量子论概述.ppt

1W.ThomsonW.Thomson18241907 18241907 1919世世纪纪的的最最后后一一天天,欧欧洲洲著著名名的的科科学学家家欢欢聚聚一一堂堂.会会上上,汤汤姆姆生生发发表表了了新新年年祝祝词词.他他在在回回顾顾物物理理学学所所取取得得的的伟伟大大成成就就时时说说,物物理理大大厦厦已已经经落落成成,所所剩剩只只是是一一些些修修饰饰工工作作.同同时时,在在展展望望2020世世纪纪物物理理学学前前景景时时,却却若若有有所所思思地地讲讲道道:“:“动动力力理理论论肯肯定定了了热热和和光光是是运运动动的的两两种种方方式式,现现在在,它它的的美美丽丽而而晴晴朗朗的的天天空空却却被被两两朵朵乌乌云云笼笼罩罩了了,”“,”“第第一一朵朵乌乌云云出出现现在在光光的的波波动动理理论论上上,”“,”“第第二二朵朵乌乌云云出出现现在在关关于能量均分的麦克斯于能量均分的麦克斯韦韦-玻玻尔尔兹兹曼理曼理论论上上.”.”2量子论的诞生（一）（一）1900年普朗克首次提出能量子的假年普朗克首次提出能量子的假设设 解解释释黑体黑体辐辐射的能射的能谱谱分布分布开开创创了量子理了量子理论论的新的新纪纪元元（二）（二）19001923年年间间 1905年年爱爱因斯坦提出光量子假因斯坦提出光量子假设设 解解释释光光电电效效应应 1913年玻年玻尔尔提出原子提出原子结结构量子化假构量子化假设设 解解释释原子光原子光谱谱 的分布的分布规规律律 1923年康普年康普顿顿散射散射实验实验 证实证实光子假光子假说说（三）（三）19221924年德布年德布罗罗意提出微意提出微观观粒子具有波粒二象性的假粒子具有波粒二象性的假设设（四）（四）19241927年海森堡、玻恩、狄拉克奠定量子理年海森堡、玻恩、狄拉克奠定量子理论论基基础础3由由经经典理典理论论,带电带电粒子加速运粒子加速运动动将向外将向外辐辐射射电电磁波磁波.一切物体都以一切物体都以电电磁波的形式向外磁波的形式向外辐辐射能量射能量.物体的物体的辐辐射与其温度有关射与其温度有关,故将故将这这种种辐辐射称射称为热辐为热辐射射.这这种种电电磁波形式的磁波形式的辐辐射能量按波射能量按波长长分布是不均匀的分布是不均匀的.锶锶锶锶(Sr)(Sr)铷铷铷铷(Rb)(Rb)铜铜铜铜(Cu)(Cu)16.1 16.1 热辐热辐热辐热辐射射射射16.1.1 16.1.1 热辐热辐热辐热辐射及其定量表述射及其定量表述射及其定量表述射及其定量表述 不不同同的的原原子子辐辐射射谱谱线线的的颜颜色色(频频率率)成分不同成分不同.物物体体辐辐射射总总能能量量及及能能量量按按波波长长分布都决定于温度分布都决定于温度.4 单单色色辐辐出出度度:温温度度为为T物物体体从从单单位位面面积积上上发发射射的的、波波长长介介于于 和和+d 之之间间的的辐辐射功率射功率dE(T)与与d 之比之比.辐辐出出度度:物物体体从从单单位位面面积积上上发发射射的的所所有有各各种种波波长长的的辐辐射射总总功率功率.实实验验表表明明:辐辐出出度度不不仅仅取取决决于于温温度度和和波波长长,还还与与物物体体本本身身性性质质及其表面粗糙程度有关及其表面粗糙程度有关.物体物体辐辐射射电电磁波的同磁波的同时时,也吸收外界照射到其表面的也吸收外界照射到其表面的电电磁波磁波.当当发发射射=吸收吸收时时,其温度不其温度不变变 平衡平衡热辐热辐射射.516.1.2 16.1.2 绝对绝对绝对绝对黑体黑体黑体黑体辐辐辐辐射定律射定律射定律射定律 普朗克公式普朗克公式普朗克公式普朗克公式黑体是最理想的黑体是最理想的发发射体射体.黑体黑体 理想模型理想模型 能吸收一切外来能吸收一切外来辐辐射而无反射的物体射而无反射的物体.还记还记得得3K宇宙背景宇宙背景辐辐射射图吗图吗？6 斯忒藩玻斯忒藩玻斯忒藩玻斯忒藩玻尔尔尔尔兹兹兹兹曼定律曼定律曼定律曼定律物体的物体的辐辐射能量与温度的四次方成正比射能量与温度的四次方成正比.Josef StefanJosef Stefan18351893 18351893 Ludwig BoltzmannLudwig Boltzmann18441906 18441906 7 能能谱谱分分布布曲曲线线的的峰峰值值对对应应的的波波长长 m与温度与温度T 成反比成反比.维维维维恩位移定律恩位移定律恩位移定律恩位移定律Wilhelm Wien Wilhelm Wien 18641928 18641928 我我们们怎怎样样知道太阳的温度和知道太阳的温度和辐辐射的能量射的能量?8 经经经经典物理的困典物理的困典物理的困典物理的困难难难难1.维维恩公式恩公式维维维维恩恩恩恩线线线线维维恩根据恩根据经经典典热热力学得出力学得出:(c1和和c2为经验为经验参数参数)92.瑞利瑞利-金斯公式金斯公式瑞利瑞利瑞利瑞利-金斯金斯金斯金斯线线线线紫外灾紫外灾紫外灾紫外灾难难难难?瑞瑞利利和和金金斯斯用用能能量量均均分分定定理理和和电电磁磁理理论论得得出出:J.W.S.RayleighJ.W.S.Rayleigh18421919 18421919 James H.JeansJames H.Jeans1887-1946 1887-1946 维维维维恩恩恩恩线线线线10 Max Planck,量量子子论论的的奠奠基基人人.1900年年12月月14日日他他在在德德国国物物理理学学会会上上宣宣读读了了以以关关于于正正常常光光谱谱中中能能量量分分布布定定律律的的理理论论为为题题的的论论文文,提提出出了了能能量量的的量量子子化化假假设设,并并导导出黑体出黑体辐辐射能量的分布公式射能量的分布公式.劳劳厄称厄称这这一天是一天是“量子量子量子量子论论论论的的的的诞诞诞诞生日生日生日生日”普朗克的量子假普朗克的量子假普朗克的量子假普朗克的量子假设设设设和普朗克公式和普朗克公式和普朗克公式和普朗克公式 普朗克在普朗克在报报告中激告中激动动地地阐阐述了自己最惊人的述了自己最惊人的发现发现:为为了了从从理理论论上上得得出出正正确确的的辐辐射射公公式式,必必须须假假定定物物质质辐辐射射(或或吸吸收收)的的能能量量不不是是连连续续地地、而而是是一一份份一一份份地地进进行行的的,只只能能取某个最小数取某个最小数值值的整数倍的整数倍.这这个个最最小小数数值值就就叫叫能能量量子子,辐辐射射频频率率是是 的的能能量量的的最最小小值值为为 .其中其中h称称普朗克常数普朗克常数普朗克常数普朗克常数,普朗克把它叫做基本作用量子普朗克把它叫做基本作用量子.111.普朗克公式普朗克公式瑞利瑞利 金斯金斯线线维维恩恩线线普朗克普朗克线线122.能量子假能量子假说说 辐辐射射黑黑体体中中分分子子、原原子子的的振振动动可可看看作作线线性性谐谐振振子子,它它们们和和周周围围电电磁磁场场交交换换能能量量.这这些些谐谐振振子子只只能能处处于于某某种种特特殊殊的的状状态态,它的能量取它的能量取值值只能只能为为某一最小能量的整数倍某一最小能量的整数倍.普朗克常数普朗克常数:量量子子假假说说与与经经典典理理论论格格格格不不入入,它它完完全全脱脱离离了了经经典典理理论论的框架的框架.普普朗朗克克常常数数是是现现代代物物理理学学中中最最重重要要的的物物理理常常数数,它它标标志志着物理学从着物理学从“经经典幼虫典幼虫”变变成成“现现代蝴蝶代蝴蝶”.13 光光光光电电电电效效效效应应应应与光的波与光的波与光的波与光的波动动动动理理理理论论论论的矛盾的矛盾的矛盾的矛盾1.光光电电效效应应是是瞬瞬时时发发生生的的,响响应时间为应时间为10-9 s.经经典典理理论论不不能能解解释释“毋毋需需时时间积间积累累”.1887年年Hertz首次首次发现发现16.2 16.2 光光光光电电电电效效效效应应应应Heinrich R.HertzHeinrich R.Hertz1857-18941857-1894Philipp LenardPhilipp Lenard 1862-19471862-1947142.入入射射光光频频率率一一定定时时,饱饱和和光光电电流流与与入入射射光光光光强强成成正正比比,但反向截止但反向截止电压电压与入射光光与入射光光强强无关无关.3.反反向向截截止止电电压压与与入入射射光光频频率率成成线线性性关系关系.反反向向截截止止电电压压反反映映光光电电子的初子的初动动能能:经经典典理理论论认认为为光光电电子子的的初初动动能能应应决决定定于入射光的光于入射光的光强强,而不决定于光的而不决定于光的频频率率.4.存在一个存在一个“截止截止频频率率”(红红限限频频率率 0).当当入入射射光光的的频频率率小小于于红红限限频频率率时时,无无论论光光强强多大多大,也不会也不会产产生光生光电电效效应应.15爱爱因斯坦光因斯坦光电电效效应应方程方程:爱爱爱爱因斯坦的光子假因斯坦的光子假因斯坦的光子假因斯坦的光子假说说说说 电电磁磁辐辐射射是是由由以以光光速速c运运动动的的光光量量子子所所组组成成.光子光子Albert Einstein Albert Einstein 1879-1955 1879-1955 16 对对对对光光光光电电电电效效效效应实验规应实验规应实验规应实验规律的解律的解律的解律的解释释释释1.电电子子只只要要吸吸收收一一个个光光子子就就可可以以从从金金属属表表面面逸逸出出,所所以以无无须须时时间间上上的累的累积过积过程程.2.光光强强大大,光光子子数数多多,释释放放的的光光电电子子也多也多,所以所以饱饱和光和光电电流也大流也大.3.入射光子能量入射光子能量=逸出功逸出功+光光电电子初子初动动能能光光光光电电电电子初子初子初子初动动动动能和入射能和入射能和入射能和入射光的光的光的光的频频频频率成率成率成率成线线线线性关系性关系性关系性关系4.红红限限频频率率对应对应光光电电子初子初动动能等于能等于 0.关关于于光光的的产产生生和和转转化化的的一一个个启启发发性性观观点点(有有关关光光电电效效应应)一文使他于一文使他于1921年年获获得得诺贝诺贝尔尔物理学物理学奖奖.17爱爱爱爱因斯坦因斯坦因斯坦因斯坦论论论论我我我我们们们们关于关于关于关于辐辐辐辐射本射本射本射本质质质质和和和和组组组组成成成成观观观观点的点的点的点的发发发发展展展展 “象象象象人人人人们们们们已已已已经经经经知知知知道道道道的的的的那那那那样样样样,光光光光的的的的干干干干涉涉涉涉、衍衍衍衍射射射射现现现现象象象象表表表表明明明明对对对对于于于于把把把把光光光光看看看看成成成成是是是是一一一一种种种种波波波波动动动动,看看看看来来来来是是是是难难难难以以以以怀怀怀怀疑疑疑疑的的的的,而而而而不不不不容容容容否否否否认认认认的的的的是是是是有有有有这这这这样样样样一一一一类类类类关关关关于于于于辐辐辐辐射射射射的的的的事事事事实实实实表表表表明明明明,光光光光具具具具有有有有某某某某些些些些基基基基本本本本属属属属性性性性,这这这这些属性用光的些属性用光的些属性用光的些属性用光的发发发发射射射射论论论论点比光的波点比光的波点比光的波点比光的波动观动观动观动观点好得多点好得多点好得多点好得多.”.”“两两两两种种种种特特特特性性性性结结结结构构构构,波波波波动动动动结结结结构构构构和和和和量量量量子子子子结结结结构构构构都都都都应应应应当当当当适适适适合合合合于于于于辐辐辐辐射射射射,而而而而不不不不应应应应当当当当认认认认为为为为彼彼彼彼此此此此不不不不相相相相容容容容.理理理理论论论论物物物物理理理理发发发发展展展展的的的的随随随随后后后后一一一一个个个个阶阶阶阶段段段段将将将将给给给给我我我我们们们们带带带带来来来来这这这这样样样样一一一一种种种种光光光光学学学学理理理理论论论论,它它它它可可可可以以以以是是是是光光光光的的的的波波波波动动动动论论论论和和和和发发发发射射射射论论论论的的的的某某某某种种种种综综综综合合合合,需需需需要要要要建建建建立立立立一一一一个个个个既既既既能能能能描描描描述述述述辐辐辐辐射射射射的的的的波波波波动结动结动结动结构构构构,又能描述又能描述又能描述又能描述辐辐辐辐射的量子射的量子射的量子射的量子结结结结构的数学理构的数学理构的数学理构的数学理论论论论.”.”光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性18光子能量：光子能量：光子能量：光子能量：光子静止光子静止光子静止光子静止质质质质量：量：量：量：光子光子光子光子动动动动量：量：量：量：光的性光的性光的性光的性质质质质不同不同不同不同侧侧侧侧面面面面波波波波动动动动性：性：性：性：突出表突出表突出表突出表现现现现在在在在传传传传播播播播过过过过程中程中程中程中(干涉、衍射等干涉、衍射等干涉、衍射等干涉、衍射等)粒子性：粒子性：粒子性：粒子性：突出表突出表突出表突出表现现现现在与物在与物在与物在与物质质质质相互作用中相互作用中相互作用中相互作用中(光光光光电电电电效效效效应应应应、康普、康普、康普、康普顿顿顿顿效效效效应应应应等等等等)19例例例例题题题题1:1:钾钾钾钾的的的的光光光光电电电电效效效效应应应应红红红红限限限限为为为为 0 0=6.26.2 1010-7-7 m,m,求求求求:(1)(1)电电电电子子子子的的的的逸逸逸逸出出出出功功功功;(2)(2)在在在在紫紫紫紫外外外外线线线线照照照照射射射射下下下下,截截截截止止止止电电电电压压压压为为为为多多多多少少少少?(3)(3)电电电电子子子子的的的的初初初初速速速速度度度度为为为为多少多少多少多少?(?(紫外紫外紫外紫外线线线线 0 0=3.0=3.0 1010-7-7 m)m)解解解解:20例例例例题题题题2.2.有有有有一一一一金金金金属属属属钾钾钾钾薄薄薄薄片片片片,距距距距弱弱弱弱光光光光源源源源3m.3m.此此此此光光光光源源源源的的的的功功功功率率率率为为为为1W,1W,计计计计算算算算在在在在单单单单位位位位时时时时间间间间内内内内打打打打在在在在金金金金属属属属单单单单位位位位面面面面积积积积上上上上的的的的光光光光子子子子数数数数.设设设设 =589 nm.=589 nm.解解解解:21 散散散散射射射射光光光光谱谱谱谱中中中中除除除除有有有有波波波波长长长长 0 0的的的的射射射射线线线线(瑞瑞瑞瑞利利利利散散散散射射射射)外外外外,还还还还有有有有 0 0 的射的射的射的射线线线线(康普康普康普康普顿顿顿顿散射散射散射散射).).石墨体石墨体石墨体石墨体X X射射射射线谱仪线谱仪线谱仪线谱仪16.3 16.3 康普康普康普康普顿顿顿顿效效效效应应应应 康普康普康普康普顿顿顿顿效效效效应应应应The Nobel Prize in Physics 1927The Nobel Prize in Physics 1927Arthur H.ComptonArthur H.Compton1892-19621892-196222 2.2.在在在在原原原原子子子子量量量量小小小小的的的的物物物物质质质质中中中中,康康康康普普普普顿顿顿顿散散散散射射射射较较较较强强强强,反之反之反之反之较较较较弱弱弱弱.1.1.波波波波长长长长的的的的改改改改变变变变量量量量 -0 0随随随随散散散散射射射射角角角角 的的的的增增增增加加加加而而而而增增增增加加加加.且且且且对对对对不不不不同同同同的的的的散散散散射射射射物物物物质质质质,只只只只要要要要在在在在同同同同一一一一个个个个散散散散射射射射角角角角下下下下,波波波波长长长长的的的的改改改改变变变变量量量量 -0 0都相同都相同都相同都相同.实验发现实验发现实验发现实验发现：23 经经经经典理典理典理典理论论论论无法解无法解无法解无法解释释释释康普康普康普康普顿顿顿顿效效效效应应应应 根根根根据据据据经经经经典典典典电电电电磁磁磁磁波波波波理理理理论论论论,在在在在光光光光场场场场中中中中作作作作受受受受迫迫迫迫振振振振动动动动的的的的带带带带电电电电粒粒粒粒子子子子,辐辐辐辐射的散射光的射的散射光的射的散射光的射的散射光的频频频频率率率率应应应应等于入射光的等于入射光的等于入射光的等于入射光的频频频频率率率率.光子光子光子光子论论论论的解的解的解的解释释释释 此此此此过过过过程程程程是是是是光光光光子子子子与与与与电电电电子子子子发发发发生生生生相相相相互互互互作作作作用用用用,两两两两粒粒粒粒子子子子的的的的碰碰碰碰撞撞撞撞是是是是完完完完全全全全弹弹弹弹性性性性碰碰碰碰撞撞撞撞,即即即即满满满满足足足足动动动动量守恒和能量守恒量守恒和能量守恒量守恒和能量守恒量守恒和能量守恒.24 康普康普康普康普顿顿顿顿效效效效应应应应的光量子解的光量子解的光量子解的光量子解释释释释x x-y y动动动动量守恒：量守恒：量守恒：量守恒：能量守恒：能量守恒：能量守恒：能量守恒：25康普康普康普康普顿顿顿顿波波波波长长长长:1.1.波波波波长长长长的的的的改改改改变变变变量量量量 与与与与散散散散射射射射角角角角 有有有有关关关关,散散散散射射射射角角角角 越越越越大大大大,也也也也越大越大越大越大.2.2.波波波波长长长长的改的改的改的改变变变变量量量量 与散射物与散射物与散射物与散射物质质质质的性的性的性的性质质质质无关无关无关无关.因因因因为为为为康康康康普普普普顿顿顿顿波波波波长长长长比比比比可可可可见见见见光光光光波波波波长长长长小小小小得得得得多多多多,所所所所以以以以可可可可见见见见光光光光的的的的散散散散射射射射主主主主要要要要是瑞利散射是瑞利散射是瑞利散射是瑞利散射.结论结论结论结论:26说说说说明：明：明：明：1.1.康康康康普普普普顿顿顿顿散散散散射射射射:当当当当光光光光子子子子与与与与外外外外层层层层电电电电子子子子相相相相互互互互作作作作用用用用时时时时,一一一一个个个个电电电电子子子子吸吸吸吸收收收收一一一一个个个个入入入入射射射射光光光光子子子子,发发发发射射射射一一一一个个个个能能能能量量量量略略略略小小小小的的的的散散散散射射射射光光光光子子子子.电电电电子因子因子因子因为为为为受到反冲而受到反冲而受到反冲而受到反冲而获获获获得一定的得一定的得一定的得一定的动动动动量和能量量和能量量和能量量和能量.2.2.瑞瑞瑞瑞利利利利散散散散射射射射:当当当当光光光光子子子子与与与与紧紧紧紧紧紧紧紧束束束束缚缚缚缚的的的的内内内内层层层层电电电电子子子子相相相相互互互互作作作作用用用用时时时时,散射光子的能量不散射光子的能量不散射光子的能量不散射光子的能量不变变变变.3.3.与与与与散散散散射射射射物物物物质质质质无无无无关关关关:因因因因为为为为光光光光子子子子和和和和电电电电子子子子的的的的相相相相互互互互作作作作用用用用,仅仅仅仅与散射角有关与散射角有关与散射角有关与散射角有关.4.4.原原原原子子子子量量量量小小小小的的的的物物物物质质质质康康康康普普普普顿顿顿顿效效效效应应应应显显显显著著著著:因因因因其其其其外外外外层层层层电电电电子子子子(看看看看成成成成自由自由自由自由电电电电子子子子)的相的相的相的相对对对对比例高比例高比例高比例高,故其故其故其故其.意意意意义义义义:康康康康普普普普顿顿顿顿效效效效应应应应证证证证明明明明了了了了光光光光的的的的粒粒粒粒子子子子性性性性,同同同同时时时时也也也也证证证证明明明明了了了了动动动动量量量量守守守守恒恒恒恒和和和和能能能能量量量量守守守守恒恒恒恒具具具具有有有有普普普普适适适适性性性性,相相相相对对对对论论论论效效效效应应应应在在在在宏宏宏宏观观观观和和和和微微微微观观观观领领领领域都存在域都存在域都存在域都存在.27例例例例题题题题3.3.在在在在康康康康普普普普顿顿顿顿效效效效应应应应中中中中,入入入入射射射射光光光光子子子子的的的的波波波波长长长长为为为为310310-3-3nm,nm,反反反反冲冲冲冲电电电电子的速度子的速度子的速度子的速度为为为为光速的光速的光速的光速的60%,60%,求散射光子的波求散射光子的波求散射光子的波求散射光子的波长长长长和散射角和散射角和散射角和散射角.解解解解:28例例例例题题题题4.4.波波波波长长长长为为为为 0 0=0.020nm=0.020nm的的的的X X射射射射线线与与与与自自自自由由由由电电子子子子发发生生生生碰碰碰碰撞撞撞撞,若若若若从从从从与与与与入入入入射射射射角角角角成成成成9090角角角角的的的的方方方方向向向向观观察察察察散散散散射射射射线线.求求求求:(1)(1)散散散散射射射射线线的的的的波波波波长长;(2);(2)反冲反冲反冲反冲电电子的子的子的子的动动能能能能;(3);(3)反冲反冲反冲反冲电电子的子的子的子的动动量量量量.解解解解:(1)(2)29(3)30 原子模型原子模型原子模型原子模型经经经经典原子模型典原子模型典原子模型典原子模型1897年年汤汤姆姆逊发现电逊发现电子子16.4 16.4 氢氢氢氢原子光原子光原子光原子光谱谱谱谱 波波波波尔尔尔尔的的的的氢氢氢氢原子理原子理原子理原子理论论论论汤汤姆姆逊逊西瓜西瓜The Nobel Prize in Physics 1906The Nobel Prize in Physics 1906The Nobel Prize in Physics 1906The Nobel Prize in Physics 1906Joseph John ThomsonJoseph John ThomsonJoseph John ThomsonJoseph John Thomson18561940 18561940 18561940 18561940 3119111911卢卢卢卢瑟福核式模型瑟福核式模型瑟福核式模型瑟福核式模型Ernest RutherfordErnest RutherfordErnest RutherfordErnest Rutherford18711937 18711937 18711937 18711937 The Nobel Prize in Chemistry 1908The Nobel Prize in Chemistry 1908The Nobel Prize in Chemistry 1908The Nobel Prize in Chemistry 1908困惑：困惑：困惑：困惑：原子的原子的原子的原子的稳稳稳稳定性定性定性定性问题问题问题问题？原子分立的原子分立的原子分立的原子分立的线线线线状光状光状光状光谱谱谱谱？原原原原子子子子由由由由原原原原子子子子核核核核和和和和核核核核外外外外电电电电子子子子构构构构成成成成,原原原原子子子子核核核核带带带带正正正正电电电电荷荷荷荷,占占占占据据据据整整整整个个个个原原原原子子子子的的的的极极极极小小小小一一一一部部部部分分分分空空空空间间间间,而而而而电电电电子子子子带带带带负负负负电电电电,绕绕绕绕着着着着原原原原子子子子核核核核转转转转动动动动.原原原原子子子子半半半半径径径径 r r=1010-10-10 m,m,原原原原子子子子核核核核半半半半径径径径r r=10=10-14-141010-15-15 m.m.+-粒子的大角散射粒子的大角散射粒子的大角散射粒子的大角散射32 氢氢氢氢原子光原子光原子光原子光谱谱谱谱 18851885年年年年巴巴巴巴耳耳耳耳末末末末得得得得到到到到氢氢氢氢原原原原子子子子可可可可见见见见光光光光谱谱谱谱线线线线波波波波长长长长的的的的经验经验经验经验公式：公式：公式：公式：656.3 nm656.3 nm486.1 nm486.1 nm434.1 nm434.1 nm410.2 nm410.2 nm氢氢氢氢原子光原子光原子光原子光谱谱谱谱是具有是具有是具有是具有规规规规律的分立律的分立律的分立律的分立线线线线状光状光状光状光谱谱谱谱.Johann Jakob BalmerJohann Jakob Balmer18251898 18251898 33巴耳末公式巴耳末公式巴耳末公式巴耳末公式:18891889年里德伯和里年里德伯和里年里德伯和里年里德伯和里兹发现兹发现兹发现兹发现普遍公式：普遍公式：普遍公式：普遍公式：里德伯常数里德伯常数里德伯常数里德伯常数:谱线谱线谱线谱线的波数可以表示的波数可以表示的波数可以表示的波数可以表示为为为为两光两光两光两光谱项谱项谱项谱项之差之差之差之差.定定定定义义义义波数：波数：波数：波数：(n n mm)Walter RitzWalter Ritz1878-19091878-1909Janne RydbergJanne Rydberg1854191918541919 34 氢氢氢氢原子光原子光原子光原子光谱谱谱谱的波数的波数的波数的波数赖赖赖赖曼系曼系曼系曼系(紫外光紫外光紫外光紫外光)19141914年年年年发现发现发现发现帕邢系帕邢系帕邢系帕邢系(红红红红外光外光外光外光)19081908年年年年发现发现发现发现布喇开系布喇开系布喇开系布喇开系(红红红红外光外光外光外光)19221922年年年年发现发现发现发现普芳德系普芳德系普芳德系普芳德系(红红红红外光外光外光外光)19241924年年年年发现发现发现发现巴巴巴巴尔尔尔尔末系末系末系末系(可可可可见见见见光光光光)T.Lyman T.Lyman 1874-19541874-1954F.PaschenF.Paschen1865-19471865-1947A.H.PfundA.H.Pfund1879-19491879-194935 波波波波尔尔尔尔的量子解的量子解的量子解的量子解释释释释1.1.定定定定态态态态假假假假定定定定:电电电电子子子子只只只只能能能能处处处处于于于于一一一一些些些些分分分分立立立立的的的的定定定定态态态态,即即即即只只只只能能能能在在在在某某某某些些些些确确确确定定定定的的的的轨轨轨轨道道道道上上上上绕绕绕绕核核核核作作作作圆圆圆圆周周周周运运运运动动动动,角角角角动动动动量量量量 19131913年年年年根根根根据据据据光光光光量量量量子子子子性性性性,结结结结合合合合经经经经典典典典理理理理论论论论建建建建立立立立氢氢氢氢原原原原子子子子理理理理论论论论,解解解解释释释释了了了了原原原原子子子子的的的的稳稳稳稳定定定定性性性性和和和和原原原原子光子光子光子光谱谱谱谱的分立性的分立性的分立性的分立性,建立了建立了建立了建立了原子物理学原子物理学原子物理学原子物理学.2.2.频频频频率率率率假假假假定定定定:电电电电子子子子从从从从一一一一个个个个能能能能态态态态轨轨轨轨道道道道向向向向另另另另一一一一个个个个能能能能态态态态轨轨轨轨道道道道跃跃跃跃迁迁迁迁时时时时,要要要要发发发发射或吸收光子射或吸收光子射或吸收光子射或吸收光子.The Nobel Prize in Physics 1922The Nobel Prize in Physics 1922Niels BohrNiels Bohr1885-19621885-1962 36由由由由经经经经典力学典力学典力学典力学:玻玻玻玻尔尔尔尔量子化条件量子化条件量子化条件量子化条件:电电电电子的子的子的子的轨轨轨轨道半径：道半径：道半径：道半径：由基本假由基本假由基本假由基本假设计设计设计设计算能量和算能量和算能量和算能量和轨轨轨轨道半径道半径道半径道半径:半半半半经经经经典理典理典理典理论论论论玻玻玻玻尔尔尔尔半径半径半径半径:37轨轨轨轨道能量道能量道能量道能量:氢氢氢氢原子的基原子的基原子的基原子的基态态态态能量能量能量能量:氢氢氢氢原子的激原子的激原子的激原子的激发态发态发态发态能量能量能量能量:38 波波波波尔尔尔尔对氢对氢对氢对氢光光光光谱谱谱谱的理的理的理的理论论论论解解解解释释释释里德伯常数的理里德伯常数的理里德伯常数的理里德伯常数的理论值论值论值论值:里德伯常数的里德伯常数的里德伯常数的里德伯常数的实验值实验值实验值实验值:39氢氢 原原 子子 能能 级级 图图19221922年年年年诺贝诺贝诺贝诺贝尔尔尔尔物理学物理学物理学物理学奖奖奖奖40例例例例题题题题5.5.如如用用能能量量为为12.6 eV的的电子子轰击氢原原子子,将将产生生年年哪哪些些谱线？解：解：取取 n=3可能的可能的轨轨道道跃跃迁迁:31，32，2141例例题题6.氢氢原原子子中中把把 n=2 状状态态下下的的电电子子移移离离原原子子需需要要多多少能量？少能量？解：解：42 玻玻玻玻尔尔尔尔量子理量子理量子理量子理论论论论的缺陷的缺陷的缺陷的缺陷 玻玻尔尔量量子子理理论论成成功功地地解解释释了了氢氢原原子子的的稳稳定定性性、大大小小及及氢氢原原子子光光谱谱的的规规律律性性.为为人人们们认认识识微微观观世世界界和和建建立立近近代代量量子子理理论论打下了基打下了基础础.玻玻尔尔理理论论是是经经典典与与量量子子的的混混合合物物,它它保保留留了了经经典典的的确确定定性性轨轨道道,另另一一方方面面又又假假定定量量子子化化条条件件来来限限制制电电子子的的运运动动。它它不不能能解解释释稍稍微微复复杂杂的的问问题题,正正是是这这些些困困难难,迎迎来来了了物物理理学的大革命学的大革命.43LaserLaser(L Lightight A Amplification bymplification by S Stimulated timulated E Emission ofmission of R Radiationadiation)16.5 16.5 激激激激 光光光光16.5.1 16.5.1 激光的激光的激光的激光的发发发发光机理光机理光机理光机理 受受激激辐辐射射的的特特点点:受受激激辐辐射射产产生生的的光光子子与与原原来来的的光光子具有完全相同的状子具有完全相同的状态态.受受激激辐辐射射而而得得到到的的光光是是相干光相干光.44产产生激光的必要条件生激光的必要条件:实现实现粒子数反粒子数反转转.泵泵浦浦:实现实现粒子数反粒子数反转转的的过过程程.具有具有亚稳态亚稳态的原子的原子结结构构,才能才能实现实现粒子数反粒子数反转转.45谐谐振腔振腔长长度度:谐谐振腔的作用振腔的作用:1.维维持光振持光振荡荡，起到光放大作用，起到光放大作用;2.使激光使激光产产生极好的方向性生极好的方向性;3.使激光的使激光的单单色性好。色性好。光学光学谐谐振腔振腔461.红红宝石激光器宝石激光器(三能三能级级系系统统)E3为为激激发态发态能能级级,寿命寿命约约10-8sE2为亚稳态为亚稳态能能级级,寿命寿命为为10-31s 红红宝宝石石是是在在人人工工制制造造的的刚刚玉玉(AI2O3)中中掺掺入入少少量量的的铬铬离离子子(Cr+)而而构构成成的的晶晶体体.产产生生激激光光靠靠铬铬离离子子,所所产产生生的的激激光光波波长为长为694.3nm的的红红光。光。T.H.MaimanT.H.Maiman1927-1927-1960年研制出第一激光器年研制出第一激光器.16.5.2 16.5.2 激光器激光器激光器激光器472.HeNe激光器激光器(四能四能级级系系统统)产产生生激激光光靠靠氖氖原原子子,氦氦原原子子起起传传递递作作用用.He和和Ne有有两两个个相相近近的的亚亚稳稳态态能能级级1和和2,Ne存存在在极极短短寿寿命命的的能能级级3和和4.He与与Ne原原子子发发生生碰碰撞撞,将将Ne激激发发到到1和和2上上,在在这这两两能能级级的的Ne原原子子自自发发辐辐射射几几率率较较小小,这这就就实实现现了了能能级级1与与3,1与与4,2与与4间间的的粒粒子数反子数反转转.发发出出谱线为谱线为632.8nm、1152nm和和3391nm.48激光的特点激光的特点:相干性好相干性好相干性好相干性好 方向性好方向性好方向性好方向性好 能量集中能量集中能量集中能量集中 单单单单色性好色性好色性好色性好16.5.2 16.5.2 激光的特点及其激光的特点及其激光的特点及其激光的特点及其应应应应用用用用激光分激光分类类:固体激光器固体激光器晶体激光器晶体激光器气体激光器气体激光器半半导导体激光器、染料激光器、原子激光器等体激光器、染料激光器、原子激光器等.49激光激光应应用用 激光全息激光全息激光全息激光全息50激光激光应应用用 CDCD、VCDVCD、DVDDVD等等等等51激光激光应应用用 激光通信激光通信激光通信激光通信5253