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量子力学教案
第一章 绪论
量子力学的研究对象:
量子力学是研究微观粒子运动规律的一种基本理论。它是上个世纪二十年代在总结大量实验事实和旧量子论的基础上建立起来的。它不仅在进到物理学中占有及其重要的位置,而且还被广泛地应用到化学、电子学、计算机、天体物理等其他资料。
§1.1经典物理学的困难
二、经典物理学的困难
一些新的物理现象无法用经典理论解释。
黑体辐射问题
光电效应问题
原子的线状光谱和原子结构问题
固体在低温下的比热问题
三、量子力学的两个发展阶段
旧量子论(1900-1924)
以普朗克、爱因斯坦、玻尔为代表
量子论(1924年建立)
以德布罗意、薛定谔、玻恩、海森堡、狄拉克为代表
§1.2光的波粒二象性
1.光的波动性
最典型的实验是1802年的杨氏干涉实验和后来的单缝、双缝衍射实验。
相干条件:(距离) (k=0, ,,……)加强
相消
或 位相差 ==2k 加强
=(2k+1) 减弱
2.黑体辐射
热辐射同光辐射本质一样,都是电磁波对外来的辐射物体有反射和吸收的作用,如果一个物体能全部吸收投射到它上面的辐射而无反射,这种物体为绝对黑体(简称黑体),它是一种理想化模型。
1)实验表明:当腔壁与空腔内部的辐射在某一绝对温度下达到平衡时,单位面积上发出的辐射能与吸收的辐射能相等,频率到之间的辐射能量密度只与和有关,与空腔的形状及本身的性质无关。即
其中表示对任何黑体都适用的某一普通函数。当时不能写出它的具体解析表达式,只能画出它的实验曲线。见图2
2)维恩(Wien)公式
维恩在做了一些特殊的假设之后,曾用热力学的方法,导出了下面的公式:
其中,为常数,将维恩公式与实验结果比较,发现两者在高频(短波)区域虽然符合,但在低频区域都相差很大。
3)瑞利-琼斯(Rglaigh-Jeans)公式
瑞利-琼斯根据电动力学和统计物理也推出了黑体辐射公式:
其中是玻耳兹曼常数(J/K),这个公式恰恰与维恩公式相反,在低频区与实验符合,在高频区不符,且发散。
因为:
当时称这种情况为“紫外光灾难”。
由于经典理论在解释黑体辐射问题上的失败,便开始动摇了人们对经典物理学的迷信。
4)普朗克(Planck,1900)公式
1900年,普朗克在前人的基础上,进一步分析实验数据,得到了一个很好的经验公式:
式中称为普朗克常数,
在推导时,普朗克作了如下假定:黑体是由带电的谐振子组成,对于频率为的谐振子,其能量只能是的整数倍,即:
3. 光电效应
在光的作用下,电子从金属表面逸出的现象,称为光电效应。
无法为经典物理学所解释的有:
(1)对一定的金属,照射光存在一个临界频率,低于此频率时,不发生光电效应。(不论光照多么强,被照射的金属都不发射电子)
(2)光电子的动能与照射光的频率成正比(),而与光的强度无关。
(3)光电效应是瞬时效应()
爱因斯坦的光量子假设:
光就是光子流,在频率为的光子流中,每一光子的能量都是。(这样就可解释光电效应),由此得到爱因斯坦方程:
光子的动量:
对于光子,
又 因为: (相对论中能量与动量的关系)
所以:
而
所以:
或
其中表示该光子运动方向的单位矢量,,成为波矢。上式把光的两重性质——波动性和粒子性有机地联系了起来。
4.康普顿效应(略)
本节结论:光具有波粒两象性。
课外作业:(1)推导普朗克黑体辐射公式
(2)设计光电效应实验原理图
§1.3原子结构的玻尔理论
玻尔理论的两个基本假设:
(1)量子条件: (且存在定态)
(2)频率条件:,有(1)、(2)可得
量子化通则: n=1,2,3……,n为折射系数,经典粒子的莫培督(Maupertius)原理,亦即最小作用原理:,p为粒子的动量],通过用类比的方法分析,使他认识到了过去光学理论的缺陷是只考虑光的波动性,忽视了光的粒子性。德布罗意于1924年提出了一个具有深远意义的假设:微观粒子也具有波粒二象性。
具有确定动量和确定能量的自由粒子,相当于频率为或波长为的平面波,二者之间的关系如同光子与光波一样,即:
(1)
(2)
这就是著名的德布罗意关系式,这种表示自由粒子的平面波称为德布罗意波或“物质波”。
设自由粒子的动能为E,当它的速度远小于光速时,其动
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