第22章量子物理的基本概念.ppt

2002/02/26 TUESDAY AT ALL 18 PAGES CREATED BY XCH 22.1 量子概念的诞生 量子物理基础 前 言 在20世纪初，发生了三次概念上的革命，它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是狭义相对论（1905年）、广义相对论（1916年）和量子力学（1925年）。 －杨振宁 经典物理（18－19 世纪） 牛顿力学 热力学 经典统计力学 经典电磁理论 19世纪末趋于完善 ? 海王星的发现（勒维耶 Leverrier,1846） ? 电磁理论解释了波动光学 开尔文：大厦基本建成 ··· 两朵乌云 迈克尔逊－莫雷实验 黑体辐射实验 相对论 量子论 量子力学 这两朵乌云开出近代物理的鲜花 近代物理（20世纪） ? 相对论 1905 狭义相对论 1916 广义相对论 ? 量子力学 19世纪末、20世纪初，物理学有两个发现，一是美国人迈克尔逊和莫雷的试验，证明绝对静止的空间是不存在的。而牛顿力学的前提是物体的运动与空间和时间没有关系，即时间和空间在牛顿那里是绝对静止的。二是高温物体辐射形成的光谱分析，即黑体辐射问题。经典物理学不能解释光谱分析中所发现的现象。这两个发现使得经典物理学在新的实践面前无能为力，原有的严密的体系出现了漏洞。因此被人们称为“物理学上空的两朵乌云”。  22.1 量子概念的诞生 第22章 量子物理的基本概念 量子力学是一门奇妙的理论。它的许多基本概念、规律与方法和经典物理的基本概念、规律与方法截然不同。研究对象线度小，活动范围小于10-9米，粒子的能量、角动量等物理量取值分立，完全脱离了经典物理的模式。敲开量子物理大门的首要问题是关于光的本质的认识。光具有波动性，已被大量实验证明，但与物质相互作用的大量实验，使经典的波动理论遇到无法克服的困难，论述由此展开。 1900年，普朗克在研究黑体辐射时提出能量量子化假说，揭开20世纪物理学革命的序幕； 1905年，爱因斯坦用光量子假说解释光电效应； 1913年，玻尔创造性地将量子概念应用于卢瑟福的原子模型，建立半经典半量子的氢原子理论，说明了氢原子光谱的规律； 1926年，薛定谔提出薛定谔方程，建立量子力学。 一、热辐射 任何物体在任何温度下都要向外辐射各种波长的电磁波，这种辐射称为热辐射 热辐射与温度密切相关。同一物体在不同温度下的热辐射情况不同，其热辐射能量按波长的分布不同 一定温度下的物体不仅向周围辐射电磁波，同时也吸收外来的电磁波，而且，辐射本领大的物体，其吸收本领也大。 一般物体对外来电磁波只是部分吸收，其吸收本领除了和温度有关外，还和物体的结构及表面情况有关，并且表现出对波长的选择性。能全部吸收各种外来电磁波的物体称绝对黑体，简称黑体 实验测得黑体的辐射本领和波长λ的关系如图所示 二、 普朗克假设 普朗克黑体辐射公式 为了找出与实验曲线对应的理论解释，物理学家们作出了不懈的努力，然而，所有在经典物理学范围内进行的种种尝试都以失败而告终，其理论预言和实验结果相去甚远，惟有普朗克的工作独树一帜。1900年，德国物理学家普朗克在对实验曲线作了详细分析的基础上，用内插法找到了与实验曲线对应的数学表达式： 普朗克认为：黑体中的分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子的能量状态是分立的，相应的能量是某一最小能量的整数倍。 量子假说打破“一切自然过程能量都是连续的”经典看法。 普朗克量子假设是量子力学的里程碑. 一 光电效应实验的规律 V A 1 实验装置及现象 2 实验规律 （1）光电流强度与入射光强成正比. （2）截止频率（红限） 截止频率与材料有关与光强无关. 对某种金属来说，只有入射光的频率大于某一频率?0时，电子才会从金属表面逸出. ?0称为截止频率或红限频率. 使光电流降为零所外加的反向电压称为遏止电压 ，对不同的金属， 的量值不同. （3）遏止电压 22.2 光的粒子性的提出 遏止电压与入射光频率具有线性关系. （4） 瞬时性 实际延迟时间在10-9 s以下 O 按经典理论,电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累, 与实验结果不符. 3 经典理论遇到的困难 红限问题 瞬时性问题 按经典理论,无论何种频率的入射光,只要强度足够大，就能使电子逸出金属. 与实验结果不符. 二 光子 爱因斯坦方程 1 “光量子”假设 光可看成是由光子组成的粒子流，单个光子的能量为