大学物理旧量子论课件.ppt

1、ch191.二十世纪之前的物理学二十世纪之前的物理学经典物理学经典物理学包括力学、声学、热学、光学和电磁学等分支包括力学、声学、热学、光学和电磁学等分支1)世间万物由八十几种元素的原子组成世间万物由八十几种元素的原子组成2)原子是不可再分的最小微粒，它的运动服从牛顿原子是不可再分的最小微粒，它的运动服从牛顿力学定律力学定律3)热就是大量分子混乱机械运动的表现，用力学规热就是大量分子混乱机械运动的表现，用力学规律性加上统计规律性及其处理方法可以解释律性加上统计规律性及其处理方法可以解释4)存在正、负两种电荷，电磁场，电磁波，热辐射、存在正、负两种电荷，电磁场，电磁波，热辐射、可见光和紫外线等都是

2、电磁波可见光和紫外线等都是电磁波5)一切过程都遵从能量守恒和动量守恒定律一切过程都遵从能量守恒和动量守恒定律第十九章第十九章 从经典物理到量子力学从经典物理到量子力学19-19-前期量子论前期量子论 一、量子论发展历程一、量子论发展历程热辐射实热辐射实验验迈克尔孙迈克尔孙-莫雷实验莫雷实验ch192.量子力学的建立量子力学的建立1900-12，Planck提出能量子假设解释黑体辐射问题提出能量子假设解释黑体辐射问题1905，A.Einstein 用光量子理论解释光电效应用光量子理论解释光电效应1913，N.Bohr提出电子轨道的量子化解释氢原子结构提出电子轨道的量子化解释氢原子结构和光谱和光谱

3、1916，Sommerfeld 计算了电子的椭圆轨道计算了电子的椭圆轨道1923，De Broglie 提出微观粒子的波粒二象性提出微观粒子的波粒二象性1925，W.K.Heisenberg 引入矩阵作为力学量，和引入矩阵作为力学量，和M.Born、Jordan 建立了量子矩阵力学建立了量子矩阵力学1926，Schrdinger 提出了量子波动力学；提出了量子波动力学；Born提出提出了波函数的统计解释了波函数的统计解释1927，Jordan和和Dirac证明了普遍的变换定理；证明了普遍的变换定理；Heisenberg提出测不准关系提出测不准关系1930，Bohr提出互补原理提出互补原理 ch

4、19Solvay 1927ch19ch193.量子力学的发展量子力学的发展-量子场论量子场论 1925，Born，Heisenberg和和Jordan发表了光的量子发表了光的量子场论的初步想法场论的初步想法 1926，Dirac提出了电磁场的量子理论，解释电子自提出了电磁场的量子理论，解释电子自旋并预测了反物质旋并预测了反物质 40年代末，年代末，Feyman，Schwinger和和Tomonaga提出了提出了量子电动力学（量子电动力学（QED）发展了量子色动力学（发展了量子色动力学（QCD）超弦理论，努力寻求引力的量子描述超弦理论，努力寻求引力的量子描述量子力学：解释物质的理论；量子场论：研

5、究场的理论量子力学：解释物质的理论；量子场论：研究场的理论4.量子论的影响量子论的影响科学、哲学、技术、经济科学、哲学、技术、经济量子通讯，量子计算机量子通讯，量子计算机它迫使物理学家们改造他们它迫使物理学家们改造他们关于实在的观念；迫使他们关于实在的观念；迫使他们重新审视事物最深层次的本重新审视事物最深层次的本性；迫使他们修正位置和速性；迫使他们修正位置和速度的概念以及原因和结果的度的概念以及原因和结果的定义。尽管量子力学是为描定义。尽管量子力学是为描述远离我们的日常生活经验述远离我们的日常生活经验的抽象原子世界而创立的，的抽象原子世界而创立的，但它对我们日常生活的影响但它对我们日常生活的影

6、响无比巨大。没有量子力学作无比巨大。没有量子力学作为工具，就不可能有化学、为工具，就不可能有化学、生物、医学以及其他每一个生物、医学以及其他每一个关键学科的引人入胜的进展。关键学科的引人入胜的进展。ch19量子力学量子力学意味着什意味着什么？么？波函数到波函数到底是什么？底是什么？测量到底测量到底是意思？是意思？纠缠态？纠缠态？ch19二、黑体辐射二、黑体辐射 普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说40)(TTM 斯特藩常量斯特藩常量 bT m b常量常量经验公式经验公式热力学理论导出热力学理论导出ch19经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难 维恩公式维恩公式 Tc5102ec)T(M

7、瑞利瑞利 金斯公式金斯公式 402)(TkcTM 半经验公式半经验公式长波段不符合长波段不符合紫外灾难紫外灾难由由经典电动力学经典电动力学和和统计物理学统计物理学理论得出理论得出 k玻耳兹曼常量玻耳兹曼常量 ch19普朗克普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,18581947)ch19普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说：对于一定频：对于一定频率的电磁辐射，物体只能率的电磁辐射，物体只能以为以为h单位发射或吸收它，单位发射或吸收它，其中其中h是一个普适常量。是一个普适常量。每个能量子的能量为每个能量子的能量为 h h称为称为普朗克常量普朗克常量，它的，它的1986年

8、推荐值为年推荐值为sJ105075626.634 h1e12)(/520 TkhchcTM 普朗克公式普朗克公式 普朗克公式普朗克公式 11cTMTc5102 /)(e经验公式经验公式ch19三、光电效应三、光电效应 爱因斯坦的光量子论爱因斯坦的光量子论1.光电效应的实验规律光电效应的实验规律光电效应光电效应：金属及其化合物在电磁辐射照射下发：金属及其化合物在电磁辐射照射下发射电子（光电子）的现象。射电子（光电子）的现象。1)1)饱和光电流饱和光电流Is与入射光强成与入射光强成正比正比2)2)截止电压随入射光频率的截止电压随入射光频率的增加而增加，与入射光强无关增加而增加，与入射光强无关 3)

9、3)对于每一种金属，只有当对于每一种金属，只有当入射光频率大于一定的截止频入射光频率大于一定的截止频率或红限频率时，才会产生光率或红限频率时，才会产生光电效应电效应 4)4)光电效应瞬时发生光电效应瞬时发生 光光光电流光电流-+KAch192.经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难光电效应与入射光频率无关光电效应与入射光频率无关光电效应不可能是瞬时的光电效应不可能是瞬时的3.爱因斯坦的光量子论爱因斯坦的光量子论辐射场由光量子组成，每一个光量辐射场由光量子组成，每一个光量子的能量子的能量E与辐射频率的关系是与辐射频率的关系是 hE hp 光电效应的爱因斯坦方程光电效应的爱因斯坦方程Ahmu

10、 2max21光的波粒二象性光的波粒二象性ch194.康普顿散射康普顿散射1927年获得年获得诺贝尔奖诺贝尔奖 单色单色X射线被物质散射时，散射线中除射线被物质散射时，散射线中除了有波长与入射线相同的成分外，还了有波长与入射线相同的成分外，还有波长较长的成分，这种波长变长的有波长较长的成分，这种波长变长的散射称为散射称为康普顿散射康普顿散射或或康普顿效应康普顿效应。定性解释：定性解释：在碰撞过程中，在碰撞过程中，的，电子带走一部分能量的，电子带走一部分能量与动量，因而散射出去的光量子的能与动量，因而散射出去的光量子的能量与动量都相应地量与动量都相应地减小，即减小，即X射线的射线的波长变长波长变

11、长ch192200cmhcmh umechech00+nm58310426002.0/0C cmh 电子的康普顿波长电子的康普顿波长利用光量子假说利用光量子假说2sin22C 散射光波长的改变散射光波长的改变ch19四、原子结构和原子光谱四、原子结构和原子光谱 玻尔的量子论玻尔的量子论1.原子的核式结构原子的核式结构电子和放射性的发现揭示原子是由正负电荷组电子和放射性的发现揭示原子是由正负电荷组成的成的汤姆孙的葡萄干蛋糕模型汤姆孙的葡萄干蛋糕模型卢瑟福的原子核式结构卢瑟福的原子核式结构经典物理经典物理原子坍塌原子坍塌 连续光谱连续光谱 2.原子光谱原子光谱不同的原子辐射不同的谱线不同的原子辐射

12、不同的谱线),5,4,3(,)121(122 nnR 巴耳末公式巴耳末公式里德伯常量里德伯常量氢原子氢原子卢瑟福（卢瑟福（E.Rutherford，1871-1937）英国物理学家，出生于新西兰。英国物理学家，出生于新西兰。1859年成为卡文迪许实验室主任年成为卡文迪许实验室主任J.J.Thomson的研究生。的研究生。1899年年1月发现铀盐放射出月发现铀盐放射出射线和射线和射线，射线，并提出天然放射性的衰变理论和衰变定律。并提出天然放射性的衰变理论和衰变定律。天然放射性的发现与电子和天然放射性的发现与电子和X X射线的发现，射线的发现，是是20世纪三项最伟大的发现。世纪三项最伟大的发现。他

13、于他于1908年获得诺贝尔化学奖金。年获得诺贝尔化学奖金。卢瑟福还判定卢瑟福还判定粒子是带正电的氦原子核，粒子是带正电的氦原子核，他根据他根据粒子散射实验提出原子的有核模型。粒子散射实验提出原子的有核模型。卢瑟福被誉为卢瑟福被誉为原子物理之父原子物理之父，又是开创原子，又是开创原子核物理学的奠基人。核物理学的奠基人。ch19ch19,4,3,2 )111(22 nnR,6,5,4 )131(22 nnR,7,6,5 )141(22 nnR,8,7,6 )151(22 nnR 莱曼系莱曼系(1916)紫外部分紫外部分帕邢系帕邢系(1908)红外部分红外部分布拉开系布拉开系(1922)近红外部分近

14、红外部分普丰德系普丰德系(1924)红外部分红外部分,9,8,7 )161(22 nnR 汉弗莱系汉弗莱系(1953)远红外部分远红外部分)11(22nmR 广义巴耳末公式广义巴耳末公式 1)1)原子能够，而且只能够稳定地存在于与离散的原子能够，而且只能够稳定地存在于与离散的能量相应的一系列的状态中，这些状态称为能量相应的一系列的状态中，这些状态称为定态定态。2)2)原子能量的任何变化，包括发射或吸收电磁辐原子能量的任何变化，包括发射或吸收电磁辐射，都只能在两个定态之间以射，都只能在两个定态之间以跃迁跃迁的方式进行。原的方式进行。原子在两个定态子在两个定态(分别属于能级分别属于能级En和和Em

15、，设，设En Em)之之间跃迁时，发射或吸收的电磁辐射的频率，由如下间跃迁时，发射或吸收的电磁辐射的频率，由如下的的频率条件频率条件给出：给出：ch19里兹组合原理里兹组合原理2)(nRnT)()(nTmT 光谱项光谱项经典物理经典物理原子光谱连续原子光谱连续3.玻尔的量子论玻尔的量子论mnEEh ch193）对应原理：在大量子数的极限情况下，量子体）对应原理：在大量子数的极限情况下，量子体系的行为将趋于与经典体系相同。系的行为将趋于与经典体系相同。作圆轨道运动的电子的角动量作圆轨道运动的电子的角动量L只能是只能是 的整数倍的整数倍 2hnnL ),(321n 氢原子的能级公式氢原子的能级公式

16、22204e18nhemEn ),(321n )11(22nmRchEEmnmn 光谱线的波数光谱线的波数ch8emR3204 e 1m 71041533730971.里德伯常量里德伯常量玻尔（玻尔（Niels henrik David Bohr，1885-1962）在在1913年发表了年发表了论原子结构与分子结构论原子结构与分子结构等三篇论文，提出了在卢瑟福原子有核模等三篇论文，提出了在卢瑟福原子有核模型基础上的关于原子稳定性和量子跃迁的型基础上的关于原子稳定性和量子跃迁的三条假设，从而圆满地解释了氢原子的光三条假设，从而圆满地解释了氢原子的光谱规律。谱规律。玻尔的成功，使量子理论取得重大发

17、展，玻尔的成功，使量子理论取得重大发展，推动了量子物理的形成，具有划时代的意推动了量子物理的形成，具有划时代的意义。义。玻尔于玻尔于1922年年12月月10日诺贝尔诞生日诺贝尔诞生100周周年之际，在瑞典首都接受了当年的诺贝尔年之际，在瑞典首都接受了当年的诺贝尔物理学奖金。物理学奖金。1937年，他来中国作学术访问。年，他来中国作学术访问。丹麦理论物丹麦理论物理学家，现理学家，现代物理学的代物理学的创始人之一。创始人之一。ch194.4.玻尔氢原子理论的成绩玻尔氢原子理论的成绩成功地解释了成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性的规律性。从理论上计算了里

18、德伯常量；解决了近从理论上计算了里德伯常量；解决了近30年之久年之久的的巴耳末巴耳末公式之迷，打开了人们认识原子结构的大公式之迷，打开了人们认识原子结构的大门，而且玻尔提出的一些概念，如能量量子化、量门，而且玻尔提出的一些概念，如能量量子化、量子跃迁及频率条件等，至今仍然是正确的。子跃迁及频率条件等，至今仍然是正确的。能对类氢原子的光谱给予说明。能对类氢原子的光谱给予说明。玻尔氢原子理论的困难玻尔氢原子理论的困难不能处理复杂原子的光谱不能处理复杂原子的光谱不能提供处理光谱线相对强度的系统方法，不不能提供处理光谱线相对强度的系统方法，不能处理非束缚态问题能处理非束缚态问题把微观粒子看成是遵守经典

19、力学规律的质点，把微观粒子看成是遵守经典力学规律的质点，又赋予它们量子化的特征，带有人为色彩又赋予它们量子化的特征，带有人为色彩ch19ch1919-219-2 量子力学的建立和发展量子力学的建立和发展 一、海森伯矩阵力学的提出一、海森伯矩阵力学的提出1.继承继承：早期量子论中合理的内核，如：早期量子论中合理的内核，如分立能级的定态，量子跃迁和频率条件分立能级的定态，量子跃迁和频率条件等等 摒弃摒弃：没有实验依据的传统观念，如粒：没有实验依据的传统观念，如粒子的绝对精确轨道概念子的绝对精确轨道概念2.强调强调的物理量的物理量(1901-1976)若令若令h0，量子力学中力学量的关系，量子力学中

20、力学量的关系将回到经典力学中。将回到经典力学中。ch19二、德布罗意波二、德布罗意波 薛定谔波动力学的提出薛定谔波动力学的提出 de Broglie（1892-1987）1.德布罗意和物质波德布罗意和物质波(1)提出思想提出思想类比法类比法光的波粒二象性光的波粒二象性实物粒子的波粒二象性实物粒子的波粒二象性1)几何光学反射几何光学反射经典粒子力学经典粒子力学2)波动光学干涉衍射现象中的取整波动光学干涉衍射现象中的取整 原子中表征量子态的量子数取整原子中表征量子态的量子数取整与一定能量与一定能量E 和动量和动量p 的实物粒子（的实物粒子（m0 0）相联相联系的波（德布罗意波）的频率和波长分别为系

21、的波（德布罗意波）的频率和波长分别为 hE ph 德布罗意关系德布罗意关系ch19(3)原子定态与驻波原子定态与驻波),(,321nnr2 ),(.321nr2hnp ),(,321nnprL (4)物质粒子波动性的实验证明物质粒子波动性的实验证明 Davission-Germer实验实验电子衍射实验电子衍射实验ch19X射线经晶体的衍射图射线经晶体的衍射图电子射线经晶体的衍射图电子射线经晶体的衍射图ch19 铁原子的量子围栏铁原子的量子围栏ch19例题例题19.3自由粒子的德布罗意波长自由粒子的德布罗意波长 ph k2Emh 粒子的热运动动能粒子的热运动动能Tk23E k粒子粒子质量质量/k

22、g速度速度/(m s 1)德布罗意波长德布罗意波长/nm飞行的子弹飞行的子弹1.0 10 25.0 1021.3 10 25小球小球1.0 10 31.06.6 10 22尘埃尘埃1.0 10 91.0 1016.6 10 17布朗运动花粉布朗运动花粉1.0 10 131.06.6 10 12微尘微尘1.0 10 151.0 10 2 6.6 10 8显象管中的电子显象管中的电子9.1 10 315.0 1071.4 10 2ch192.薛定谔薛定谔-波动力学波动力学薛定谔薛定谔1887-1961物质波的波动方程物质波的波动方程边界条件边界条件本征值本征值离散能量离散能量 波动力学波动力学矩阵

23、力学矩阵力学 受德布罗意物质波启发，找到了一受德布罗意物质波启发，找到了一个量子体系物质波的运动方程。个量子体系物质波的运动方程。ch19epn 三、量子理论的发展三、量子理论的发展-量子场论量子场论狄拉克、海森堡、泡利、费曼、汤川秀树等狄拉克、海森堡、泡利、费曼、汤川秀树等量子场论给出的基本物理图象量子场论给出的基本物理图象1）每种粒子对应一种场；）每种粒子对应一种场；2）场的最低能）场的最低能量状态为基态，粒子是场处于激发态的表量状态为基态，粒子是场处于激发态的表现；现；3）场用复数表示（粒子与反粒子，中）场用复数表示（粒子与反粒子，中性粒子）；性粒子）；4）物理真空）物理真空Dirac1902-1984ch19第十九章小结第十九章小结 掌握掌握的内容的内容 理解理解和和 掌握掌握和和包包括括 掌握掌握的实验现象的实验现象 掌握掌握 掌握掌握