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量子物理到19世纪末,经典物理已经建立了比较完整的理论体系,并取得了极大的成功。经典物理的完善力学:牛顿定律→分析力学→海王星的预言、证实电磁学:总结出了完备的麦克斯韦方程组→电磁波的预言、证实声学统一于力学光学统一于电磁学热力学:建立了系统的理论统计物理对热现象的研究已建立在微观元过程的基础之上研究对象的变化引起的的危机一系列重大实验发现无法用经典物理的理论来解释,迫使 物理学家跳出传统的经典物理的理论框架,最终致了量子物理的诞生!光子photon1926年刘易斯量子理论的提出1900年,普朗克→黑体辐射→能量子爱因斯坦→光电效应→光量子(light quantum)假说1913年,波尔→原子的量子化模型→氢原子光谱1924年,德布罗意→物质的波粒二象性1925年,薛定谔方程波恩、海森堡、狄拉克到20世纪30年代,建立了完整的量子力学理论原子、原子核、基本粒子→宇宙星体、宇宙的形成 第一章 波粒二象性§1 黑体辐射和普朗克的能量子假说一. 基本概念1. 热辐射分子的热运动使物体辐射电磁波定义基本性质温度??发射的能量? ?电磁波的 短波成分?例如:加热铁块能量按频率的分布随温度变化物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量平衡热辐射2. 光谱辐射出射度— Mν 单位时间内从物体单位表面发出的频率在ν附近单位频率间隔内的电磁波的能量。3. 实验表明辐射能力越强的物体,吸收能力也越强二. 黑体和黑体辐射的基本规律1. 黑体能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体,Mν 最大且只与温度有关而和材料及表面状态无关2. 维恩设计的黑体3. 维恩黑体辐射公式高频符合实验结果瑞利-金斯公式4. 瑞利-金斯公式“紫外灾难”5. 普朗克公式维恩公式在全波段与实验结果惊人符合!四. 普朗克的能量子假说1.“振子”的概念(1900年以前) 振子----物体 经典理论:振子的能量取“连续值”2. 普朗克假定(1900年)能量组成腔壁的带电谐振子和腔内辐射交换能量而达到热平衡物体以能量子发射或吸收电磁辐射:E = nh? n=0,1,2,3,…经典量子h= 6.6260755×10 -34 J·s ——普朗克常数“量子”概念的提出获1918年诺贝尔物理学奖6000K4500K3000K3.由普朗克公式可导出两条实验定律 斯特藩—玻尔兹曼定律? = 5.67?10-8 W/m2K4M—黑体全部辐射出射度 维恩位移定律温度为T的黑体辐射中,光谱辐射出射度最大的光的频率随温度的变化§2 光电效应一. 光电效应的实验规律1.光电效应光电效应光电子光→金属→发射电子2.实验装置Uc(V)CsNaCa2.01.00.04.06.08.010.0?(1014Hz)3. 实验规律 Uc= K? - U0与入射光强无关光电子的最大初动能为 只有当入射光频率 v大于一定的频率v0时,才会产生光电效应? 0 称为截止频率或红限频率 光电效应是瞬时发生的驰豫时间不超过10-9s二.经典物理学所遇到的困难按照光的经典电磁理论: 光波的强度与频率无关,电子吸收的能量也与频率无关,更不存在截止频率! 光波的能量分布在波面上,阴极电子积累能量需要一段时间,光电效应不可能瞬时发生!§3 光的波粒二象性一.爱因斯坦的光量子论1.普朗克假定是不协调的只涉及发射或吸收,未涉及辐射在空间的传播。2.爱因斯坦光量子假设(1905) 电磁辐射由以光速c 运动的局限于空间 某一小范围的光量子(光子)组成, 光量子具有“整体性”? = h?3. 对光电效应的解释逸出功A—电子逸出金属表面克服阻力所需功——光电效应方程当 ?<A/h时,不发生光电效应。红限频率二.光的波粒二象性1. 近代认为光具有波粒二象性· 在有些情况下,光突出显示出波动性;而在另一些情况下,则突出显示出粒子性。· 粒子不是经典粒子, 波也不是经典波2. 基本关系式粒子性:能量? ,动量P波动性:波长? ,频率?准直系统入射光? 0 反冲电子散射光?石墨散射体探测器φ§4 . 康普顿散射1. 康普顿研究X射线在石墨上的散射散射的X射线中有波长λ变大的现象2. 康普顿的解释 X射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞 碰撞过程中能量与动量守恒波长偏移-电子的康普顿波长过程讨论: 光子将一部分能量传给电子,ν变小,λ增加 一部分光子波长不变,称为瑞利散射 关于光子不可分的解释:两步过程3. 康普顿散射实验的意义 证明了光的波粒二象性 光子与粒子的作用过程严格遵守动量、能量守恒θ例1-3 波长λ0=0.01nm的X射线与静止的自由电子碰撞。在与入射方向成90°角的方向上观察时,散射X射线的波长多大?反冲电子的动能和动量各如何? 1. 2. 3.§5 粒子的波动性量子力学的基础就是波粒二象性思想一. 德布罗意假
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