南方醫(yī)科大學(xué)《大學(xué)物理》李貞姬-ch13-123-lzj

第十三章早期量子論和量子力學(xué)基礎(chǔ)QuantumPhysics N 玻爾 M 玻恩 W L 布拉格 L V 德布羅意 A H 康普頓 M 居里 P A M狄喇克 A 愛因斯坦 W K 海森堡 郞之萬(wàn) W 泡利 普朗克 薛定諤等 第五次索爾維會(huì)議與會(huì)者合影 1927年 量子力學(xué)基礎(chǔ) 基本要求 1 了解熱輻射的基本規(guī)律 2 掌握普朗克能量量子概念和量子假設(shè) 3 掌握愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 4 理解康普頓散射和光電效應(yīng)中的能量量子化本質(zhì) 5 認(rèn)識(shí)光的本性 波粒二象性 從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理概述 物理學(xué)的分支及近年來(lái)發(fā)展的總趨勢(shì) 尋找以太的零結(jié)果 16世紀(jì)中葉 19世紀(jì)末 物理學(xué)經(jīng)歷了重大突破 伽利略 牛頓 克勞修斯力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理 機(jī)械運(yùn)動(dòng) 熱現(xiàn)象 法拉第 麥克斯韋電磁理論 電磁現(xiàn)象 光 完整的經(jīng)典物理理論體系 人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)到了盡頭 黑體輻射 光電效應(yīng) 原子光譜線 物理學(xué)晴朗的天空出現(xiàn)了幾朵令人不安的 烏云 相對(duì)論和量子理論的誕生撥開了 烏云 深刻改變了人們對(duì)物理世界的了解 1 1經(jīng)典物理學(xué)的困難宏觀物理的機(jī)械運(yùn)動(dòng) 牛頓力學(xué)電磁現(xiàn)象 麥克斯韋方程光現(xiàn)象 光的波動(dòng)理論熱現(xiàn)象 熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為物理學(xué)的重要定律均已發(fā)現(xiàn) 理論已相當(dāng)完善了 以后的任務(wù)只是提高實(shí)驗(yàn)精度和研究理論的應(yīng)用 19世紀(jì)末20世紀(jì)初 在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處還有兩朵小小的 令人不安的烏云 1 紫外災(zāi)難 經(jīng)典理論得出的瑞利 金斯公式 在高頻部分趨無(wú)窮 2 以太漂移 邁克爾遜 莫雷實(shí)驗(yàn)表明 不存在以太 歷史有驚人的相似之處 當(dāng)前 處于21世紀(jì)之初 物理學(xué)碩果累累 但也遇到兩大困惑 夸克禁閉 和 對(duì)稱性破缺 預(yù)示物理學(xué)正面臨新的挑戰(zhàn) 黑體輻射光電效應(yīng)原子的光譜線系固體低溫下的比熱光的波粒二象性玻爾原子結(jié)構(gòu)理論 半經(jīng)典 微觀粒子的波粒二象性量子力學(xué) 經(jīng)典物理學(xué)只適用于宏觀尺度 速度遠(yuǎn)小于光速情形 它是狹義相對(duì)論和量子理論在以上情形的近似理論 警惕 在宏觀尺度上建立起來(lái)的日常生活習(xí)慣認(rèn)識(shí)在近代物理的范疇常常失效 熱輻射 物體中的分子原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射 一 熱輻射現(xiàn)象 Thermalradiation Planck senergyquantumassumption 輻射和吸收達(dá)到平衡時(shí) 物體的溫度不再變化 此時(shí)物體的熱輻射稱為平衡熱輻射Equilibriumthermalradiation 物體輻射電磁波的同時(shí) 也吸收電磁波 物體輻射本領(lǐng)越大 其吸收本領(lǐng)也越大 13 1熱輻射普朗克的能量子假設(shè) 溫度升高 輻射的總功率增大 并且輻射的電磁波的波長(zhǎng)移向短波 例如鐵棒加熱 單色輻射出射度 單色輻出度 一定溫度T下 物體單位面元在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的波長(zhǎng)在 d 內(nèi)的輻射能dE 與波長(zhǎng)間隔d 的比值 輻出度 物體 溫度T 單位表面在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的輻射能 為 溫度越高 輻出度越大 另外 輻出度還與材料性質(zhì)有關(guān) m 說(shuō)明 01 01 75 二 黑體輻射 black bodyradiation 絕對(duì)黑體 黑體 能夠全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射且不反射和透射的物體 黑體輻射的特點(diǎn) 與同溫度其它物體的熱輻射相比 黑體熱輻射本領(lǐng)最強(qiáng) 煤煙 約99 黑體模型 物體熱輻射 黑體熱輻射 溫度 材料性質(zhì) 1 斯特藩 玻耳茲曼定律 1879 式中 輻出度與T4成正比 2 維恩位移定律 1896 峰值波長(zhǎng) m與溫度T成反比 可見光 5000K 6000K 3000K 4000K 黑體單色輻出度隨波長(zhǎng)的變化 三 經(jīng)典物理的解釋及普朗克公式 MB 瑞利 金斯公式 經(jīng)典電動(dòng)力學(xué) 統(tǒng)計(jì)物理 1900年 維恩公式 熱力學(xué) 1893年 普朗克公式 1900年 為解釋這一公式 普朗克提出了能量量子化假設(shè) 實(shí)驗(yàn)曲線 紫外災(zāi)難 電磁波 四 普朗克能量子假設(shè) 必須使諧振子的能量值取分立值 才能得到上述普朗克公式 才能避免 紫外災(zāi)難 既若諧振子頻率為v 則其能量是 等等 首次提出微觀粒子的能量是量子化的 打破了經(jīng)典物理學(xué)中能量連續(xù)的觀念 1918 NobelPrize 普朗克常數(shù)h 6 626 10 34J s 腔壁上的原子 能量 與腔內(nèi)電磁場(chǎng)交換能量時(shí) 諧振子能量的變化是 能量子 的整數(shù)倍 德國(guó)物理學(xué)家 量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人 由于創(chuàng)立了量子理論獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金 普朗克假說(shuō)不僅圓滿地解釋了絕對(duì)黑體的輻射問(wèn)題 還解釋了固體的比熱問(wèn)題等等 它成為現(xiàn)代理論的重要組成部分 打開了人們認(rèn)識(shí)微觀世界的大門 在物理學(xué)發(fā)展史上起了劃時(shí)代的作用 普朗克 1858 1947 公元1885到1889年間 德國(guó)物理學(xué)家赫茲做了一系列實(shí)驗(yàn) 證實(shí)了麥克斯韋的電磁輻射理論 就在這些著名的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中 赫茲發(fā)現(xiàn)他所制造的輻射會(huì)以一種出人意料的方式影響儀器的電極 這就是著名的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 13 2光電效應(yīng)愛因斯坦光子理論ThePhotoelectricEffect Einstein squantumphotonassumption 1 飽和電流SaturationcurrentiS iS 光電子數(shù) I 金屬及其化合物在光照下發(fā)射電子的現(xiàn)象 光電流隨電壓增加而增大然后趨于飽和 入射光強(qiáng)I越大飽和光電流越大 一 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 I1 I2 I3 13 2光電效應(yīng)愛因斯坦光子理論 光電子最大初動(dòng)能與光強(qiáng)無(wú)關(guān) 2 遏止電壓StoppingvoltageUa 電位差為0時(shí) 光電流并不為0 最大初動(dòng)能 3 截止頻率Thresholdfrequency 0 遏止電壓與頻率成線性關(guān)系 當(dāng)入射光頻率 0 無(wú)論光強(qiáng)和照射時(shí)間怎樣變化 都沒(méi)有光電流 0稱為截止頻率或紅限 對(duì)于不同金屬 其斜率相同 即K是一個(gè)與材料無(wú)關(guān)的普適恒量 最大初動(dòng)能與頻率亦成線性關(guān)系 4 即時(shí)發(fā)射Immediateemission 遲滯時(shí)間不超過(guò)10 9秒 當(dāng)一定頻率的光照射到K表面時(shí) 真空管內(nèi)幾乎立刻出現(xiàn)光電子 很快形成光電流 瞬時(shí)響應(yīng) 二 經(jīng)典物理與實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾Contradictionbetweenclassicalphysicsandexperimentalresults 電子在電磁波作用下作受迫振動(dòng) 直到獲得足夠能量 與光強(qiáng)I有關(guān) 逸出 不應(yīng)存在紅限 0 當(dāng)光強(qiáng)很小時(shí) 電子要逸出 必須經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的能量積累 只有光的頻率 0時(shí) 電子才會(huì)逸出 逸出光電子的多少取決于光強(qiáng)I 光電子即時(shí)發(fā)射 滯后時(shí)間不超過(guò)10 9秒 總結(jié) 光電子最大初動(dòng)能和光頻率 成線性關(guān)系 光電子最大初動(dòng)能取決于光強(qiáng) 和光的頻率 無(wú)關(guān) 三 愛因斯坦光子假說(shuō)光電效應(yīng)方程1921 NobelPrizeEinstein squantumphotonassumption photoelectriceffectequation 光是以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流 光子流 每一光子能量為h 它不能再分割 只能整份的產(chǎn)生或吸收 電子吸收一個(gè)光子 A為逸出功 克服金屬表面阻力所做的功 單位時(shí)間到達(dá)單位垂直面積的光子數(shù)為N 則光強(qiáng)I Nh I越強(qiáng) 到陰極的光子越多 則逸出的光電子越多 討論 光電子最大初動(dòng)能和遏止電壓都與光頻率 成線性關(guān)系 光頻率 A h時(shí) 電子吸收一個(gè)光子即可克服逸出功A逸出 電子吸收一個(gè)光子即可逸出 不需要長(zhǎng)時(shí)間的能量積累 自然解釋了光電效應(yīng)的瞬時(shí)性 光子動(dòng)量 四 光的波粒二象性 光子能量 光子質(zhì)量 粒子性 波動(dòng)性 光的波粒二象性 四 光的波粒二象性Dualityprincipleoflight 光的波粒二象性光是粒子性和波動(dòng)性矛盾的統(tǒng)一體 在不同的條件下 主要矛盾方面會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化 例如在干涉和衍射實(shí)驗(yàn)的條件下 波動(dòng)性就成為主要矛盾 光的行為表現(xiàn)為 波 而在原子吸收和發(fā)射光的情況下 粒子性成為主要矛盾 光的行為表現(xiàn)出象 粒子 1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金則是由于他提出了光量子概念和發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)定律而獲得的 散射線中有兩種波長(zhǎng) 0 探測(cè)器 13 3康普頓效應(yīng) 一 實(shí)驗(yàn)規(guī)律 X光管 光闌 散射物體 1923年美國(guó)物理學(xué)家Compton首先發(fā)現(xiàn) 波長(zhǎng)的增加量與散射角有關(guān) 與散射物質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 康普頓散射的強(qiáng)度與散射物質(zhì)有關(guān) 原子量小的散射物質(zhì)康普頓散射較強(qiáng) 即正常峰較低 反之相反 康普頓1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 吳有訓(xùn)于1926年對(duì)不同散射物質(zhì)進(jìn)行了研究 二 經(jīng)典物理的解釋 經(jīng)典理論只能說(shuō)明波長(zhǎng)不變的散射 而不能說(shuō)明康普頓散射 電子受迫振動(dòng) 同頻率散射線 發(fā)射 單色電磁波 說(shuō)明 受迫振動(dòng) 照射 散射物體 三 光子理論解釋 能量 動(dòng)量守恒 1 入射光子與外層電子彈性碰撞 外層電子 2 X射線光子和原子內(nèi)層電子相互作用 光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子 碰撞時(shí)光子不損失能量 波長(zhǎng)不變 原子 自由電子 內(nèi)層電子被緊束縛 光子相當(dāng)于和整個(gè)原子發(fā)生碰撞 所以 波長(zhǎng)改變量 電子的康普頓波長(zhǎng) 說(shuō)明 1923年康普頓散射進(jìn)一步證實(shí)了光子論 證明了光子能量 動(dòng)量表示式的正確性 證明了在光電相互作用的過(guò)程中嚴(yán)格遵守能量 動(dòng)量守恒定律 可見光確實(shí)具有粒子性 1900年普朗克在確立黑體輻射定律的過(guò)程中提出能量量子化的假說(shuō) 揭開了20世紀(jì)物理學(xué)革命的序幕 為物理學(xué)找到了一個(gè)新的概念基礎(chǔ) 1905年愛因斯坦提出了光量子假說(shuō) 進(jìn)一步發(fā)展了普朗克能量量子化的思想 1913年玻爾創(chuàng)造性地把量子概念應(yīng)用到盧瑟福的原子模型 建立了氫原子理論 說(shuō)明了氫光譜線 例 0 0 02nm的X射線與靜止的自由電子碰撞 若從與入射線成900的方向觀察散射線 求散射線的波長(zhǎng) 解 能量守恒 反沖電子動(dòng)能等于光子能量之差 動(dòng)量守恒 根據(jù)動(dòng)能 動(dòng)量關(guān)系 波長(zhǎng)為 例 波長(zhǎng)為0 0