《大学物理学电子教案》第章量子物理.ppt

第十五章 量子物理 §15-1 黑体辐射和普朗克能量子假设 §15-2 光电效应 爱因斯坦光量子理论 §15-3 康普顿效应 §15-4 氢原子光谱和玻尔理论 §15-5 粒子的波动性 §15-6 德布罗意波的统计诠释 不确定关系 计算值： 实验值： 波数： (n m) 结论：谱线的波数可以表示为两个光谱项之差。 光谱项： 里德伯表达式 ： 里德伯常量的近代测量值： 莱曼系（紫外线） 帕邢系（红外线） 布拉开系（红外线） 普丰德系（红外线） 巴耳末系（可见光） 15-4-2 原子的经典模型 1. 汤姆孙的面包夹葡萄干模型 整个原子呈胶冻状的球体，正电荷均匀分布于球体上，而电子镶嵌在原子球内，在各自的平衡位置附近做简谐振动，并发射同频率的电磁波。 - - - - - - ? 粒子散射实验 2.卢瑟福的核式原子模型： 原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电荷，占据整个原子的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。 15-4-3 玻尔的氢原子理论 玻尔的三条基本假设： （1） 原子中的电子只能在一些分裂的轨道上运行，在每一个轨道上运动电子处于稳定的能量状态。 （2） 当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁时，要发射或吸收光子。 （3） 电子在原子中的稳定轨道满足角动量L等于 的整数倍条件。 + - 设电子质量为m，带电荷量e。 力学方程： 量子化条件： 电子轨道半径： 玻尔半径： 电子在第n个轨道上的能量： 将“量子化条件”和“玻尔半径”代入能量式，得： 轨道能量： 基态能量： 各能级值： 各能态： 基态：n = 1；第一激发态：n = 2；第二激发态：n = 3 ；…… 莱曼系 巴耳末系 帕邢系 布拉开系 普丰德系 -13.58 -3.39 -1.51 -0.85 -0.54 0 En/eV 1 2 3 5 4 氢原子能级图 与里德伯表达式比较： 电子从高能级向低能级跃迁时放出光子的波数： 理论值与实验值符合得非常好！ 例6 如用能量为12.6eV的电子轰击氢原子，将产生那些谱线？ 解： 取 n = 3 可能的轨道跃迁： 3?1 ，3?2 ，2?1 15-5-1 德布罗意波 1923年，德布罗意第一次提出了实物粒子具有波动性观点，以后人们把这种波称为“德布罗意波”又称为“物质波” 实物粒子和光子一样，也具有波粒二象性。如果用能量 E 和动量 p 来表征实物粒子的粒子性，则可用频率? 和波长 ? 来表示实物粒子的波动性。 * * 15-1-1 黑体辐射 热辐射：物体内的分子、原子受到热激发而产生电磁辐射的现象。 任何物体在任何温度下都会产生热辐射 单色辐出度（Mλ ）：从物体表面单位面积上发射出的波长介于 与 之间的辐射功率 与 的比值。 辐出度（M ）：物体表面单位面积发射的包含各种波长在内的辐射功率。 吸收率：吸收能量与入射总能量的比值。 单色吸收率 ： 波长在 范围内的吸收率。 单位： 单位： 黑体：能够完全吸收外来辐射而没有反射的物体。 基尔霍夫定律：在相同温度下，单色辐出度与单色吸收率的比值对于所有物体都相同，是一个只取决于温度 T 和波长λ的函数。 在热平衡条件下，黑体辐射的实验能谱曲线： 斯忒藩 - 玻耳兹曼定律： 斯忒藩 -玻耳兹曼常量： 维恩位移定律：能谱分布曲线的峰值对应的波长?m与温度T 的乘积为一常数。 维恩常量: 维恩公式： 瑞利-金斯公式： 4 0 1 2 3 5 6 7 8 9 维恩线 瑞利-金斯线 15-1-2 普朗克公式 普朗克能量子假设 普朗克经验公式： 4 0 1 2 3 5 6 7 8 9 普朗克常量： 讨论： （1） 在长波段情况下 （瑞利 - 金斯公式） （2） 在短波段情况下 （维恩公式 ） 普朗克的能量子假设： 对于频率为 的谐振子，其辐射能量是不连续的，只能取某一最小能量的整数倍。 n 称为量子数 称为能量子 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。” 例1 （1）温度为20℃的物体，它的辐射能中辐出度的峰值所对应的波长是多少？ （2）若使一物体单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，其温度应为多少？ （3）上两小题中，总辐射能的比值为多少？ 解 （1） （2）取 ? = 650 nm （3） 光电效应：当一束光照射在金属表面上时，金属表面会有电子逸出的现象。 15-2-1 光电效应 逸出的电子称为光电子