1、1 量子概念是量子概念是 1900 1900 年普朗克首先提出，年普朗克首先提出，距今已有距今已有 100 多年的历史多年的历史.其间，经过爱其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、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薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到力，到 20 20 世纪世纪 30 30 年代，就建立了一套年代，就建立了一套完整的量子力学理论完整的量子力学理论.2 1 黑体黑体 黑体是理想黑体是理想模型模型 若物体在任何温度下，对任何波长的辐若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都射能的吸收比都等于等于1，则称此则称此物体为黑
2、体物体为黑体.一一 黑体辐射和普朗克能量子假设黑体辐射和普朗克能量子假设34热辐射的基本概念热辐射的基本概念 （1）单色辐射出射度单色辐射出射度 单位时间内从物单位时间内从物体单位表面积发出的频率在体单位表面积发出的频率在 附近单位频率附近单位频率区间内的电磁波的能量区间内的电磁波的能量.单位：单位：)(TM3mW-单位：单位：12HzmW-)(TM5（2）辐射出射度辐射出射度 单位时间，单位面积上所辐射出的各种单位时间，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频率（或各种波长）的电磁波的能量总和.0d)()(TMTM0d)()(TMTM60 2 4 6 8 10 12Hz
3、10/1421210468)/(128HzmW10TM太阳太阳92110W mHz-MT()/()钨丝钨丝K 800 5T可见可见光区光区 太阳太阳 钨丝钨丝钨丝和太阳的单色辐出度曲线钨丝和太阳的单色辐出度曲线70 1 000 2 0000.5 )mW10/()(314TMnm/可见光区可见光区3 3 000000 K K6 6 000000 K Km黑黑体体单单色色辐辐出出度度的的实实验验曲曲线线1.02 黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律8(1)斯特藩斯特藩 -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律40d)()(TTMTM428Km W10670.5斯特藩斯特藩 -玻耳兹曼常量玻耳兹曼常量总辐出度总辐
4、出度式中式中0 1 000 2 0001.0 )mW10/()(314TMnm/可见光区可见光区3 3 000000 K K6 6 000000 K Km0.59(2)维恩位移定律维恩位移定律bT mKm 10898.23b常量常量 峰值波长峰值波长0 1 000 2 0001.0 )mW10/()(314TMnm/可见光区可见光区3 3 000000 K K6 6 000000 K Km103 经典物理的困难经典物理的困难)HzmW10/()(-1-29TM0 1 2 3 6Hz10/142 4瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式kTcTM222)(瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式紫外灾难紫外灾难实验曲
5、线实验曲线*T=2 000 K11普朗克（普朗克（1858 1947）德国理论物理学家，量子论的德国理论物理学家，量子论的奠基人奠基人.1900年他在德国物理学年他在德国物理学会上，宣读了以会上，宣读了以关于正常光谱关于正常光谱中能量分布定律的理论中能量分布定律的理论为题的为题的 论文论文.劳厄称这一劳厄称这一 天是天是“量子论量子论的的 诞生日诞生日”.量子论量子论 和相对论构成了近代物理学的研究和相对论构成了近代物理学的研究 基础基础.12 黑体中的分子、原子的振动可看作谐振黑体中的分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子的能量状态是分立的，相应子，这些谐振子的能量状态是分立的，相应的能量
6、是某一最小能量的整数倍，即的能量是某一最小能量的整数倍，即，2 ，3，n,称为能量子，称为能量子，n 为量子数为量子数.),3,2,1(nnh 普朗克量子假设是量子力学的里程碑普朗克量子假设是量子力学的里程碑.4 普朗克能量子假设普朗克能量子假设13普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式sJ1063.634h普朗克常数普朗克常数32/2d()d1hkThMTce140 1 2 3 6Hz 10/14)HzmW10/()(1-29TM瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式2 4普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线实验值实验值*实实验验值值与与普普朗朗克克公公式式理理论论曲曲线线比比较较T=2 000 K
7、15二二 光电效应和爱因斯坦光量子理论光电效应和爱因斯坦光量子理论VA 1 光电效应光电效应 （1）光电流强度与光电流强度与入射光强成正比入射光强成正比.1I2Iim1im2io0UU12II 16（2）截止频率（红限）截止频率（红限）0截止频率与截止频率与材料有关材料有关与与光强无关光强无关.对某种金属来说，只有入射光的频率对某种金属来说，只有入射光的频率大于某一频率大于某一频率 0时，电子才会从金属表面时，电子才会从金属表面逸出逸出.0称为称为截止频率截止频率或或红限频率红限频率.17 遏止电势差与入射光频率具有线性关系遏止电势差与入射光频率具有线性关系.（4）瞬时性瞬时性 使光电流降为零
8、使光电流降为零所外加的反向电势差所外加的反向电势差称为称为遏止电势差遏止电势差 ，对不同的金属对不同的金属，的的量值不同量值不同.0U0U（3）遏止电势差遏止电势差0U0U0sCnZtPO18 按经典理论按经典理论,电子逸出金属所需的能量，电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累需要有一定的时间来积累,与实验结果不符与实验结果不符.2 经典理论遇到的困难经典理论遇到的困难 红限问题红限问题 瞬时性问题瞬时性问题 按经典理论按经典理论,无论何种频率的入射光无论何种频率的入射光,只只要强度足够大，就能使电子逸出金属要强度足够大，就能使电子逸出金属.与实与实验结果不符验结果不符.19 光可看成
9、是由光子组成的粒子流，单个光可看成是由光子组成的粒子流，单个光子的能量为光子的能量为 3 爱因斯坦光量子理论爱因斯坦光量子理论(1)“光量子光量子”假设假设h(2)爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程Wmh221v 逸出功与逸出功与材料有关材料有关20理论解释理论解释:几种金属逸出功的近似值几种金属逸出功的近似值(eV)钠钠 铝铝 锌锌 铜铜 银银 铂铂2.46 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35 光强越大，光子数越多，单位时间内光强越大，光子数越多，单位时间内0产生光电子数目越多产生光电子数目越多,光电流越大光电流越大.(时）时）21 遏止电势差遏止电势差VA 外加外加反向
10、反向的遏止电的遏止电势差势差 恰能阻碍光电恰能阻碍光电子到达阳极子到达阳极,即即0U2021vmeU 22 爱因斯坦的光子理论圆满地解释了光爱因斯坦的光子理论圆满地解释了光电效应现象电效应现象.0hW hW0（截止频率）（截止频率）频率限制频率限制:只有只有0时才会发生时才会发生 瞬时性：瞬时性：光子射至金属表面，光子射至金属表面，一个一个h0光子的能量光子的能量 将一次性被一个电子吸收，将一次性被一个电子吸收，若若 ，电子立即逸出，无需时间积累，电子立即逸出，无需时间积累.23WeUh0eWehU0(3)普朗克常数的测定普朗克常数的测定Wmh221vehU0eUh00U0遏止电势差和入射遏止
11、电势差和入射光频率的关系光频率的关系O244 光的波粒二象性光的波粒二象性20222EcpE 相对论能量和动量关系相对论能量和动量关系hE（2）粒子性：粒子性：（光电效应等）（光电效应等）（1）波动性：光的干涉和衍射波动性：光的干涉和衍射pcEE,00 光子光子 25hE hp 描述光的描述光的 粒子性粒子性 描述光的描述光的 波动性波动性hchcEppcEE,00 光子光子 26光电倍增管光电倍增管放大器放大器接控制机构接控制机构光光光控继电器示意图光控继电器示意图光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等自动计数、自
12、动报警等.27 19201920年，美国物理学家康普顿在观察年，美国物理学家康普顿在观察X 射线被物质散射时，发现射线被物质散射时，发现散射散射线中含线中含有有波长波长发生了发生了变化变化的成分的成分散射束中除散射束中除了有与入射束波长了有与入射束波长 0 相同的射线，还有相同的射线，还有波长波长 0 的射线的射线.三三 康普顿效应康普顿效应281 实验装置实验装置292 实验结果实验结果04590135（相对强度）（相对强度）（波长）（波长）I00 波长的偏移波长的偏移()与与散射角有关散射角有关.0 与散射物与散射物体无关体无关.303 经典理论的困难经典理论的困难 按按经典经典电磁理论，
13、带电粒子受到入射电磁理论，带电粒子受到入射电磁波的作用而发生受迫振动，从而向各电磁波的作用而发生受迫振动，从而向各个方向辐射电磁波，个方向辐射电磁波，散射束散射束的频率应与的频率应与入入射束射束频率频率相同相同，带电粒子仅起能量传递的，带电粒子仅起能量传递的作用作用.可见，可见，经典理论无法解释波长变长的经典理论无法解释波长变长的散射线散射线.31(1)物理模型物理模型 入射光子（入射光子（X 射线或射线或 射线）能量大射线）能量大.4 量子解释量子解释eV101054hE 范围为范围为：000vxy光子光子电子电子xy电子电子光子光子32 电子反冲速度很大，用电子反冲速度很大，用相对论力学相
14、对论力学处理处理.电子热运动能量电子热运动能量 ，可近似为，可近似为静止静止电子电子.h 固体表面电子束缚较弱，视为固体表面电子束缚较弱，视为近自由电子近自由电子.000vxy光子光子电子电子xy电子电子光子光子33 入射入射光子光子与散射物质中束缚微弱的与散射物质中束缚微弱的电电子子弹性弹性碰撞碰撞时时，一部分能量传给电子，散，一部分能量传给电子，散射光子射光子能量减少能量减少，频率下降、，频率下降、波长变大波长变大.(2)定性分析定性分析 光子光子与原子中束缚很紧的电子发生碰与原子中束缚很紧的电子发生碰撞，近似与整个撞，近似与整个原子原子发生弹性发生弹性碰撞碰撞时，能时，能量不会显著减小，
15、所以散射束中出现与入量不会显著减小，所以散射束中出现与入射射光光波长相同波长相同的射线的射线.341 氢原子光谱的实验规律氢原子光谱的实验规律 1885 年瑞士数学家巴耳末发现氢原子年瑞士数学家巴耳末发现氢原子光谱可见光部分的规律光谱可见光部分的规律:,5,4,3,nm246.365222nnn四四 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论35 1890 年瑞典物理学家里德伯给出氢原子年瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式光谱公式)11(122ifnnR波数波数 里德伯常量里德伯常量 17m10097.1R,4,3,2,1fn,3,2,1fffinnnn36莱曼系莱曼系,3,2,)111(122nnR紫紫
16、 外外,4,3,)121(122nnR巴尔末系巴尔末系可见光可见光37,5,4,)131(122nnR帕帕 邢邢 系系,6,5,)141(122nnR布拉开布拉开系系,7,6,)151(122nnR普丰德系普丰德系,8,7,)161(122nnR汉弗莱系汉弗莱系红红 外外38氢原子光谱的巴耳末系氢原子光谱的巴耳末系656.3 nm486.1 nm434.1 nm410.2 nm364.6 nm392 原子核式模型与经典物理的困难原子核式模型与经典物理的困难 1897年，年，J.J.汤姆孙发现电子汤姆孙发现电子.1903年，汤姆孙提出原子的年，汤姆孙提出原子的“葡萄干蛋葡萄干蛋糕模型糕模型”.原
17、子中的正电荷和原子的质量均匀地分原子中的正电荷和原子的质量均匀地分布在半径为布在半径为 的球体范围内的球体范围内，电子浸电子浸于其中于其中.m101040卢瑟福卢瑟福 (E.Rufherford，18711937)英国物理学家英国物理学家.1899年发现铀年发现铀盐放射出盐放射出、射线，提出天然放射线，提出天然放射性元素的射性元素的衰变理论和定律衰变理论和定律.根据根据 粒子散射实验，提出粒子散射实验，提出了原子的了原子的有核模型有核模型，把原子结构，把原子结构的研究引上了正确的轨道，因而的研究引上了正确的轨道，因而被誉为原子物理之父被誉为原子物理之父41 卢瑟福的原子有核模型（行星模型）卢瑟
18、福的原子有核模型（行星模型）原子的中心有一带正电的原子核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这个核旋转，核的尺寸与整个原子相比是很小的很小的.经典有核模型的困难经典有核模型的困难 根据经典电磁理论，电子绕核作匀速根据经典电磁理论，电子绕核作匀速圆周运动，作加速运动的电子将不断向外圆周运动，作加速运动的电子将不断向外辐射电磁波辐射电磁波.42vFree 原子不断向外辐射能量，原子不断向外辐射能量，能量能量逐渐逐渐减小，电子旋转减小，电子旋转的频率也逐渐改变，发射的频率也逐渐改变，发射光谱应是光谱
19、应是连续谱连续谱；由于原子总能量减小，由于原子总能量减小，电子将逐渐的接近原子核电子将逐渐的接近原子核而后相遇，原子不稳定而后相遇，原子不稳定.ee43玻玻 尔尔 (Bohr.Niels 1885-1962)丹麦理论物理学家，现代丹麦理论物理学家，现代物理学的创始人之一物理学的创始人之一.在卢瑟福原子有核模型基础上在卢瑟福原子有核模型基础上提出了关于原子稳定性和量子提出了关于原子稳定性和量子跃迁理论的三条假设，从而完跃迁理论的三条假设，从而完满地解释了满地解释了氢原子光谱氢原子光谱的规律的规律.1922年玻尔获诺贝尔物理学奖年玻尔获诺贝尔物理学奖.44 1913年玻尔在卢瑟福的原子结构模型的年
20、玻尔在卢瑟福的原子结构模型的基础上，将量子化概念应用于原子系统，提基础上，将量子化概念应用于原子系统，提出三条假设：出三条假设：3 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论(2)跃迁假设跃迁假设(1)定态假设定态假设(3)轨道角动量轨道角动量量子化条件量子化条件45 电子在原子中可以在一些特定的圆轨道电子在原子中可以在一些特定的圆轨道上运动而不辐射电磁波，这时，原子处于稳上运动而不辐射电磁波，这时，原子处于稳定状态，简称定状态，简称定态定态.(1)定态假设定态假设 与定态相应的能与定态相应的能量分别为量分别为 E1，E2，E1 E2 E3 +E1E3 46(2)频率条件频率条件fiEEh(3)量子化条
21、件量子化条件EfEi发发射射吸吸收收2hnrmLv主主量子数量子数,3,2,1n47 4 氢原子轨道半径和能量的计算氢原子轨道半径和能量的计算 (1)轨道半径轨道半径2hnrmnnv 量子化条件：量子化条件：nnnrmre22024v 经典力学：经典力学：212220nrnmehrn),3,2,1(n+rn48,玻尔半径玻尔半径m 1029.5112201mehr1n212220nrnmehrn),3,2,1(n(2)能量能量nnnremE022421vn第第 轨道电子总能量：轨道电子总能量：49212220418nEnhmeEn(电离能电离能)220418hmeEeV 6.13基态基态能量能
22、量)1(n21nEEn激发态激发态能量能量)1(n50 氢原子能级跃迁与光谱图氢原子能级跃迁与光谱图莱莱曼曼系系巴巴耳耳末末系系布布拉拉开开系系帕帕邢邢系系-13.6 eV-3.40 eV-1.51 eV-0.85 eV-0.54 eV 0n=1n=2n=3n=4n=5n=515 玻尔理论对氢原子光谱的解释玻尔理论对氢原子光谱的解释fiEEhfiifnnnnchmec,)11(812232042220418nhmeEn17m10097.1(里德伯常量里德伯常量)Rchme3204852 (1)正确地指出正确地指出原子能级原子能级的存在的存在(原子能量原子能量量子化量子化).6 氢原子玻尔理论的
23、意义和困难氢原子玻尔理论的意义和困难意义意义(3)正确地解释了氢原子及类氢离子光谱规律正确地解释了氢原子及类氢离子光谱规律.(2)正确地指出正确地指出定态定态和和角动量量子化角动量量子化的概念的概念.53 (3)对谱线的强度、宽度、偏振等一系列对谱线的强度、宽度、偏振等一系列问题无法处理问题无法处理.(4)半半经典经典半半量子量子理论理论,既把微观粒子看成既把微观粒子看成是遵守经典力学的质点，同时，又赋予它们是遵守经典力学的质点，同时，又赋予它们量子化的特征量子化的特征.局限性局限性(1)无法解释无法解释比氢原子更复杂的原子比氢原子更复杂的原子.(2)微观粒子的运动视为有确定的微观粒子的运动视为有确定的轨道轨道.54
