第5篇量子物理学 主要内容 量子力学基础 激光与固体电子学简介 原子核和粒子物理简介
第5篇 量子物理学 主要内容 量子力学基础 激光与固体电子学简介 原子核和粒子物理简介
17量子物理学基础题 主要内容 热辐射和普朗克能量子假说光的粒子性 氢联子光详和玻尔理论粒子的波动性 薛定谔方程氢原子的量子力学处理 电子自旋和四个量子数原子核外电子的壳层结构
17 量子物理学基础 主要内容 热辐射和普朗克能量子假说 光的粒子性 氢原子光谱和玻尔理论 粒子的波动性 薛定谔方程 氢原子的量子力学处理 电子自旋和四个量子数 原子核外电子的壳层结构
本章导引本章从历史的发展和逻辑演绎的角度介绍量子物理 学的基本概念基本思想和主要结论及应用量子力学是 量子力学关于徽微观粒子基本性质及其运动规律的理论是现代物 子概念的诞生,量子概念的发展和量子力学理论的建立 为了解释黑体辐射的实‖爱因斯坦受到启发进一 量子力学验规律普朗克假设电磁|步认为:电磁波是由许多不 的诞生辐射与黑体相互作用时所连续的能量单元组成的称 交换的能量不能连续变化,之为光子从而提出光量子 引入了量子化的概念,理论成功解释了光电效应 人们据此认识到光兼有波动性‖玻尔认为氢原子 量子力学和粒子性即波粒二象性康普顿将|光谱不连续分布是 的发展光量子论应用于X射线散射实验能量状态不连续的 的结果分析再次证明光量子理论缘故提出定态假设 的正确性还揭示出微观世界中单|和量子跃迁假设很 个光子和单个电子之间的碰撞过‖好地解释了氢原子 程仍然满足动量和能量守恒定律.光谱的实验规律
本章导引 本章从历史的发展和逻辑演绎的角度,介绍量子物理 学的基本概念,基本思想和主要结论及应用.量子力学是 量子力学关于微观粒子基本性质及其运动规律的理论,是现代物 理学的两大重要支柱之一,其发展大致分为三个阶段:量 子概念的诞生,量子概念的发展和量子力学理论的建立. 量子力学 为了解释黑体辐射的实 验规律 普朗克假设电磁 爱因斯坦受到启发,进一 量子力学 步认为:电磁波是由许多不 的诞生 验规律,普朗克假设电磁 辐射与黑体相互作用时所 交换的能量不能连续变化, 步认为:电磁波是由许多不 连续的能量单元组成的,称 交换的能量不能连续变化, 之为光子,从而提出光量子 引入了量子化的概念. 之为光子,从而提出光量子 理论,成功解释了光电效应. 人们据此认识到光兼有波动性 玻尔认为氢原子 和粒子性,即波粒二象性.康普顿将 光量子论应用于 X射线散射实验 量子力学 的发展 玻尔认为氢原子 光谱不连续分布是 能量状态不连续的 的结果分析,再次证明光量子理论 的正确性,还揭示出微观世界中单 个光子和单个电子之间的碰撞过 的发展 缘故,提出定态假设 和量子跃迁假设,很 个光子和单个电子之间的碰撞过 好地解释了氢原子 程仍然满足动量和能量守恒定律. 光谱的实验规律
德布罗意通过类比分析和综合概括将光的波粒 二象性推广到微观粒子和实物粒子进而推广到所 量子力学有物质提出物质波理论给出了计算物质波波长和 的建立频率的德布罗意公式这个理论很快得到证实 薛定谔引入描述德布罗意波的数学函数一波函数, 用以描述微观粒子运动状态并找到了波函数所满足 的方程一薛定谔方程这是量子力学的基本方程 玻恩等人提出波函数的统计性解释揭示了物质 波本质上是一种概率波正是通过概率波的形式将 经典力学无法相容的粒子性和波动性统一起来概 率波必然导致不确定性从而引出不确定关系 一维无限深势阱和氢原子是两个能用量子力学 典型问题理论严格求解的典型问题所用的方法和步骤具有 般性,据此可讨论量子力学和经典力学的关系 量效应势垒贵穿和隧道效应是典型的量子 效应,在许多实际问题中有着重要应用 量子数引入自旋的概念结合薛定谔方程对原子问题进行 处理,可用四个量子数描述核外电子的“运动状态
量子力学 德布罗意通过类比分析和综合概括,将光的波粒 二象性推广到微观粒子和实物粒子,进而推广到所 量子力学 有物质 提出物质波理论 给出了计算物质波波长和 的建立 ,提出物质波理论,给出了计算物质波波长和 频率的德布罗意公式.这个理论很快得到证实. 薛定谔引入描述德布罗意波的数学函数 —波函数, 用以描述微观粒子运动状态,并找到了波函数所满足 的方程 —薛定谔方程,这是量子力学的基本方程. 玻恩等人提出波函数的统计性解释,揭示了物质 波本质上是一种概率波.正是通过概率波的形式,将 经典力学无法相容的粒子性和波动性统 起来 经典力学无法相容的粒子性和波动性统 一起来.概 率波必然导致不确定性,从而引出不确定关系. 一维无限深势阱和氢原子是两个能用量子力学 典型问题 理论严格求解的典型问题,所用的方法和步骤具有 一般性,据此可讨论量子力学和经典力学的关系. 势垒贯穿和隧道效应是典型的量子 效应,在许多实际问题中有着重要应用. 引入自旋的概念 结合薛定谔方程对原子问题进行 量子效应 , 处理,可用四个量子数描述核外电子的“运动状态”. 量子数
注意 (1)理解黑体辐射光电效应和氢原子光谱的 主要实验规律及经典物理学在这些问题上所碰 到的困难,从而理解量子假说提出的必要性. (2)理解能量子假说光量子理论及氢原子的玻尔理论 (3)理解德布罗意波理论及波长和频率的计算公式 (4)理解波函数的统计性解释性质 及所满足的条件理解不确定性关系 5)理解薛定谔方程,维无限深势阱问题,势垒贯穿和 隧道效应理解量子力学处理氢原子所得到的主要结论 (6)理解电子自旋理解描述核外电子的“运 动状态”的四个量子数,理解核外电子的排列 规律
注意 : ( ) 1 ) 理解黑体辐射,光电效应和氢原子光谱的 主要实验规律及经典物理学在这些问题上所碰 到的困难,从而理解量子假说提出的必要性. (2) 理解能 假说 量子 ,光量子理论 氢原 的玻尔 论 论 及氢原 子的玻尔 理 论. (3)理解德布罗意波理论及波长和频率的计算公式. (4)理解波函数的统计性解释,性质 及所满足的条件,理解不确定性关系. (5)理解薛定谔方程,一维无限深势阱问题,势垒贯穿和 隧道效应.理解量子力学处理氢原子所得到的主要结论. ( ) 6 )理解电子自 旋,理解描述 核外电子的“运 动状态”的四个量子数,理解核外电子的排列 规律
量子理论的发展 19世纪后期,以牛顿力学经典统计力学和麦克斯韦电磁理论为 主要支柱的经典物理学已经趋于完善强有力地推动了当时科学 技术的发展经典物理学至今依然在科学技术中发挥着重要作用 随着物理学的进一步发展9世纪以来一系列新 的实验事实与经典物理学理论发生了尖锐的矛盾. 例如,对热辐射光电效应X射线散射,原子光谱,原子结构,固体 比热以及光速等问题经典物理学都无法作出合乎逻辑的解释. 为了说明这些实验结果,人们突破了经典物理学的束缚提出 了一些新的假设和概念并在实践中接受检验不断修正和发展, 逐步建立起了以相对论和量子论为主要支柱的近代物理理论 这些理论不仅大大促进了20世纪的高科技的发展而 且必将对21世纪新的高科技的发展产生广泛深远的影响, 同时也是新世纪发展和建立科学新理论体系的重要基础
量子理论的发展 19世纪后期,以牛顿力学,经典统计力学和麦克斯韦电磁理论为 经典统计力学和麦克斯韦电磁理论为 主要支柱的经典物理学已经趋于完善,强有力地推动了当时科学 技术的发展,经典物理学至今依然在科学技术中发挥着重要作用. 随着物理学的进一步发展,19世纪以来一系列新 的实验事实与经典物理学理论发生了尖锐的矛盾. 例如,对热辐射,光电效应,X射线散射,原子光谱,原子结构,固体 比热以及光速等问题,经典物理学都无法作出合乎逻辑的解释. 为了说明这些实验结果,人们突破了经典物理学的束缚,提出 了一些新的假设和概念,并在实践中接受检验,不断修正和发展, 逐步建立起了以相对论和量子论为主要支柱的近代物 论 逐步建立起了以相对论和量子论为主要支柱的近代物理理论. 这些理论不仅大大促进了20世纪的高科技的发展,而 且必将对21世纪新的高科技的发展产生广泛 远的影响 世纪新的高科技的发展产生广泛深远的影响, 同时也是新世纪发展和建立科学新理论体系的重要基础
17.1黑体辐射和量子论的诞生 111什么是热辐射? 任何物体在任何温度下都要向外辐射各种波长的电磁波这种 辐射称为热辐射实验表明物体的热辐射与温度有关以铁为例 1)在低温时其热辐射以不可见的红外线为主 (2)约500℃时有暗红色的可见光出现; 3)约1500℃时开始发白光; (4)温度进一步升高时由白变蓝 由此可见:热辐射与温度密切相关,随 着温度升高短波长辐射丰富起来 同一物体在不同温度下的热辐射情况是不同的, 就是说:热辐射能量按波长的分布的规律是不同的
17.1 黑体辐射和量子论的诞生 1.1.1 什么是热辐射? 任何物体在任何温度下都要向外辐射各种波长的电磁波,这种 辐射称为热辐射.实验表明:物体的热辐射与温度有关.以铁为例 (1)在低温时其热辐射以不可见的红外线为主; (2)约500℃时有暗红色的可见光出现; (3) 约1500℃时开始发白光; (4)温度进一步升高时由白变蓝. 由此可见:热辐射与温度密切相关,随 着温度升高,短波长辐射丰富起来. 同一物体在不同温度下的热辐射情况是不同的, 就是说:热辐射能量按波长的分布的规律是不同的
12什么是单色辐射本领和辐射本领? 物体表面单位面积在单位时间内在波长附近单位 波长间隔内辐射的电磁波能量称为单色辐射本领或 单色辐出度,用M(7表示其单位是瓦米(Wm3) 对于确定的物体,M()是温度7和波长的函数 单位时间内从物体表面单位对于给定的物体只是其 面积上所发射的各种波长的总温度的函数,用MT表示, 辐射能称为辐射本领或辐出度.其单位是瓦米Wm 在定福度时物体的射本M)M(7 实验表明在相同的温度条件下各种不同的物体特 别是表面的情况(如粗糙程度等不同时,M(T)的量 值是不同的,与此对应的MT的量值也是不同的
1.1.2 什么是单色辐射本领和辐射本领? 物体表面单位面积在单位时间内,在波长λ附近单位 波长间隔内辐射的电磁波能量称为单色辐射本领或 单色辐出度,用Mλ(T)表示,其单位是瓦·米-3(W·m-3). 对于确定的物体,Mλ(T)是温度T和波长λ的函数. 单位时间内从物体表面单位 对于给定的物体 只是其 面积上所发射的各种波长的总 辐射能称为辐射本领或辐出度. 对于给定的物体,只是其 温度的函数,用M(T)表示, 其单位是瓦·米-2(W·m-3 辐射能称为辐射本领或辐出度. 其单位是瓦·米 (W·m ). 在一定温度时,物体的辐射本 MT M T ( ) ( )dλ ∞ = ∫ (17 1) 领和单色辐射本领的关系为 0 MT M T ( ) ( )d = λ λ ∫ (17.1) 实验表明:在相同的温度条件下各种不同的物体,特 别是表面的情况(如粗糙程度等)不同时,Mλ(T)的量 值是不同的,与此对应的M(T)的量值也是不同的
113.什么说辐射本领大的物体其吸收本领也大? 定温度下的物体不但向周围辐射电磁波,同时也吸收 外来的电磁波而且辐射本领大的物体其吸收本领也大 设想一个抽成真空的系统系统内有 多个物体且彼此之间隔有一定的距离. 实验表明不管初始情况如何,经 过一定的时间后系统将达到热平 衡各物体的温度相同并维持不变 由于系统处于真空中,各物体不可 能通过对流和热传导交换能量,热平 衡是通过热辐射交换能量达到的. 当系统处于热平衡时,物体还要吸收和辐射能量,吸收多少能 量就辐射多少能量,因此,物体的吸收本领大,其辐射本领就强. 般物体对外来的电磁波只是部分吸收,其 吸收本领除了和温度有关外还和物体的结构 及表面情况有关并且表现出对波长的选择性
1.1.3为什么说辐射本领大的物体其吸收本领也大 ? 一定温度下的物体不但向周围辐射电磁波,同时也吸收 外来的电磁波,而且,辐射本领大的物体,其吸收本领也大. 设想一个抽成真空的系统,系统内有 多个物体且彼此之间隔有一定的距离. 实验表明:不管初始情况如何,经 A1 A 2 由于系统处于真空中 各物体不可 A 过一定的时间后,系统将达到热平 衡,各物体的温度相同并维持不变. 由于系统处于真空中 A n ,各物体不可 能通过对流和热传导交换能量,热平 衡是通过热辐射交换能量达到的 当系统处于热平衡时,物体还要吸收和辐射能量,吸收多少能 量就辐射多少能量,因此,物体的吸收本领大,其辐射本领就强. 衡是通过热辐射交换能量达到的. 量就辐射多少能量,因此,物体的吸收本领大,其辐射本领就强 一般物体对外来的电磁波只是部分吸收,其 吸收本领除了和温度有关外,还和物体的结构 及表面情况有关,并且表现出对波长的选择性
114什么是黑体? 一般物体对外来电磁波只能部分吸收,其吸收本领除了与温度 有关外还与物体的结构和表面情况有关,表现对波长有选择性 能够全部吸收各外来电磁波的物体称为绝对黑体,简称黑体. 注意黑体如同质点一样是一种理想模型,是对实际情况的一种近 似在自然界中并不存在,但是自然界中有许多物体的行为接近黑体 用不透明材料做成一个空腔在腔壁上开有一个很小的孔,射 入小孔的电磁波被空腔内壁多次反射,每反射一次就有一部分 能量被内壁表面吸收,最后由小孔射出去的辐射能量几乎为零 这种小孔空腔可近似当作黑体 当空腔处于温度7时,从小 孔发射的电磁辐射就相当 于面积等于小孔面积温度 为7的绝对黑体表面的辐射 分光 黑体辐射在热辐射中占有特殊的地位,具有 热电偶探测器 重要的理论与实际应用价值,因此在研究热 辐射时特别注意对黑体的辐射情况进行研究
1.1.4 什么是黑体 ? 一般物体对外来电磁波只能部分吸收,其吸收本领除了与温度 有关外,还与物体的结构和表面情况有关,表现对波长有选择性. 能够全部吸收各外来电磁波的物体称为绝对黑体,简称黑体. 用不透明材料做成 个空腔 在腔壁上开有 个很小的孔 射 注意:黑体如同质点一样是一种理想模型,是对实际情况的一种近 似,在自然界中并不存在,但是自然界中有许多物体的行为接近黑体. 能够全部吸收各外来电磁波的物体称为绝对黑体,简称黑体 用不透明材料做成 一个空腔,在腔壁上开有 一个很小的孔,射 入小孔的电磁波被空腔内壁多次反射,每反射一次就有一部分 能量被内壁表面吸收,最后由小孔射出去的辐射能量几乎为零. 这种小孔空腔可近似当作黑体. 当空腔处于温度 T 时,从小 分光 当空腔处于温度 T 时,从小 孔发射的电磁辐射就相当 于面积等于小孔面积,温度 为 的绝 体表面的辐射 分光热电偶探测器 T的绝对黑体表面的辐射. 黑体辐射在热辐射中占有特殊的地位,具有 重要的理论与实际应用价值,因此,在研究热 辐射时特别注意对黑体的辐射情况进行研究
