新近代物理.ppt
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量子物理,量子概念是1900年普朗克首先提出的,距今已有一百多年的历史.其间,经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力,到20世纪30年代,就建立了一套完整的量子力学理论.,量子力学,经典力学,现代物理的理论基础,量子力学相对论,量子力学,一黑体黑体辐射,
(1)热辐射实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波,这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射.,
(2)单色辐射出射度单位时间内从物体单位表面积发出的频率在附近单位频率区间(或波长在附近单位波长区间)的电磁波的能量.,单色辐射出射度单位:
单色辐射出射度单位:
17.1.1普朗克的能量子假说,(3)辐射出射度(辐出度),单位时间,单位面积上所辐射出的各种频率(或各种波长)的电磁波的能量总和.,实验表明辐射能力越强的物体,其吸收能力也越强.,(4)黑体能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体.(黑体是理想模型),测量黑体辐射出射度实验装置,二斯特藩玻尔兹曼定律维恩位移定律,
(1)斯特藩玻尔兹曼定律,斯特藩玻尔兹曼常量,
(2)维恩位移定律,常量,峰值波长,
(2)取,
(1)由维恩位移定律,(3)由斯特藩玻尔兹曼定律,由维恩位移定律,对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法进行推测,三黑体辐射的瑞利金斯公式经典物理的困难,瑞利-金斯公式,四普朗克假设普朗克黑体辐射公式(1900年),普朗克常量,普朗克黑体辐射公式,空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为,解
(1),基元能量,
(2),在宏观范围内,能量量子化的效应是极不明显的,即宏观物体的能量完全可视作是连续的.,一光电效应实验的规律,
(1)实验装置,光照射至金属表面,电子从金属表面逸出,称其为光电子.,
(2)实验规律,截止频率(红限),几种纯金属的截止频率,仅当才发生光电效应,截止频率与材料有关与光强无关.,17.1.2光电效应和爱因斯坦的光量子论,电流饱和值,瞬时性,当光照射到金属表面上时,几乎立即就有光电子逸出,(光强),遏止电压与光强无关,实验规律,Uc=K-U0,与入射光强无关,光电子的最大初动能为,只有当入射光频率v大于一定的频率v0时,,才会产生光电效应,0称为截止频率或红限频率,按经典理论,电子逸出金属所需的能量,需要有一定的时间来积累,一直积累到足以使电子逸出金属表面为止.与实验结果不符.,经典理论遇到的困难,红限问题,瞬时性问题,按经典理论,无论何种频率的入射光,只要其强度足够大,就能使电子具有足够的能量逸出金属.与实验结果不符.,二光子爱因斯坦方程,
(1)“光量子”假设,光子的能量为,
(2)解释实验,逸出功与材料有关,对同一种金属,一定,与光强无关,逸出功,光强越大,光子数目越多,即单位时间内产生光电子数目越多,光电流越大.(时),光子射至金属表面,一个光子携带的能量将一次性被一个电子吸收,若,电子立即逸出,无需时间积累(瞬时性).,(3)的测定,爱因斯坦方程,解
(1),
(2),(3),例2设有一半径为的薄圆片,它距光源1.0m.此光源的功率为1W,发射波长为589nm的单色光.假定光源向各个方向发射的能量是相同的,试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数.,解,三光电效应在近代技术中的应用,光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.,光电倍增管,四光的波粒二象性,光子,相对论能量和动量关系,
(2)粒子性:
(光电效应等),
(1)波动性:
光的干涉和衍射,光的波粒二象性,在有些情况下,光突出显示出波动性;,粒子不是经典粒子,波也不是经典波,而在另一些情况下,则突出显示出粒子性。
1920年,美国物理学家康普顿在观察X射线被物质散射时,发现散射线中含有波长发生变化了的成分.,一实验装置,17.1.3光的波粒二象性康普顿散射,经典电磁理论预言,散射辐射具有和入射辐射一样的频率.经典理论无法解释波长变化.,二实验结果,在散射X射线中除有与入射波长相同的射线外,还有波长比入射波长更长的射线.,三经典理论的困难,电子反冲速度很大,需用相对论力学来处理.,
(1)物理模型,入射光子(X射线或射线)能量大.,固体表面电子束缚较弱,可视为近自由电子.,四量子解释,电子热运动能量,可近似为静止电子.,范围为:
(2)理论分析,能量守恒,动量守恒,康普顿波长,康普顿公式,散射光波长的改变量仅与有关,散射光子能量减小,(3)结论,(4)讨论,(5)物理意义,若则,可见光观察不到康普顿效应.,光子假设的正确性,狭义相对论力学的正确性.,微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律.,解
(1),例波长的X射线与静止的自由电子作弹性碰撞,在与入射角成角的方向上观察,问,
(2)反冲电子的动能,(3)光子损失的能量反冲电子的动能,一氢原子光谱的规律性,1885年瑞士数学家巴耳末发现氢原子光谱可见光部分的规律,1890年瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式,里德伯常量,17.2玻尔理论,二卢瑟福的原子有核模型,1897年J.J.汤姆孙发现电子,1903年,汤姆孙提出原子的“葡萄干蛋糕模型”,卢瑟福的原子有核模型(行星模型),原子中的正电荷和原子的质量均匀地分布在半径为的球体范围内,电子浸于其中.,原子的中心有一带正电的原子核,它几乎集中了原子的全部质量,电子围绕这个核旋转,核的尺寸与整个原子相比是很小的.,三氢原子的玻尔理论,
(1)经典核模型的困难,根据经典电磁理论,电子绕核作匀速圆周运动,作加速运动的电子将不断向外辐射电磁波.,
(2)玻尔的三个假设,假设一电子在原子中,可以在一些特定的轨道上运动而不辐射电磁波,这时原子处于稳定状态(定态),并具有一定的能量.,假设二电子以速度v在半径为r的圆周上绕核运动时,只有电子的角动量L等于的整数倍的那些轨道是稳定的.,由假设2量子化条件,由牛顿定律,氢原子能级公式,第轨道电子总能量,玻尔理论对氢原子光谱的解释,(里德伯常量),
(1)正确地指出原子能级的存在(原子能量量子化);
(2)正确地指出定态和角动量量子化的概念;(3)正确的解释了氢原子及类氢离子光谱;,四氢原子玻尔理论的意义和困难,(4)无法解释比氢原子更复杂的原子;(5)把微观粒子的运动视为有确定的轨道是不正确的;(6)是半经典半量子理论,存在逻辑上的缺点,即把微观粒子看成是遵守经典力学的质点,同时,又赋予它们量子化的特征.,思想方法自然界在许多方面都是明显地对称的,他采用类比的方法提出物质波的假设.,“整个世纪以来,在辐射理论上,比起波动的研究方法来,是过于忽略了粒子的研究方法;在实物理论上,是否发生了相反的错误呢?
是不是我们关于粒子的图象想得太多,而过分地忽略了波的图象呢?
”,法国物理学家德布罗意(LouisVictordeBroglie18921987),17.3物质波,一德布罗意假设(1924年),德布罗意假设:
实物粒子具有波粒二象性.,德布罗意公式,2)宏观物体的德布罗意波长小到实验难以测量的程度,因此宏观物体仅表现出粒子性.,例在一束电子中,电子的动能为,求此电子的德布罗意波长?
解,此波长的数量级与X射线波长的数量级相当.,例2从德布罗意波导出氢原子波尔理论中角动量量子化条件.,解两端固定的弦,若其长度等于波长则可形成稳定的驻波.,将弦弯曲成圆时,电子绕核运动其德布罗意波长为,角动量量子化条件,20世纪20年代中期是物理学发展的关键时期。
波动力学已经由薛定谔在德布罗意的物质波假说的基础上建立了起来,和海森伯从不同途径创立的矩阵力学,共同形成微观体系的基本理论。
这一巨大变革的实验基础自然成了人们关切的课题,这就激励了许多物理学家致力于证实粒子的波动性。
然而,直到1927年,才由美国的戴维森(CJDavisson)和英国的GP汤姆生(CPThomson)分别做出电子衍射实验。
虽然这时量子力学已得到了广泛运用,但电子衍射实验的成功仍引起了世人的注意。
为此,他们两人分享1937年诺贝尔物理学奖。
二德布罗意波的实验证明,1戴维孙革末电子衍射实验(1927年),镍晶体,电子波的波长,两相邻晶面电子束反射射线干涉加强条件,2G.P.汤姆孙电子衍射实验(1927年),当时,与实验结果相近.,应用举例,1932年德国人鲁斯卡成功研制了电子显微镜;1981年德国人宾尼希和瑞士人罗雷尔制成了扫瞄隧道显微镜.,单缝实验,在透射电镜的衍射花样中,对于不同的试样,采用不同的衍射方式时,可以观察到多种式的衍射结果。
如单晶电子衍射花样,多晶电子衍射花样,非晶电子衍射花样,会聚束电子衍射花样,菊池花样等。
而且由于晶体本身的结构特点也会在电子衍射花样中体现出来,如有序相的电子衍射花样会具有其本身的特点,另外,由于二次衍射等会使电子衍射花样变得更加复杂。
上图中,图a和d是简单的单晶电子衍射花样,图b是一种沿111p方向出现了六倍周期的有序钙钛矿的单晶电子衍射花样(有序相的电子衍射花样);图c是非晶的电子衍射结果,图e和g是多晶电子的衍射花样;图f是二次衍射花样,由于二次衍射的存在,使得每个斑点周围都出现了大量的卫星斑;图i和j是典型的菊池花样;图h和k是会聚束电子衍射花样。
低能电子的穿透比X射线小,用在固体表面性质的研究,电子衍射图片,电子及中子衍射图片,例题3:
m=0.01kg,v=300m/s的子弹,h极其微小宏观物体的波长小得实验,对波粒二象性的理解,
(1)粒子性,“原子性”或“整体性”,不是经典的粒子,抛弃了“轨道”概念,难以测量“宏观物体只表现出粒子性”,一级最小衍射角,电子经过缝时的位置不确定.,电子经过缝后x方向动量不确定,用电子衍射说明不确定关系,考虑衍射次级有,三海森伯于1927年提出不确定原理,对于微观粒子不能同时用确定的位置和确定的动量来描述.,1)微观粒子同一方向上的坐标与动量不可同时准确测量,它们的精度存在一个终极的不可逾越的限制.,2)不确定的根源是“波粒二象性”这是自然界的根本属性.,解子弹的动量,3)对宏观粒子,因很小,所以可视为位置和动量能同时准确测量.,例1一颗质量为10g的子弹,具有的速率.若其动量的不确定范围为动量的(这在宏观范围是十分精确的),则该子弹位置的不确定量范围为多大?
动量的不确定范围,位置的不确定量范围,例2一电子具有的速率,动量的不确范围为动量的0.01%(这也是足够精确的了),则该电子的位置不确定范围有多大?
解电子的动量,动量的不确定范围,位置的不确定量范围,Et=vxPxt=Pxxh,上式为能量和时间的不确定关系。
能量和时间的不确定关系就存在于原子能级中。
原子中能级实际上不是单一值,而是有一定的宽度E。
就是说,电子处于某一能级时,实际的能量有一不确定的范围E。
在同类原子中,停留在相同能级上的电子,有的停留时间长,有的停留时间短,可以用一个平均寿命t表示。
(1)入射强电子流,在汤姆逊的电子衍射实验中,单位时间内从晶体薄膜衍射出来的电子数很多时,在照相底片上立即出现衍射图样,电子束强,
(2)入射弱电子流,当曝光时间很短,照相底片上只出现一个一个的亮点,显示出电子的粒子性。
曝光时间长,亮点在照相底片上的位置并不重合,而是无规则的散布着。
随着时间的延长,亮点在照相底片上的位置形成衍射图样,电子束弱,五。
德布罗意波的统计解释,经典粒子不被分割的整体,有确定位置和运动轨道;经典的波某种实际的物理量的空间分布作周期性的变化,波具有相干叠加性.二象性要求将波和粒子两种对立的属性统一到同一物体上.,1926年玻恩提出德布罗意波是概率波.,统计解释:
在某处德布罗意波的强度是与粒子在该处邻近出现的概率成正比的.,概率概念的哲学意义:
在已知给定条件下,不可能精确地预知结果,只能预言某些可能的结果的概率.,电子衍射实验表明微观粒子具有明显的波粒二像性,即明显具有微观粒子具有明显的波粒二像性,即明显具有,德布
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- 新近 物理