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1、量子物理学基础量子物理学基础 第第 1919 章章 引引 言言 十九世纪末，十九世纪末，经典物理经典物理已发展得相当成熟，已发展得相当成熟， 人们认为，对物理现象本质的认识已经完成。人们认为，对物理现象本质的认识已经完成。 更使人感到经典物理似乎可以解决所有问题。更使人感到经典物理似乎可以解决所有问题。 当时，著名的英国物理学家当时，著名的英国物理学家J.J.汤姆孙汤姆孙曾说道：曾说道： “物理学的大厦已基本建成，物理学的大厦已基本建成， 后辈物理学家只要后辈物理学家只要 做些修补工作就行了。做些修补工作就行了。 ” 电磁理论对波动光学的成功解释，电磁理论对波动光学的成功解释， 然而在人类即将
2、跨入然而在人类即将跨入20世纪的时候，世纪的时候， 了某些无法用经典理论解释的实验现象了某些无法用经典理论解释的实验现象 。 却发现却发现 去寻找新的解决途径。去寻找新的解决途径。 这些矛盾迫使人们跳出传统的物理学框架，这些矛盾迫使人们跳出传统的物理学框架， 相对论相对论 量子论量子论 1900190019261926年是量子力学的酝酿时期，此时的量年是量子力学的酝酿时期，此时的量 子力学是半经典半量子的学说，称为旧量子论。子力学是半经典半量子的学说，称为旧量子论。 波尔（丹麦）波尔（丹麦） 1885-1962 1922年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 爱因斯坦（德）爱因斯坦（德） 18791
3、879- -19551955 1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 普朗克（德）普朗克（德） 18581858- -19471947 1918年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 19261926年，海森堡和薛定谔从不同出发点建立了年，海森堡和薛定谔从不同出发点建立了 量子力学。量子力学。 19281928年，狄拉克统一相对论和量子论的成就。年，狄拉克统一相对论和量子论的成就。 海森堡（德）海森堡（德） 1901-1976 1932年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖 薛定谔（奥地利）薛定谔（奥地利） 18871961 1933年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 狄拉克（英）狄拉克（英） 190
4、21984 1933年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 量子力学是研究原子量子力学是研究原子、分子和凝聚态物质的分子和凝聚态物质的结构和性质的理论基础结构和性质的理论基础，在化学在化学、生物生物、信息信息、激光激光、能源和新材料等方面的科学研究和技术能源和新材料等方面的科学研究和技术开发中开发中，发挥越来越重要的作用发挥越来越重要的作用。 Media : Xenon on Nickel (110) 氙原子氙原子 Eigler, IBM Media: Iron on Copper (111) 铁原子铁原子 Lutz 2 2 1 iiii练习练习2.2. 以一定频率的单色光照射在某种金属上，以一定频
5、率的单色光照射在某种金属上， 测出其光电流曲线如图中实线所示。然后测出其光电流曲线如图中实线所示。然后 在在光强不光强不 变的情况下，增大照射光的频率，变的情况下，增大照射光的频率，测出其光电流曲测出其光电流曲 线如图中虚线所示，不计转换效率与频率的关系，线如图中虚线所示，不计转换效率与频率的关系， 下列哪一个图是正确的？下列哪一个图是正确的？ UAeAmvAhm,U2 21不变不变 答案答案（d d） 光强光强 Nh I m i N , , , 不变不变 例题例题 钾的光电效应的红限波长为钾的光电效应的红限波长为 o= 620 nm ， 求（求（1）钾电子的逸出功；（）钾电子的逸出功；（2）
6、在）在 = 300 nm 的的 紫外线照射下，钾的截止电压为多少？紫外线照射下，钾的截止电压为多少？ 34809196.63 103 10 620 103.21 10JhcAh 解解 c eU A mv A h 2 2 1 2.14 V c U 光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用 2)2)光控继电器光控继电器 放大器放大器 控制机构控制机构 可以用于自动控制，自动计数、可以用于自动控制，自动计数、 自动报警、自动跟踪等。自动报警、自动跟踪等。 1)1)光电管：光电管： 将光信号转换成电信号将光信号转换成电信号 3)3)光电倍增管光电倍增管 可对微弱光线进行可对微弱光线进行 放
7、大，可使光电流放大放大，可使光电流放大 10105 510108 8 倍，灵敏度高，倍，灵敏度高， 用在工程、天文、科研、用在工程、天文、科研、 军事等方面。军事等方面。 K1K2K3K4K5KA一一、实验规律实验规律 1922 23年康普顿研究了年康普顿研究了X射线在石墨上的散射射线在石墨上的散射 19.2 康普顿效应康普顿效应 光阑光阑 X 射线管射线管 探探 测测 器器 X 射线谱仪射线谱仪 光栅光栅 0 散射波长散射波长 , 0 石墨体石墨体 (散射物质散射物质) 0 散射曲线的三个特点：散射曲线的三个特点： 1、除原波长、除原波长 0外，出现了外，出现了 移向长波方向的新的散射波移向
8、长波方向的新的散射波 长长 . 2、新波长、新波长 随散射角随散射角 的的 增大而增大。增大而增大。 3、当散射角增大时，原波、当散射角增大时，原波 长的谱线强度降低，而新波长的谱线强度降低，而新波 长的谱线强度升高。长的谱线强度升高。 散射出现了散射出现了 0的现象，的现象， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9、o （A） 0.709 0.749 波长波长 . . . . . . . o0 o45 o90 o135 称为称为康普顿散射。康普顿散射。 二二. . 经典物理遇到的困难经典物理遇到的困难 经典物理无法解释经典物理无法解释康普顿效应！康普顿效应！ 根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质 时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频 率等于入射光频率，所以它所发射的散射率等于入射光频率，所以它所发射的散射 光频率应等于入射光频率光频率应等于入射光频率: : 0 三三. . 用光子论解释康普顿效应用光子论解释康普顿效应 (1) (1)
10、基本思想基本思想 X X射线（光子流）与散射物质相互作用情况与散射线（光子流）与散射物质相互作用情况与散 射物质种类无关射物质种类无关 光子光子 电子电子 弹性碰撞弹性碰撞 束缚强束缚强 光子光子 整个原子整个原子 m自由电子热运动能量自由电子热运动能量 光子光子 静止自由电子静止自由电子 弹性碰撞弹性碰撞 能量守恒能量守恒 动量守恒动量守恒 0 01ehp ehp 1vmp 20 h 0e hemv光子光子 电子电子 碰撞前碰撞前 碰撞后碰撞后 oo1hchE hcE 1e1 hp 2 2cmEo 02 p2 2mcE mp 2o ohpe1建立方程建立方程 动量守恒：动量守恒： 由能量守恒
11、：由能量守恒： 质速关系：质速关系： 20)(1cmm 余弦定理：余弦定理： 0 01ehp ehp 1vmp 22 mc 2 c m o hc hc o 光子光子 电子电子 碰撞前碰撞前 碰撞后碰撞后 oo1hchE hcE 1e1 hp 2 2cmEo 02 p2 2mcE mp 2o ohpe1 m h e h o e o 2 2 m cos 2 0 2 h ) ( 2 h ) ( 2 0 h 求解得：求解得： 令令 o A024. 00 cmhc 电子的康普顿波长电子的康普顿波长 2sin22 0 c 证明了爱因斯坦光子理论的正确性证明了爱因斯坦光子理论的正确性 证明了能量守恒、动量守
12、恒定律的普适证明了能量守恒、动量守恒定律的普适 性性 证明相对论效应在宏观、微观均存在证明相对论效应在宏观、微观均存在 康普顿公式康普顿公式 理论结果与实验相符，理论结果与实验相符， 只与只与 有关，有关， 2 sin 2 2 0 c m h ) cos 1 ( 0 0 c m h 康普顿康普顿 （A. H.Compton) 美国人美国人(1892-1962） 这个发现这个发现 “在当时的物理学家中引起轰动在当时的物理学家中引起轰动”， “这可能是当前物理学现状中能够作出的这可能是当前物理学现状中能够作出的 最重要的发现最重要的发现” -索末菲索末菲 康普顿获康普顿获19271927年诺贝尔物
13、理奖。年诺贝尔物理奖。 例题例题 在康普顿效应中，入射光的波长为在康普顿效应中，入射光的波长为 310-3 nm ， 电子反冲的速度为电子反冲的速度为 0.6c ，求散射光的波长和散射角。，求散射光的波长和散射角。 22 0mchcmh222 02 01cvcmhccmhc = 310-3 nm ，v = 0.6c ，m0 = 9.110-31 kg ， h = 6.6310-34 J s ，c = 3108 m/s 解解 m 1034. 4122sin22sin22 c20cmh7 .65解：解：1 1） 长有：长有：方向观测到的散射光波方向观测到的散射光波在在90 o A1 . 0 o 2 2）反冲电子动能即光子损失的能量反冲电子动能即光子损失的能量 eV4104 . 2 例题：例题： 方向方向在在发生弹性碰撞，发生弹性碰撞，的光子与静止自由电子的光子与静止自由电子设设90A1 . 0 o, ,观测到的散射光波长多少？观测到的散射光波长多少？ 反冲电子的动能、动量为多少？反冲电子的动能、动量为多少？ o A 124 . 0 c o 2 sin 2 2 o o hc k E o hc hc J 15 10 8 . 3 由动量守恒定律：由动量守恒定律： 3 3） 反冲电子动量反冲电子动量 解得解得 23105 . 8 ep1smkg 4438
