《05-1-第1章-波粒二象性-量子力学-大学物理-海南大学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《05-1-第1章-波粒二象性-量子力学-大学物理-海南大学（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、量子物理引言 一、物理学的分支及发展的总趋势 物理学 经典物理力学、热学、电磁学、光学； 现代物理相对论、量子论、非线性物理学；量子物理引言 二、关键概念的发展历史量子物理引言 三、近年来的发展 粒子物理高能加速器产生新粒子，已发现300种。 麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、规范场理论、重整化方法。 天体物理运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。量子物理引言 三、近年来的发展 存在的问题 太阳中微子短缺问题； 引力波存在的问题； 物体的速度能否超过光速的问题； 生物物理有机体遗传程序的研究 有机
2、体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计物理、非平衡热力学、X射线、电子能谱和核磁共振技术等）。量子物理引言 四、物理学发展的总趋向 学科之间的大综合。 相互渗透结合成边缘学科。 例如：生物物理、生物化学、物理化学、量子化学、量子电子学、量子统计力学、固体量子论。量子物理引言 四、物理学发展的总趋向 二十世纪物理学中两个重要的概念 场和对称性 从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出：（1）黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难”问题；（2）光电效应和康普顿效应的解释问题；（3）原子的稳定性和大小问题。第一章波粒二象性 一、黑体辐射 二、光电效应 三、光的二象性光子 四、康普顿散射 五、粒子的
3、波动性 六、概率波与概率幅 七、不确定关系当物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量，物体和辐射场达到热平衡，称为平衡热辐射。这时物体的温度固定。以下只讨论平衡热辐射。 0 ) ( ) ( d T M T M 辐出度（总辐射本领）M（T） 一、黑体辐射 单位时间内从物体单位表面发出的波长在 附近单位波长间隔内的电磁波的能量称为单色辐出度（单色辐射本领）M SI单位W/m 32.黑体辐射的基本规律 黑体：能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体 一、黑体辐射 物体辐射的电磁波和吸收的电磁波相同（实验结果） 黑体能完全辐射各种波长的光，M 最大且只与温度有关而和材料及表面状态无关 利用黑体可撇开材
4、料的具体性质来普遍地研究热辐射本身的规律维恩设计的黑体 不透明材料空腔开一个面积远小于空腔内表面积的小孔。小孔能完全吸收各种波长的入射电磁波而成为黑体。 斯特藩玻耳兹曼定律 M(T)= T 4 其中 =5.67 10 -8 W/m 2 K 4 ，称为斯特藩 玻耳兹曼常量。 一、黑体辐射维思位移定律 一、黑体辐射 mT = b b = 2.89775610 -3m K 如太阳 k T 6000 ，白光 nm 500 max 白炽灯 k T 2000 色泽偏红 nm 1448 max 3.经典物理的困难 空腔壁产生的热辐射可想象成以壁为节点的许多驻波。 一、黑体辐射 由经典理论导出的M (T) 公
5、式都与实验结果不符合！4.普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 一、黑体辐射 普朗克假定（1900） 对频率为 的电磁辐射，物体只能以h 为能量单位发射或吸收它。 h =6.626075510 -34Js是 普朗克常数 经典量子 能量普朗克公式 一、黑体辐射 1 / 1 5 2 2 kT hc e h c T M 5.宇宙背景辐射 AA.Penzias 和RWWilson（1964）在用射电望远镜探测中性氢原子谱时，发现了T = 3.1 K的宇宙背景辐射, 这是宇宙大爆炸后留下的充满整个宇宙的电磁辐射。 一、黑体辐射二、光电效应 1.实验装置和相关概念 金属及其化合物在电磁辐射下发射电子的现象称为
6、光电效应，所发射的电子称为光电子。 K阴极，A阳极二、光电效应 2.实验规律 i m1 i m2 -U c （1）饱和光电流强度i m与入射光强I 成正比。二、光电效应 i m1 i m2 -U c （2）截止电压U c 电子能从K A，说明电子具有动能；加反向电压， U =U c时，光电流i 才为零，光电子具有最大初动能 2 2 1 m c mu eU 二、光电效应 （2）截止电压U c 随入射光频率线性增加,与光的强度无关。 2 2 1 m c mu eU U c= K -U 0 4.0 6.0 8.0 10.0 (10 14 Hz) 0.0 1.0 2.0 U c(V) Cs Na C
7、a 0 2 2 1 eU eK mu m K 是与金属种类有关的一个常量。 则二、光电效应 （3）只有当入射光频率 v大于一定的频率v 0 时 ，才会产生光电效应。 U c= K -U 0 0 2 2 1 eU eK mu m 称为截止频率或红限频率，相应的波长称为红限波长。 K U 0 0 0 0 0 Ke K U Ke eU eK二、光电效应 （4）只要 0 ，无论光多微弱，从光照射阴极到光电子逸出的响应时间都不超过10 -9 s。 几种金属的红限频率二、光电效应 3.经典理论的困难 按照光的经典电磁理论： （1）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！ （2）
8、光波的能量分布在波面上，为克服逸出功（work function，电子逸出金属表面时克服阻力做的功），阴极电子吸收能量需要一定的时间积累，光电效应不可能瞬时发生！ （3）光电子初动能应该与入射光强度成正比。三、光的二象性光子 1.爱因斯坦光子理论 表面上看起来连续的光波是量子化的。单色光由大量不连续的光子组成。若单色光频率为，那么每个光子的能量为 Eh 普朗克常数h = 6.626075510 -34Js 光子具有“整体性”。一个光子只能“整个地” 被电子吸收或放出。三、光的二象性光子 2.爱因斯坦对光电效应的解释 按照爱因斯坦光子理论：光照射到金属K极，实际上是单个光子能量为h 的光子束入射
9、到K极，光子与K 极内的电子发生碰撞。当电子一次性地吸收了一个光子后，便获得了h 的能量而立刻从金属表面逸出，没有明显的时间滞后，这也正是光的“粒子性”表现。 （1）瞬时性三、光的二象性光子 光照射到金属表面，一个光子的能量可立即被金属中的自由电子吸收。但只有当入射光的频率足够高，以致每个光量子的能量h 足够大时，电子才有可能克服逸出功A 逸出金属表面。 A h u m m 2 2 1 称为光电效应方程 逸出电子的最大初动能为三、光的二象性光子 （2）存在截止频率 0 有 eK h 0 eU A 由此式可以测量普朗克常数。 所以，当A /h 时，电子的能量不足以克服逸出功而发生光电效应。 h
10、A K U 0 0 红限频率 0 2 2 1 eU eK mu m A h u m m 2 2 1 比较三、光的二象性光子 金属 钨 钙 钠 钾 铷 铯 红限 0 （0 14 Hz） 10.9 7.73 5.53 5.44 5.15 4.69 逸出功A （eV） 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13 1.94 几种金属的红限频率和逸出功三、光的二象性光子 （3）饱和光电流与入射光强成正比 当外来光频率和电压固定时，光强增大，意味着撞击金属表面的光子数增多。只要v v 0 ，被撞击出来的光电子数目就按比例增大，饱和光电流也就越来越大。三、光的二象性光子 3.光的二象性 爱因斯坦光的“
11、粒子性” 麦克斯韦光的“波动性” 这里的粒子不是经典意义上的“单纯”粒子，波也不是经典意义上的“单纯”电磁波！而是光的本性在两个不同的则面的反映！光的这种本性称为波粒二象性。三、光的二象性光子 光子能量 E = h 因为 光子质量 由相对论质能关系，E = mc 2 c h c h m 2 可得 2 2 0 1 c m m 所以，光子的静止质量为零。三、光的二象性光子 光子动量 由相对论能量-动量关系， 4 2 0 2 2 2 c m c p E 对光子，m 0 = 0 所以，光子动量 c h c E p 或 h p 例 P.14四、康普顿散射 1.实验装置 康普顿（A.H.Compton）1
12、923年研究了X射线与石墨的散射。四、康普顿散射 2.实验结果 X 射线通过物质散射时，波长发生变化，散射后的波长有两个峰值，一个与原来波长相同，而另一个较长的 与散射角有关。 = 0 o45 o90 o135 o 这种有波长改变的散射称为康普顿散射或康普顿效应。四、康普顿散射 3.经典解释 单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时，引起受迫振动，向各方向辐射同频率的电磁波。对于存在的散射光的波长变化经典理论不能作出合理解释！ 四、康普顿散射 4.光子理论的解释 定性说明 光子与电子作弹性碰撞，光子传递一部分能量给电子，光子的能量减少，波长变长。 四、康普顿散射 定量计算 X 射线光子与“静
13、止”的“自由电子”弹性碰撞。 e n c h 0 0 n c h m m n h n h mc h c m h 0 0 2 2 0 0 碰撞过程中能量与动量守恒四、康普顿散射 散射后的X光子波长偏移 称为康普顿散射公式，波长偏移只与散射角有关。 ) cos 1 ( 0 0 c m h nm c c m h 3 10 43 . 2 0 称为电子的康普顿波长,它与短波X 射线的波长相当。四、康普顿散射 讨论 康普顿散射进一步证实了Einstein的光子理论，光确实具有波粒二象性。另外证明光电相互作用过程严格遵守能量、动量守恒定律。 散射后为什么还有原波长的峰值？ 当光子与束缚电子碰撞时，是与整个原子碰撞，失去能量较少，散射后频率几乎不变。这种波长不变的散射称为瑞利散射。 为什么选用X 射线观察？四、康普顿散射 5.康普顿散射二步过程 例 P.20五、粒子的波动性 1.德布罗意假设 1924年，德布罗意问道：“整个世纪以来，在光学上，比起波动的研究方法来，是过于忽视了粒子的研究方法，在物质理论上，是否发生了相反的错误呢；是不是我们把关于粒子的图象想得太多，而过份地忽视了波的图象?” 光(波)具有粒子性 实物粒子具有波动性五、粒子的波动性 德布罗意假设 实物粒子具有波动性。并且 与粒子相联系的波称为概率波 h mc h E v 2 或德布罗意波 m h p h
