b物理學(xué)與人類文明,

1、物理學(xué)與人類文明物理學(xué)與人類文明 物理系物理系 沙沙 健健 教教 授授第二章第二章 量子物理學(xué)量子物理學(xué) “ 在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中,后輩物理學(xué)家似乎只要做一些零碎的后輩物理學(xué)家似乎只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了修補(bǔ)工作就行了, ” - Thomson Lord Kelvin (英英) 1900年年4月月 宇宙的奧秘是不可窮盡的！宇宙的奧秘是不可窮盡的！ 2.1原子模型：原子模型： 十九世紀(jì)人們確定原子是組成物質(zhì)的最小單元。十九世紀(jì)人們確定原子是組成物質(zhì)的最小單元。 1897年，年，J.J.Thomson發(fā)現(xiàn)了比原子更小的電子。發(fā)現(xiàn)了比原子更小的電子。 那么帶負(fù)電

2、的電子在中性的原子中是如何存在的呢？那么帶負(fù)電的電子在中性的原子中是如何存在的呢？(a) 湯姆孫模型湯姆孫模型:（葡萄干面包模型）（葡萄干面包模型）電子電子電子運(yùn)動(dòng)在正電荷均勻電子運(yùn)動(dòng)在正電荷均勻分布的原子內(nèi)，外密內(nèi)分布的原子內(nèi)，外密內(nèi)疏各自在不同的環(huán)形疏各自在不同的環(huán)形軌道上軌道上.正電荷外層電子躍遷外層電子躍遷 可見(jiàn)光可見(jiàn)光 內(nèi)層電子躍遷內(nèi)層電子躍遷 分裂分裂 X X 射線射線 h h 可見(jiàn)光可見(jiàn)光 分裂分裂 x x 射線射線 2.2 量子假說(shuō)量子假說(shuō) 一一. 黑體輻射規(guī)律黑體輻射規(guī)律 1.Stefan-Boltzman law2.Wien Law：Km10898. 2 3m bbT 4-

3、2-KmW d 8401067. 5)()( TTMTMBB為了從理論上對(duì)絕對(duì)黑體的輻射規(guī)律給予解釋，為了從理論上對(duì)絕對(duì)黑體的輻射規(guī)律給予解釋，曾出現(xiàn)過(guò)許多種理論，較成功的有兩個(gè)：（但都有缺陷）曾出現(xiàn)過(guò)許多種理論，較成功的有兩個(gè)：（但都有缺陷）TC-BCTM 2e)(W.Wien51 公公式式：ckT2)T(MJ.H.JeansghL.W.Raylei4B 公公式式：普普朗朗克克常常數(shù)數(shù)sJ1063.6 )1e(2)(3452 hhcTMkThcB 3. M. Plank能量子假設(shè)：能量子假設(shè)：(1900年，獲年，獲1918年諾貝爾獎(jiǎng)）年諾貝爾獎(jiǎng)） 2.3,2,hnhhhhhhc 通通常常使使

4、用用是是每每個(gè)個(gè)能能量量子子大大小小二二. 光具有顆粒性光具有顆粒性(光子光子)的證據(jù)：的證據(jù)： 光電效應(yīng)光電效應(yīng)(赫茲發(fā)現(xiàn)赫茲發(fā)現(xiàn)): 金屬表面被光照射時(shí)有電子從表面逸出金屬表面被光照射時(shí)有電子從表面逸出 的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 愛(ài)因斯坦用光量子的概念解釋了光電愛(ài)因斯坦用光量子的概念解釋了光電 效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律. 獲獲1921年諾貝爾獎(jiǎng)年諾貝爾獎(jiǎng) oaUkU ，不不確確定定原原理理的的雛雛形形物物質(zhì)質(zhì)波波的的雛雛形形由由相相對(duì)對(duì)論論，hphphchcccmcpmchmv ,21222結(jié)論結(jié)論:光的能量是由一份份能量子組成，稱為光量子，簡(jiǎn)稱光子；光的能量是由一份份

5、能量子組成，稱為光量子，簡(jiǎn)稱光子；每個(gè)光子的能量為每個(gè)光子的能量為=h；光強(qiáng)為光強(qiáng)為I 的光束，單位時(shí)間通過(guò)單位面積的光子數(shù)為的光束，單位時(shí)間通過(guò)單位面積的光子數(shù)為 N=I/h 1905年年,發(fā)表發(fā)表5篇論文篇論文.其中其中3篇具有劃時(shí)代意義篇具有劃時(shí)代意義:1)關(guān)于光的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)關(guān)于光的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn).2)分子大小的新測(cè)定法分子大小的新測(cè)定法(關(guān)于布郎運(yùn)動(dòng)關(guān)于布郎運(yùn)動(dòng)). 3) 論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué) A.H.Compton效應(yīng)：效應(yīng)： 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： X射線射到物質(zhì)塊上散射時(shí)，散射射線射到物質(zhì)塊上散射時(shí)，散射X線中具有比入射線中具有比入射 線波長(zhǎng)

6、更長(zhǎng)的成分稱為線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的成分稱為Compton效應(yīng)。并且，效應(yīng)。并且， 隨散射角隨散射角的增大而增大。的增大而增大。獲獲1927年諾貝爾獎(jiǎng)年諾貝爾獎(jiǎng)0 X 光光管管光光 闌闌0檢測(cè)器檢測(cè)器 chh 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)弦線上的駐波：弦線上的駐波：角動(dòng)量量子化條件：角動(dòng)量量子化條件：軌道長(zhǎng)度等于整數(shù)個(gè)波，駐波軌道長(zhǎng)度等于整數(shù)個(gè)波，駐波,.3 ,2 ,1n2h,nmvrL meVmvpeVmv2212 電子束電子束欄 電子雙縫干涉條紋電子雙縫干涉條紋六六. 物質(zhì)的波粒二象性物質(zhì)的波粒二象性強(qiáng)度強(qiáng)度 量子數(shù)量子數(shù) 幾率幾率 幾率波幾率波 物質(zhì)波物質(zhì)波所以，描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，首先是建立幾率分布函數(shù)所以，描述微

7、觀粒子的運(yùn)動(dòng)，首先是建立幾率分布函數(shù)或幾率波函數(shù)，然后建立波函數(shù)滿足的運(yùn)動(dòng)方程或幾率波函數(shù)，然后建立波函數(shù)滿足的運(yùn)動(dòng)方程1)()()(),(* rRr薛定諤方程薛定諤方程 ),(2),(22trrmtrti2 2hriptiE V(R)電子處于氫原子內(nèi)部的量子物理圖象電子處于氫原子內(nèi)部的量子物理圖象全同粒子不可分辨全同粒子不可分辨若多粒子系統(tǒng)由同類（所有客觀屬性完若多粒子系統(tǒng)由同類（所有客觀屬性完全相同）粒子組成全相同）粒子組成 粒子之間不可分辨！粒子之間不可分辨！ 氦原子氦原子 - -e e - -e e 對(duì)于全同粒子體系，任何兩個(gè)粒子交換一下位置，對(duì)于全同粒子體系，任何兩個(gè)粒子交換一下位置

8、， 一切測(cè)量結(jié)果不會(huì)因此而有任何改變一切測(cè)量結(jié)果不會(huì)因此而有任何改變 ！ 全同粒子交換對(duì)稱性全同粒子交換對(duì)稱性 很很確確定定。即即。由由不不確確定定關(guān)關(guān)系系：則則橫橫向向不不確確定定量量：，若若電電子子束束直直徑徑為為電電子子速速率率顯顯象象管管中中本本身身相相當(dāng)當(dāng)與與其其速速率率量量對(duì)對(duì)電電子子速速率率，其其不不確確定定。也也即即電電子子位位置置變變化化范范圍圍原原子子線線度度的的電電子子。討討論論在在原原子子、顯顯象象管管中中例例vvsmxmhvmxmsmvsmsmxmhxmmpvmxxxx /58. 021010,/10:./10,/108 . 54210:4476610 ,10644/4 . 0%1,/40,105 . 4:312mvmhphxsmvvsmvkgm 解解：?jiǎn)枂?wèn)位位置置的的不不確確定定量量？，精精度度可可達(dá)達(dá)設(shè)設(shè)測(cè)測(cè)一一小小球球例例量子隧道效應(yīng)量子隧道效應(yīng)近代物理與經(jīng)典物理的分界：近代物理與經(jīng)典物理的