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1、前 言 经典物理（1819 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 迈克尔逊莫雷实验 黑体辐射实验 量子论 量子力学 相对论 近代物理（20世纪） 相对论 1905 狭义相对论 1916 广义相对论 引力、天体 量子力学 1 一、旧量子论的形成（冲破经典量子假说） 1900 Planck 振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化 二、量子力学的建立（崭新概念） 1923 de Broglie 电子具有波动性 1926 - 27 Davisson, G.P.Thomson 电子衍射实验 1925 He
2、isenberg 矩阵力学 1926 Schroedinger 波动方程 1928 Dirac 相对论波动方程 2 三、量子力学的进一步发展（应用、发展） 量子力学原子、分子、原子核、固体 量子电动力学(QED)电磁场 量子场论原子核和粒子 进一步认识的问题 3 19281929 建立能带理论并由实验证实 1947.12 发明晶体管 1962 制成集成电路 1971 intel 4004微处理器芯片 2300晶体管 1982 80286 13.4万 1989 80486 120万 固体物理 1997 pentium2 750万 1993 pentium 320万 1995 pentium MM
3、X 550万 没有晶体管 、超大规模 集成电路， 就没有计算 机的普遍应 用和今天的 信息处理技 术 4 第5篇 量子论 第16章 早期的量子论 第18章 固体的能带结构 第19章 粒子物理学简介 第17章 量子力学 5 第16章 早期的量子论 16.1 量子论的提出 16.3 爱因斯坦的光量子论 16.4 玻尔的原子量子理论 16.5 康普顿效应 16.6 激光 16.2 卢瑟福的原子结构模型 6 *16.1 量子论的提出 一. 黑体辐射 绝对黑体(黑体)：能够全部吸收各种波长的辐射且不 反射和透射的物体。 物理学晴朗天空中 的一朵乌云! MB 瑞利 金斯公式 (1900年) 维恩公式 (1
4、896年) “紫外灾难” 实验 7 二. 普朗克能量子假说 (1918年诺贝尔物理奖) 实验 T=1646k 维恩 瑞利-琼斯 普朗克理论值 l物体发射或吸收电磁辐射时， 交换能量的最小单位是“能量子 ” = h l辐射黑体中的分子和原子可看做线性谐振子； l振动时向外辐射能量（也可吸收能量）； l振子的能量不连续 E = n n = 1, 2 , 3, . = h 能量子 8 16.2NuclearConstitutionofAtoms 1.Historyoftheatom 2.NuclearConstitutionofAtoms scatteringexperimentsof-partic
5、les He 2 4 Atomic number thenumberofprotonsinanatom Atomic mass thenumberofprotonsand neutronsinanatom !Noelectron m7300me 9 A. Methods of the experiments He goldfoil 10 B. Results of the experiments Mostofthealphaparticlespassedright throughthegoldfoil,asmallnumberof alphaparticlespassedthroughatan
6、 angle(asiftheyhadbumpedupagainst something)andsomebouncedstraight backlikeatennisballhittingawall. 11 C.Discussion (a).IfPLUMPUDDING MODELiscorrect Theinteractionsofalpha particleswithelectrons areunconsidered,sothe interactionofalpha particleswiththe positivelycharged materialsis F r R !ThePLUMPUD
7、DINGMODELis incorrect 12 Theinteractionofalpha particleswiththe positivelycharged materialsis R r F (b).NuclearConstitutionofAtoms 13 光电效应是赫兹在1887 年发现的， 1896年汤姆逊发现了电子 之后，勒纳德证明了光电 效应中发出的是电子。 光电效应 光照射某些金属时能从表面释放出电子的效应。 V G OO OO OO B OO 照射光 . KA 光电管 16.3 爱因斯坦的光量子论 产生的电子称为光电子。光 电子在电场作用下在回路中 形成光电流。 14 入
8、射光频率一定 一、 光电效应的实验规律 1. 饱和电流 iS 2. 遏止电压 Ua iS 光电子数光强I （I, v) AK U iS3 iS1 iS2 I1 I2 I3 Ua U i I1I2I3 i 遏止电压 饱和电流 相当于单位时间从K极释放 的e全部到达阳极A。 iS1iS2 iS3 遏止电压的存在说明 光电子具有初动能 15 4.06.08.010.0 (1014Hz) 0.0 1.0 2.0 Ua(V) CsNaCa Ua= K - Uo(与入射光强无关) e(K - Uo) 结论： 光电子的初动能随入 射光的频率线性增加 ，与入射光的强度无 关。 实验指出：遏止电压和入射光频率有
9、线性关系， 即： 所以 16 3. 存在红限 对一给定的金属, 当入射光的频率小于某红限频率时, 就没有光电子逸出(即没有光电流)。 4.立即发射，驰豫时间不 超过10-9s。 0 不同物质具有不同 的红限频率。 红限频率 4.06.08.010.0 (1014Hz) 0.0 1.0 2.0 Ua(V) CsNaCa 17 二、经典物理与实验规律的矛盾 l 电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量( 与光强 I 有关) 逸出，不应存在红限 0 。 l 当光强很小时，电子逸出须经较长时间能量积累。 l 只有光的频率 0 时，电子才会逸出。 l 逸出光电子的多少取决于光强 I 。 l 光电子
10、即时发射，滞后时间不超过 109s。 总结 l 光电子最大初动能和光频率 呈线性关系。 l 光电子最大初动能取决于光强，与光的频率 无关 18 三.爱因斯坦光子说 (1921年诺贝尔物理奖) 逸出功： 光不仅在吸收和辐射时是以能量为h的颗粒(光子) 形式进行的, 而且以这种颗粒的形式以光速c在空 间传播。 即:一束光是一束以光速c运动的粒子(光子)流。 光电效应方程: （普朗克常量h=6.6310-34J.s） 19 (2)光子的质量 动质量： 静质量： (光子的速度 =c) (3)光子的动量 c = mo=0 小结：光子的特性 (1)光子的能量 E =h =hc/ 20 解： (1) c =
11、 h= 6.6310-34 =6.5105(m/s) 例题16.3.1 真空中一孤立金属球的红限波长o=6500， 入射光波长 =4000，试求: (1)发射出的光电子的初速度； (2)若金属球半径R =30cm，该球能放出多少个光电子？ 21 金属球发出光电子后，电势就会升高，升 高到遏止电压Ua时就不再发射光电子了。 Ua=1.19 (V) =2.48108个 (2)若金属球半径R=30cm，该球最多能放 出多少个光电子？ 22 例16.3.2 波长为 的光投射到一金属表面，发射出 的光电子在匀强磁场B中作半径R的圆运动，求: (1)入射光子的能量、质量和动量； (2)此金属的逸出功及遏止
12、电势差。 解 (1)E = hp =mc =h/ c ,= hc/ ,=h/ (2) 由得 23 例16.3.3 一定频率的单色光照射到某金属表面,测出光 电流曲线如实线所示；然后光强度不变、增大照射光的 频率，测出光电流曲线如虚线所示。满足题意的图是 (D) U i o (B) U i o (C) U i o (D) U i o (A) 若 则 N 24 作业 习题册：习题二十七 光量子性(一) 25 16.4 玻尔的氢原子理论 不同原子的辐射光谱完全不同，因此研究原子光 谱的规律是探索原子内部结构的重要方法。 一.氢原子光谱的实验规律 1.氢原子光谱是由一些分立的细亮线组成，即是 分立的线
13、光谱。 656nm 486nm 434nm410nm H HH H 可见光区 26 2. 谱线的波数(波长)由下式确定： m=1, n=2,3, 赖曼系(紫外区); m=2, n=3,4, 巴耳末系(可见光区); m=3, n=4,5, 帕邢系(红外区); (R=1.097107m-1里德伯恒量) 27 3. 里兹并合原理 任何原子谱线的波数均由下式确定： T(m)、T(n), 称为光谱项。 28 1911年，卢瑟福通过粒子散射实验证明: 原子是由带正电的核和在核外作轨道运动的电子组成。 经典物理的困难: 不能解释原子的稳定性问题; 不能解释原子为什么会发出分立线 状光谱。 二.卢瑟福原子核型
14、结构及经典物理的困难 1913年，年仅28岁的玻尔（Niels Bohr），在卢瑟福核 型结构的基础上，创造性地把量子概念应用到原子系统 ，解释了近30年的光谱之谜。 29 三.玻尔氢原子假设 (1)定态假设 原子系统只能处于一系列不连续的能 量状态(能级E1,E2,)；电子虽然在相应 的轨道上绕核作圆周运动，但不辐射能量 。原子系统处于定态。 量子数n=1,2, (3)量子跃迁假设 原子从n跃迁到k发出(或吸收)光的 频率: (2)轨道角动量量子化假设 电子绕核作圆周运动，其轨道角动量: v 30 四.玻尔的氢原子理论 得轨道半径： n=1,2, 玻尔半径 : =5.2910-11m 三条基
15、本假设经典理论(牛顿定律) r r2=4r1 r2=9r1 1. H原子中电子的轨道半径 31 氢原子系统的动能： 氢原子系统的势能： 氢原子系统的能量： n=1,2, 即 2. 定态能量 32 (1) 能量是量子化的负值。 n=1, 基态， E1= -13.6eV, r1=ao ; n=2, 第1激发态， E2= -3.4eV, r2=4ao ; n=3, 第2激发态， E3= -1.51eV, r2=9ao ; n=4, 第3激发态， E4= -0.85eV, r2=16ao ; 能量为负值表示原子中的电子处于束缚态。 n=1,2,. 33 (2)电离能(使基态氢原子中的电子远离核所需作的
16、功)为 E电离 =13.6eV, 与实验很好符合。 (3)当原子从能态En跃迁到Ek时，发射光子的频率为 =1.097107m-1 (里德伯恒量) 34 -13.6eV -3.4eV -1.51eV -0.85eV n=1,2,. n=1(基态) n=2(第1激发态) n=3 (第2激发态) n=4 (第3激发态) 赖曼系 巴耳末系 帕邢系 35 五.玻尔理论的成就与缺陷 2.玻尔理论的局限性 只能计算氢原子和类氢原子的光谱频率； 不能解决光谱线强度与精细结构； 只能解决周期性运动，不能解决非周期性运动。 1.玻尔理论的成功处 提出了动态的原子结构模型； 提出了独创性的微观体系特有的量子规律： 定态、跃迁 成功解释了氢原子和类氢原子的光谱问题，理论 上算出了R，解释并预告了氦离子光谱； 建立了经典力学通向量子力学的桥梁。 36 Rutherford的质疑：当电子从一个能态跳到另外 一个能态时，您必须假设电子事先知道它要往哪 里跳。 Schrdinger的责难：电子从一个轨道跳到另外一 个轨道时，它的速度不能大于光速，必须经历一 定的时间，在这段时间里，电子已经离开了原来 的态，又未到达
