是至今没有第二张照片能出其右。合影！虽然已经过去将近一百年，但是至今没有第二张照片能出其右。