量子力学课件完整版(适合初学者)详解.ppt

量子力学 1.1 经典物理学的困难 19世纪末，物理学界建立了牛顿力学、电动力学、热力学与统计物理，统称为经典物理学。其中的两个结论为 1、能量永远是连续的。 2、电磁波（包括光）是这样产生的：带电体做加速运动时，会向外辐射电磁波。 牛顿力学-支配天体和力学对象的运动； 杨氏衍射实验-确定了光的波动性； Maxwell方程组的建立-把光和电磁现象建立在牢固的基础上； 统计力学的建立。 而一旦深入到分子、原子领域， 一些实验事实就与经典理论发生矛盾或者无法理解。 2 原子的稳定性问题－原子塌缩 按照经典理论，电子将掉到原子核里，原子的寿命约为1ns。 3 黑体辐射问题－紫外灾难 按照经典理论，黑体向外辐射电磁波的能量E与频率 的关系为 4.光电效应的解释 光照射到金属材料上，会产生光电子。但产生条件与光的频率有关，与光的强度无关。 能量量子化的假设 造成以上难题的原因是经典物理学认为能量永远是连续的。 如果能量是量子化的，即原子吸收或发射电磁波，只能以“量子”的方式进行，那末上述问题都能得到很好的解释。 能量量子化概念对难题的解释 原子寿命 ①原子中的电子只能处于一系列分立的能级之中。即E1, E2, ……. En。 ②当电子从能级En变化到Em时，将伴随着能量的吸收或发射，能量的形式是电磁波。能量的大小为E =hυ = En－Em ③由此，提出了产生电磁波的量子论观点，即电磁波源于原子中电子能态的跃迁。从而，电子就不会掉到原子核里，原子的寿命就会很长。 能量量子化概念对难题的解释 黑体辐射 从能量量子化假设出发，可以推导出同实验观测极为吻合的黑体辐射公式，即Planck公式 ?? 当 （高频区） Wein公式 当 （低频区） Rayleigh–Jeans公式 能量量子化概念对难题的解释 对光电效应的解释 如果电子处于分立能级且入射光的能量也是量子化的，那么只有当光子的能量（E =hυ）大于电子的能级差，即E =hυ En－Em时，光电子才会产生。如果入射光的强度足够强，但频率υ足够小，光电子是无法产生的。 1.2 光的波粒二象性 光子的能量与动量 并用υ= c / λ和狭义相对论中的公式 p =E/c推出光子的动量p为 p=h/λ，E=hν. υ－频率， λ－波长， h－普朗克常数 光的波粒二象性 波粒二象性，又称为波动粒子两重性，是指物体，小到光子、电子、原子，大到子弹、足球、地球，都既有波动性，又有粒子性。 频率为υ的单色光波是由能量为E =hυ 的一个个粒子组成的，这样的粒子被称为光子，或光量子。 光子的粒子性－光电效应； 光子的波动性－光的衍射和干涉。 光的波粒二象性 杨氏干涉实验和惠更斯衍射实验都表明了光的波动性。 光电效应又证实了光子的粒子性。 1.3 微粒的波粒二象性 1 物质波的概念 法国人De Broglie从光的量子论中得到启发，假设任何物体，无论是静止质量为零的光子，还是静止质量不为零的实物粒子，都具有粒子波动两重性。其中的波动，通称为物质波。认为物质波的频率和波长分别为 υ=E/h，λ= h /p 这就是著名的德布罗意公式。 2 实物粒子的波动 从德布罗意物质波的观点出发，就会得出一种违背常理的结论：躲在靶子后面仍然会被绕过来的子弹打中。 子弹之所以不能绕到靶子后面，是因为子弹的波长λ= h /p太小了。 h＝6.62×10-34Js，p=mv 3 电子与分子的衍射与干涉实验 电子衍射 C60分子干涉图 1.4 不确定关系 物质波的观点直接导致这样一个结论： 无法同时准确测量一个粒子的坐标和动量 q－坐标，p－动量 量子力学的特点： 能量量子化； 波粒二象性； 不确定关系。 需要用一个完整的理论将这些离散的假设和概念统一起来：《量子力学》应运而生。 《量子力学》的作用 一般工科：建立概念与启迪思维，重点在了解。 材料学：重点是建立正确的、系统的、完整的概念，为后续课程以及将来从事材料学领域的研究奠定基础。 理科：四大力学之一，应该精通，并作为日后从事研究的工具。 学习《量子力学》时应注意的问题 概念是灵魂－建立起清晰的概念 数学是桥梁－不必过分拘泥于数学推导 结论是收获－铭记结论在材料学中的作用 参考书目 曾谨言《量子力学