第五章节量子力学绪论课件

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1、第 二 篇,量 子 力 学 Quantum mechanics,目 录,第五章 量子力学绪论 第六章 薛定谔方程及应用 第七章 氢原子 第八章 量子力学中的力学量,第 五 章 绪 论,The birth of quantum mechanics,5.1 经典物理学的局限性 5.2 光的波粒二象性 5.3 微粒的波粒二象性 小结,基本内容,学习提要,学习提要,1 光的波粒二象性的实验事实及其解释 2 原子结构的玻尔理论和索末菲的量子化条件 3 德布罗意关于微观粒子的波粒二象性的假设 4 德布罗意波的实验验证：戴维孙-革末实验,从戴维孙-革末的电子衍射实验和电子的单缝、双缝衍射实验认识物质粒子（如

2、电子和分子）在具有粒子性一面外，还具有波动性的一面，即粒子具有波粒二象性。,学习要求,学习要求,1.了解光的波粒二象性的主要实验事实；掌握德布罗意关于微观粒子的波粒二象性的假设和索末菲的量子化条件。,2.掌握德布罗意公式和德布罗意波,德布罗意关系：,德布罗意波：,近几十年来，在不同领域相继发现了宏观量子效应（如超导现象，超流现象，乃至一些天体现象），表明宏观世界的物质运动也遵循量子力学规律，人们所熟知的经典力学规律只是量子力学规律在特定条件下的一个近似。,量子力学是将物质的波动性与粒子性统一起来的动力学理论，是20世纪初研究微观世界中粒子的运动规律建立起来的。,引言,引言,量子力学这门学科的性

3、质决定了它在近代物理学与科学技术乃至国民经济发展中的地位。目前，它已广泛地应用到基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚态物理直到中子星、黑洞各个层次的研究，并且现代技术从集成电路、电子计算机到量子计算机，从原子弹、氢弹到核电站，从激光技术、超导技术到固体材料、纳米技术，无不以量子力学为其理论基础。可以毫不夸张地说，没有量子力学就没有现代的科学技术。,量子力学与相对论被称为当今物理学与现代科学技术的两大支柱。,量子力学的学术地位,十九世纪末叶，物理学理论在当时看来己发展到相当完善的阶段，其各个分支已经建立起系统的理论：,在经典物理学的辉煌成就面前，有的科学家认为物理学已大功告成。绝对温标的创始人开尔

4、文在1889年新年贺词中说： “19世纪已将物理大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修饰、完美这所大厦了”。,经典力学从牛顿三大定律发展为分析力学 电磁学与光学发展成为麦克斯韦理论 热学在建立了以热力学定律为基础的宏观理论的同时，玻尔兹曼和吉布斯建立了称之为统计物理学的微观理论。,一.经典物理学的成功,5.1 经典物理学的局限性,下面介绍经典物理学遇到的困难，以及如何解决这些困难并导致量子力学的诞生。,二.经典物理学遇到的困难,但是这些信念，在进入20世纪以后，受到了冲击。经典理论在解释一些新的试验结果上遇到了严重的困难。 （1）黑体辐射问题 （2）光电效应 （3）原子光谱的线状结构,5.1

5、经典物理学的局限性(续1),黑体:物体对于外来的辐射有反射和吸收作用。如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为黑体。,黑体辐射问题所研究的是辐射（电磁波）与周围物体处于平衡状态时能量按波长（频率）的分布。,1黑体辐射,一个开有小孔的封闭空腔可看作是黑体。,5.1 经典物理学的局限性(续2),黑体辐射实验事实：,5.1 经典物理学的局限性(续3),辐射热平衡状态: 处于某一温度 T 下的腔壁，单位面积所发射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等时，辐射达到热平衡状态。,实验曲线,热平衡时，空腔辐射的能量密度，与辐射的波长的分布曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温度 T 有关,

6、而与黑体的形状和材料无关。,结论: 在短波（高频）部分与实验符合得很好，但长波（低频）部分与实验则明显不一致。, 1896年, 维恩根据经典热力学得出：,短波吻合好,长波段不一致,（1）维恩（Wein德国物理学家）的解释,获得1911年诺贝尔物理学奖,5.1 经典物理学的局限性(续4),（2）瑞利金斯（Raileigh-Jeans英国物理学家）的解释,结论:在长波（低频）部分与实验符合，短波部分不符合。, 1900年, 瑞利和金斯用能量均分定理和电磁理论(驻波法) 得出：,5.1 经典物理学的局限性(续5),此外存在“紫外光的灾难”,光照射到金属上，使金属中的电子逸出的现象，这种现象称为光电效

7、应,逸出的电子称为“光电子” 。,光电效应的实验规律,赫兹：18861887 勒纳德：1889,G：测量光电流 U：测量AK电压,5.1 经典物理学的局限性(续6),2光电效应,5.1 经典物理学的局限性(续7),试验发现光电效应有两个突出的特点：,1.临界频率 只有当光的频率大于某一定值时 ，才有光电子发射出来。若光频率小于该值时，则不论光强度多大，照射时间多长，都没有电子产生。光的这一频率 称为临界频率。 2.光电子的能量只是与光的频率有关，与光强无关，光强只决定光电子数目的多少。,光电效应的这些规律是经典理论无法解释的。 按照光的电磁理论，光的能量只决定于光的强度而与频率无关。,此外，光

8、电效应具有瞬时性，其响应速度很快10-9 秒。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量需要时间。,3. 原子光谱与原子结构,5.1 经典物理学的局限性(续8),氢原子光谱有许多分立谱线组成，这是很早就发现了的。1885年瑞士巴尔末(Balmer)发现紫外光附近的一个线系，并得出氢原子谱线的经验公式,即著名的巴尔末公式：,后来又发现了一系列线系，它们可用下面公式表示：,人们自然会提出如下三个问题：,1.原子线状光谱产生的机制是什么？ 2.怎样的发光机制才能认为原子的状态可以用包 含整数值的量来描写? 3.光谱线的频率为什么有这样简单的规律？,5.1 经典物理学的局限性(续9),这些问题，经典物理学不

9、能给于解释。首先，经典物理学不能建立一个稳定的原子模型。根据经典电动力学，电子环绕原子核运动是加速运动，因而不断以辐射方式发射出能量，电子的能量变得越来越小，因此绕原子核运动的电子，终究会因大量损失能量而“掉到”原子核中去，原子就“崩溃”了，但是，现实世界表明，原子稳定的存在着。,除上述黑体辐射、光电效应、原子光谱与原子结构三种情况之外，还有一些其它实验现象在经典理论看来是难以解释的，这里不再累述。,总之，新的实验现象的发现，暴露了经典理论的局限性，迫使人们去寻找新的物理概念，建立新的理论，于是量子力学就在这场物理学的危机中诞生。,5.1 经典物理学的局限性(续10),黑体可看作一组连续振动的

10、带电谐振子，这些谐振子的能量应取分立值，这些分立值都是最小能量的整数倍，这些分立的能量称为谐振子的能级。,Planck-德国物理学家，,5.2 .光的波粒二象性,1.普朗克（1900年）对黑体辐射的解释,可见：黑体与辐射场交换能量只能以 为单位进行，亦即黑体吸收或发射电磁辐射能量的方式是不连续的，只能量子地进行，每个“能量子”的能量为,基于能量子假设，Planck利用统计物理推导出与实验符合得很好的黑体辐射公式Planck公式：,其中 （称为Planck常数）,5.2 光的波粒二象性(续1),注：Planck的“能量子”假说与经典物理中振子的能量是连续的相抵触。可见，Planck理论突破了经典

11、物理学在微观领域的束缚，打开了认识光的粒子性的大门。,Planck公式,讨论,1918年Planck由此获得诺贝尔物理学奖,5.2 光的波粒二象性(续2),光子的能量,光子的动量,在Planck能量子假设的启发下，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，他认为，不仅黑体与辐射场的能量交换是量子化的，而且辐射（光）是由一颗颗具有一定能量的粒子组成的粒子流（粒子以速度c在空间运动），这些粒子称为光子（光量子）,（ 波矢量）,5.2 光的波粒二象性(续3),2.爱因斯坦（1905年）对光电效应的解释,光电效应的解释,（光电效应方程）,当 or 无电子逸出,当 or 有电子逸出,5.2 光的波粒二象性(续4)

12、,（ 临界频率）,在 的条件下,当 越大，即光强越强，光子密度大，产生电子数越多,1916年，密立根实验证实了光子论的正确性，并测得 h =6.5710-34 焦耳秒。,光的波动性 和粒子性 是通过普朗克常数联系在一起的。,Einstein因发现光电效应定律获得了1923年的诺贝尔物理学奖。,5.2 光的波粒二象性(续5),1923年，美国物理学家Compton用X射线入射到碳、石墨等原子质量很轻的靶上，进行光散射实验。,5.2 光的波粒二象性(续6),3康普顿散射(19221923),Compton 散射是对光的粒子性的进一步证实。,康普顿散射实验,5.2 光的波粒二象性(续7),散射实验结

13、果,1 散射的射线中有与入射波长 相同的射线,也有波长 的射线.,2 散射线中波长的改变量 随散射角 的增大而增大，即散射后的光其波长随散射角的增加而 增大.,称为电子的康普顿波长,3 同一散射角下 相同,与散射物质无关；原子量较小的物质，康普顿散射效应强。,5.2 光的波粒二象性(续8),（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,（1）经典电磁理论的困难：,碰撞前,5.2 光的波粒二象性(续9),能量守恒：,动量守恒：,散射波的波长随散射角 的增加而增大，与实验结果完全符合。,5.2 光的波粒二象性(续10),1923年威尔逊云室实验观测

14、到了反冲电子轨迹；验证了康普顿解释,康普顿和威尔逊合得1927年诺贝尔物理学奖,康普顿散射实验的意义:,康普顿散射进一步证实了光子论(光的量子性），证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒二象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。,5.2 光的波粒二象性(续11),小结：以上三个问题，都属于经典物理（实际上是经典电磁波理论）所遇到的困难，解决困难的共同点就是电磁波的能量不再看作是连续的，而必须看成是能量量子化的。从这点上来说，上述三个问题都体现了光的粒子性，但不能否定光的波动性，因波动早被光的干涉，衍射等现象证实，因此，概括起来，光具有波动和粒子二重性质，称为

15、光的波粒二象性。,Planck-Einstein方程,作为粒子的能量E 和动量 与波动的频率 和波矢 由 Planck-Einstein 方程联系起来。,5.2 光的波粒二象性(续12),Planck常数：,5.2 光的波粒二象性(续13),另一方面我们也看到，在新的理论中，Planck常数 起着关键作用，当 h 的作用可以略去时，经典理论是适用的，当 h 的作用不可忽略时，经典理论不再适用。因此，凡是 h 起重要作用的现象都称为量子现象。,5.3. 微粒的波粒二象性,一.原子结构的玻尔理论,前面己经看到，经典物理的另一类困难来自原子结构和原子谱线。由经典的力学和电磁理论得不到稳定结构的原子和

16、离散的原子谱线,1912年，时年27岁的丹麦物理学家玻尔（Bohr）来到卢瑟福（Rutherford）实验室对原子结构的谱线进行研究，为解释氢原子的辐射光谱，1913年提出原子结构的半经典理论，其假设有两点：,获得1922年诺贝尔物理学奖,（1）特定的定态轨道,轨道量子化条件:,（2）定态跃迁频率,原子处于定态时不辐射，但是因某种原因，电子可以从一个能级 En 跃迁到另一个较低（高）的能级 Em ，同时将发射（吸收）一个光子。光子的频率为：,5.3 微粒的波粒二象性(续1),1.玻尔假设,氢原子中的电子绕核作圆周运动,角动量,能量,2.玻尔理论对氢原子光谱的解释,里德伯方程：,5.3 微粒的波粒二象性(续2),里德伯常数,与实验完全一致,3.量子化条件的推广,由理论力学知，若将角动量 L 选为广义动量，则为广义坐标。考虑积分并利用 Bohr 提出的量子化条件，有,索末菲（Sommerfeld)将 Bohr