量子论的诞生PPT文档.ppt

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,*,*,得到普朗克经验公式：,4,0,1,2,3,5,6,7,8,9,1900.12.14.-量子论诞生日。,1900.10,普朗克用内插法把,维恩公式,和,瑞利金斯公式,衔接起来,并假设：,13.2,量子论的诞生,13.2.1,普朗克的能量子理论,1.,能量子假设,1,普朗克认为：,空腔内壁的分子、原子的振动可以看成是许多带电的简谐振子，这些简谐振子可以辐射和吸收能量，并与空腔内的辐射达到平衡。从空腔小孔辐射出的电磁波，就是由这些空腔内壁的简谐振子辐射出的。,普朗克大胆地假设：,频率为,的简谐振子的能量值，只能取,h,的整数倍。即，简谐振子的能量是量子化的。,h,称为,普朗克常数,。,普朗克当时根据黑体辐射实验得出,h=,6.358,10,-34,Js,现在计算用值：,h=,6.63,10,-34,Js,在全波段与实验曲线惊人地符合！,一定蕴藏着非常重要但尚未被人们揭示出的科学原理。,2,h,称为能量子,(quantum of energy),，空腔内的辐射就是由各种频率的能量子组成。上述假设称为普朗克能量子假设。,2.,由普朗克公式可导出其他所有热辐射公式：,维恩公式,瑞利,金斯公式,斯忒藩,-,玻耳兹曼定律,维恩位移定律,3,“在科学史上很难找到其它发现能象普朗克的,产生,如此非凡的结果。,基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里,这个发现将人类的观念,不仅是有关经典科学的观念，而且是有关通,常思维方式的观念的基础砸得粉碎，”,玻尔对普朗克量子论的评价：,能量子的假设对于经典物理来说是离经叛道的，就连普朗克本人当时都觉得难以置信。为回到经典的理论体系，在一段时间内他总想用能量的连续性来解决黑体辐射问题，但都没有成功。,4,在,1918,年,4,月普朗克六十岁生日庆祝会上，爱因斯坦说：,在科学的殿堂里有各种各样的人：有人爱科学是为了满足智力上的快感；有的人是为了纯粹功利的目的。而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那些普遍的基本规律，这是他无穷的毅力和耐心的源泉。,他成了一个以伟大的创造性观念造福于世界的人。,普朗克,获得1918年诺贝尔物理学奖。,爱因斯坦评价：,“这一发现成为,20,世纪整个物理研究的基础，从那时起，几乎完全决定了物理学的发展。”,5,为什么在宏观世界中,观察不到能量分离的现象?,例：设想一质量为,m,=1g,的小小珠子悬挂在 一个小小的轻 弹簧下面作振幅,A,=1mm,的谐振动。弹簧的小小劲度系数为,k,=0.1N/m。,量子论,是不附属于经典物理的，,是全新的理论，适用范围更广。,能量子,按量子理论计算,，此弹簧振子的能级间隔多大？,改变一个能级时,振动能量的相对变化是多少？,能量,经典,能量子,3.,量子假说的含义及其与宏观现象的关系,6,能级间隔,振子能量,相对能量变化,这样小的相对能量变化在现在的技术条件下还不可能测量出来。现在能达到的最高的,能量分辨率,为：,所以宏观的能量变化看起来,都是连续的。（关键：,h,太小）,【解】,弹簧振子的频率,7,光的发射、传播、吸收都是量子化的，一束光就是以速率,c,运动的一束光子流。,光子能量,（不是,nh,）,发展了普朗克开创的量子论：,光不仅在发射和吸收时以能量为,h,的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，,频率为,的,光是由大量能量为,E=h,光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速,c,运动。,1.,光子,13.2.2,爱因斯坦的,光电效应方程,为了解释光电效应，,爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论。,（,1905,年）。,光强,（,N,是单位时间通过单位面积的光子,）,8,在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功,A,，,另一部分变为光电子的初动能,E,k,。,由能量守恒可得出：,A,为电子逸出金属表面所需做功的最小值，称为逸出功。,2.,光子理论对光电效应的解释,饱和光电流正比于光强的解释,光强正比于单位时间流过单位面积 的光子数。光强越大，光子数越多。,金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光强越大，光电子越多，光电流越大。,9,不同金属具有不同的红限频率。,与实验得到的,红限频率,完全一致。,对比实验规律,得出,初动能及反向遏止电压与,成正比，而与光强无关。,的解释,截止频率,0,（红限）的解释,10,电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。,爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。,密立根,整整化了10年时间，克服了重重困难，利用巧妙而复杂的装置，于1915年完成了光电效应的高精度实验。,密立根,-密立根在实验中精确地测量得斜率,K，,计算得普朗克常数,h=,6.57,10,-34,Js,光电效应瞬时性的解释,11,这对,爱因斯坦,光子,假设也是极大的支持。,两个不同的理论与实验得出如此接近的结果，这在量子论发展初期具有极为重大的意义。,密立根-1923年诺贝尔物理学奖,密立根,还通过著名的,油滴实验,研究基本电荷，证明电荷有最小单位。,爱因斯坦-1921年获诺贝尔物理奖,光子的能量：,光子的质量：,光子的动量：,=,h,普朗克根据黑体辐射实验求得,h=,6.358,10,-34,Js,光子,12,例题,：以波长,=410nm,的紫光入射某种金属时，,产生的光电子最大动能,E,k,=1.0eV,。求能使该金属产生光电效应的入射光的最大波长。,解：,光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！,但是光量子理论在当时并未被物理学界接受，,普朗克在推荐爱因斯坦为柏林科学院院士时说,“光量子假设可能是走得太远了。”,13,解：,例题,：钾的截止频率,0,=4.62,10,14,Hz,，,以波长,=435.8,nm,的光照射，求钾放出光电子的初速度。,14,解：,能量,动量,质量,例题：,求波长为,20,nm,紫外线光子的能量、动量及质量。,15,X,射线的光子与静止的自由电子之间是,弹性碰撞,，,并假设在碰撞过程中,能量守恒,动量守恒。,1.,定性分析（为什么出现变长的波长）？,光子把部分能量传给了电子，光子能量,减小,频率变小,因而波长就变长。,X,射线光子与“静止”的“自由电子”发生碰撞。,石墨中的外层电子在原子中结合较弱，,束缚能,eV,在室温下的热运动能量,kT,10,-2,eV，,所以,可认为,这些电子是,静止的自由电子,。,X,光的光子能量很大，,波长1,的,X,射线,13.2.3,康普顿效应,16,动量守恒,反冲电子,碰撞过程能量守恒,2.,定量计算：,17,波长最大改变量：2,c,=4.8,10,-3,nm,可见，康普顿效应中，发生波长改变的原因是：当一个光子与散射物质中的一个自由电子碰撞后，电子获得一部分能量，,散射的光子能量减小，频率减小，波长变长。（二步过程，先吸后放或先放后吸,）,联立以上三式，且,c/,，,可以解得：,实验测得电子的,Compton,波长,c,=0.0241,和实验结果符合得相当好！,光量子假设圆满的解释了,康普顿,效应的实验规律！,18,2）,为什么在散射线中还观察到有与,原波长,的射线？,3）,为什么用,可见光,做散射实验，观察不到,波长的偏移现象？,光子与石墨中和原子核束缚很紧的内层电子,的碰撞，应看做是光子和,整个原子,的碰撞。,（,最大为,0048,；,是可见光,波长,的,10,-5,）,1）,为什么,与,散射物,的种类无关？,散射物中的电子都看成,自由电子了。,弹性碰撞中，入射光子几乎不损失能量，,即 散射光子波长不变。,讨论：,19,4）,为什么,康普顿效应,中的自由电子,不能像光电效应 那样吸收光子,而是散射光子？,若静止的自由电子吸收光子，,不可能！,自由电子,不可能吸收光子，（不能同时满足能量守恒和动量守恒），,只能散射光子。,20,5）,为什么在,光电效应,中只考虑,“光子电子系统”的,能量守恒，不考虑动量守恒？,在光电效应中，入射的是可见光和紫外线，,与,X,射线相比，光子能量较低，电子与,整个原子的联系不能忽略，电子不能视为自由的。,在光电效应中，原子也要参与动量交换，,“光子电子系统”动量不守恒。,思考：处理方法上还有什么不同？,21,（1）有力地支持了爱因斯坦,“光量子”,假设；,（2）首次在实验上证实了,“光子具有动量”,的假设；,（3）证实了,在微观世界的单个碰撞事件中，,动量和能量守恒定律仍然是成立的。,康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的,几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于,“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只,考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。,康普顿于,1927,年获诺贝尔物理奖。,3.,康普顿散射实验的意义,22,19251926年，吴有训用银的,X,射线(,0,=5.62,nm),为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质，,1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作。,对证实康普顿效应作出了,重要贡献。,在同一散射角(,),测量各种波长的散射光强度，,作了大量,X,射线散射实验，,（1897-1977）,吴有训,吴有训先生曾任清华物理系主任、,中国科学院付院长。他的学生中,有多人成为我国两弹一星的功臣。,4.,吴有训对研究康普顿效应的贡献,23,1.,与散射物质无关,仅与散射角有关。,轻元素,重元素,2.,，,。,吴有训,康普顿散射实验曲线,想一想？,曲线表明：,24,例,波长为,0,=0.020 nm,的,X,射线与自由电子发生碰撞，若从与入射角成90角的方向观察散射线。求：（1）散射线的波长；（2）反冲电子的动能,。,解：,25,5.,关于光的波粒二象性,光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。,光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。,关于光的本性问题，我们不应该在微粒说和波动说之间进行取舍，而应该把它们看作是光的本性的两种不同侧面的描述。,光子的能量：,光子的质量：,光子的动量：,=,h,26,描写,光的粒子性,的,、,p,，,与,描写,光的波动性,的,、,通过,=,h,；,相联系,其中：,h=,6.63,10,-34,Js,两者怎么能统一呢？,光作为粒子在空间中是集中而分立的；,两者统一于,概率波,理论（见后）。,光有二象性,波长大或障碍物小波动性突出,波长小或障碍物大粒子性突出,光作为电磁波是弥散在空间而连续的；,27,1913,年，丹麦的,N.,玻尔首先放弃将经典理论用于原子，建立了氢原子的量子理论。,卢瑟福的原子结构模型,+,普朗克的能量子概念,+,爱因斯坦的光子概念,+,光谱规律,定态假设,电子只能在某些特定的允许轨道上转动，电子虽然绕核作加速运动，但不辐射电磁能量，原子处于这些状态时是稳定的，简称,定态,。,提出了关于原子模型的基本假设。,1,、波尔理论的假设,13.3,波尔氢原子模型,28,频率条件,当原子在两个定态（,E,n,、,E,m,）之间跃迁时，原子放出（吸收）电磁波，所发射（放出）光子频率为：,角动量量子化,原子中电子绕核转动，只有满足条件,时,，,运动才是稳定的。,此即为,角动量量子化条件,。,“一个硬性的规定”,常常是在建立一个新的理论开始时所必要的；爱因斯坦在建立相对论也是这样的。,29,这个假设是波尔将,普朗克黑体辐射理论和爱因斯坦光电效应理论,推广到原子模型上来。,角动量量子化：,频率假设：,为什么有这个假设呢？而且量子化的数值为什么是,“”,，而不是别的什么数值呢？,不同领域的统一,（后面再述）,【,问题,】,为什么波尔会提出三个假设呢？,定态假设,由于原子坍塌的标志就是电子的轨道半径为零，只要原子半径量子化，就解决了原子坍塌问题。,30,2.,波尔氢原子理论的推导,（不做定量要求）,m,e,电子静止质量，,r,1,0.053nm,，,E,1,-13.6eV,。,牛顿第二定律：,氢原子的能量：,角动量子化：,(1),和,(3),式消去,v,：,半径量子化,r,代入（,2,）：,能量,量子化,31,赖曼系,巴尔末系,帕邢系,布拉开系,氢原子光谱经验公式：,上式两边同乘,hc,得：,比较可得：,理论和实验的符合是玻尔理论的,成功之处,。,鸡尾酒理论（,1,）（,2,）经典（,3,）量子假设。,32,