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1 新编基础物理学 第二版 第 6 篇量子物理基础

2 历史回顾 关键人物 第 6 篇量子物理基础 Max Planck Te Nobel Prize in Pysics 98 Max Planck, 量子论的奠基人. 9 年 月 4 日他在德国物理学会上, 宣读了以 关于正常光谱中能量分布定律的理论 为题的论文, 提出了能量的量子化假设, 并导出黑体辐射能量的分布公式. 劳厄称这一天是 量子论的诞生日. Max von Laue Te Nobel Prize in Pysics 94 第 页共 4 页

3 历史回顾 关键人物 第 6 篇量子物理基础 L. De Broglie (89-987) E. Scrödinger (887-96) W. Heisenberg (9-976) Max Born (88-97) P. Dirac (9-984) De Broglie ( 法 ) Scrödinger ( 奥地利 ) Heisenberg ( 德 ) Born ( 德 ) Dirac ( 英 ) 等人建立起反映微观粒子规律的量子力学. 第 3 页共 4 页

4 第 5 章

5 第 5 页共 4 页 第 5 章 5. 黑体辐射和普朗克量子假设 热辐射 (termal radiation) 现象 由经典理论, 带电粒子加速运动时, 均以电磁波的形式向外辐射能量 ; 这种辐射与温度有关, 故被称为热辐射 ; 这种电磁波形式的辐射能量按波长分布是不均匀的. 当发射 = 吸收时, 其温度不变. 平衡热辐射. 不同的原子辐射谱线的颜色 ( 频率 ) 成分不同. 锶 (Sr) 铷 (Rb) 铜 (Cu)

6 5.. 黑体辐射及其基本规律. 描述热辐射的物理量物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度. ) 单色辐出度 (monocromatic radiant exitance): 第 6 页共 4 页 在温度为 T 时, 单位时间内从物体表面上的单位面积上发出的波长在 到 +d 波长间隔所辐射的能量. M, T 3 单位 : W m ) 辐出度 (radiant exitance): dm, T d 在单位时间内从该物体表面单位面积上辐射出来的各种波长电磁波能量的总和. 单位 : W m M T M, T d

7 第 7 页共 4 页 3) 单色吸收率 (, T)(monocromatic absorptance): 单位时间内物体所吸收的波长在 到 +d 内的电磁波能量与相应波长间隔的入射电磁波能量之比. 吸收能量吸收比 = 入射总能量. 黑体辐射 (black-body radiation) 定律 ) 绝对黑体 (black-body) 对于任何温度, 任何波长吸收比始终等于 的物体. 即 (, T) 能吸收一切外来辐射而无反射的物体 理想模型.

8 第 8 页共 4 页 ) 基尔霍夫定律 (Kircoff law) :(869 年发现 ) 对每一个物体而言, 其单色辐出度与单色吸收率的比 值是一个只与温度和辐射波长有关的函数. M(, T) M (, T ) M (, T ) (, T) (, T) 结论 : 一个好的吸收体一定也是一个好的发射体. 3) 黑体的单色辐出度按波长分布实验曲线

9 4) 黑体辐射基本定律 () 斯忒藩 - 玻尔兹曼定律 (Stefan-Boltaman law): 879 年, 斯忒藩根据实验得出黑体辐出度 : M b T) 第 9 页共 4 页 ( T 4 Josef Stefan Wm K 斯忒藩常数 (Stefan constant) 884 年玻尔兹曼从理论上证明 () 维恩位移定律 (Wien displacement law) 能谱分布曲线的峰值对应的波长 m 与温度 T 的乘积为一常量. T b m b mk Ludwig Boltzmann Wilelm Wien

10 第 页共 4 页 5) 经典物理的困难 () 维恩公式 (Wien formula) M b (, T) c (c 和 c 为经验参数 ) 5 e () 瑞利 金斯公式 (Rayleig-Jans formula) M b (, T) c 4 c T kt 固体在温度升高时颜色的变化 M b 8K (, T) 普朗克线 K K T 维恩线 瑞利 金斯线 M bλ 随 λ 趋向于零而趋向无穷大完全违背实验事实. --- 紫外灾难 4K

11 第 页共 4 页

12 第 页共 4 页 5.. 普朗克量子假设. 普朗克公式 ( 从实验数据中分析得出 ) M b (, T) π e c c kt J s 普朗克常数 普朗克认为 : 经典理论只需作适当的修正, 就可以得出该公式.. 经典理论的基本观点 : ) 电磁辐射来源于带电粒子的振动, 电磁波的频率与振动频率相同 ; ) 振子辐射的电磁波含有各种波长, 是连续的, 辐射能量也是连续的 ; 3) 温度升高, 振子振动加强, 辐射能增大.

13 第 3 页共 4 页 普朗克对上述第二点进行了修正. 3. 普朗克量子假设 9 年 月 4 日, 普朗克提出以下假定 : 对于振动频率为 的谐振子, 谐振子辐射的能量是不连续的, 只能取一些分立值, 这些分立值是某一最小能量的整数倍, 即 n n 式中 n 是正整数, 称为量子数. 意义 : 普朗克假假说不仅圆满地解释了黑体辐射问题, 还解释了固体的比热等问题, 成为现代量子理论的重要组成部分.

14 第 4 页共 4 页 例 6- () 温度为 的物体, 它的辐射能中辐出度的峰值所对应的波长是多少? () 若使一物体单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内, 其温度应为多少? (3) 上两小题中, 总辐射能的比率为多少? 解 :() 根据维恩位移定律 () 取 = 65nm T b m (3) 根据斯忒藩 - 玻尔兹曼定律 M M 9.89 (m) m T T b T (K)

15 第 5 页共 4 页 5. 光电效应和光的量子性 5.. 光电效应 (potoelectric effect) 光电管 K O O O V O O O. A 照射光 G Heinric R. Hertz 饱和电流 I s I 光强较强 光强较弱 B O O O U 实验装置 光电效应伏安特性曲线

16 第 6 页共 4 页. 入射光频率一定时, 饱和光电流 (saturation potocurrent) 与入射光光强成正比, 但反向截止电压 (cutoff voltage) 与入射光光强无关.. 存在一个 截止频率 (cutoff frequency) ( 红限频率 o ) 即 : 当入射光的频率小于红限频率时, 无论光强多大, 也不会产生光电效应. 经典理论认为 : 光电子初动能应决定于入射光的光强, 而不决定于光的频率. 3. 反向截止电压与入射光频率成线性关系. 反向截止电压反映光电子的初动能 eu mv 4. 光电效应是瞬时发生的, 响应时间为 -9 s. 经典理论不能解释 毋需时间积累. m

17 第 7 页共 4 页 5.. 爱因斯坦光子假说 电磁辐射是由以光速 c 运动的局域于空间小范围内的光量子所组成. 光子的能量 光子的动量 p 爱因斯坦光电效应方程 (potoelectric equation): Albert Einstein Te Nobel Prize in Pysics 9 m v max A A 逸出功 ( work function) mvmax 初动能

18 第 8 页共 4 页 对光电效应实验规律的解释 : ) 电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出, 所以无须时间上的累积过程. ) 光强大, 光子数多, 释放的光电子也多, 所以饱和光电流也大. 3) 入射光子能量 = 逸出功 + 光电子初动能 因而光电子初动能和入射光的频率成线性关系. 4) 限频率对应光电子初动能等于. A

19 第 9 页共 4 页 光的波粒二象性 (wave-particle dualism) 光的性质不同侧面 : 波动性 : 突出表现在传播过程中 ( 干涉 衍射 ). 粒子性 : 突出表现在与物质相互作用中 ( 光电效应 康普顿效应 ). 光子能量 : 光子动量 : 光子静止质量 : m 光子质量 : p p c c m c

20 第 页共 4 页 例 6- 钾的光电效应红限为 = m, 求 () 电子的逸出功 ;() 在的紫外线照射下, 截止电压为多少? (3) 电子的初速度为多少? ( 紫外线 = m) 34 8 c 解 :() A 3. ( J) 7 6. () U a mv e A A m v c A e e m eu a.4 V v (3) 9 eu a (m s ) 3 m 9.

21 例 6-3 有一金属钾薄片, 距弱光源 3 m. 此光源的功率为 W, 计算在单位时间内打在金属单位面积上的光子数. 设 =589 nm. 解 : 依题意单位面积上的功率为 : P s P 4πR c 一个光子的能量为 (J m s 4π 单位时间内打在金属单位面积上的光子数为 : ) (J) N P s ( 个 m s 9 ) 第 页共 4 页

22 第 页共 4 页 5.3 康普顿散射. 康普顿效应 (Compton effect): X 射线谱仪 石墨体 Artur H. Compton Te Nobel Prize in Pysics 97 散射光谱中除有波长 的射线外, 还有 > 的射线, 且波长改变量与入射线波长无关, 而是随散射角的增大而增大, 这种波长变长的散射现象称为康普顿散射.

23 第 3 页共 4 页

24 第 4 页共 4 页 ) 在原子量小的物质中, 康普顿散射较强, 反之较弱. ) 波长的改变量 - 随散射角 的增加而增加. 3) 对不同的散射物质, 只要在同一个散射角下, 波长的改变量 - 都相同.

25 经典理论无法解释康普顿效应 : 根据经典电磁波理论, 在光场中作受迫振动的带电粒子, 辐射的散射光的频率应等于入射光的频率. 光子论的解释 : 此过程是光子与电子发生相互作用, 两粒子的碰撞是完全弹性碰撞, 即满足动量守恒和能量守恒.. 康普顿效应的光量子解释 : 第 5 页共 4 页 c - mv c x

26 第 6 页共 4 页 光子 电子 撞碰前 撞碰后 能量动量能量动量 / c ' mc m c 根据能量守恒定律 : m c ' mc 根据动量守恒定律 : x 方向 : y 方向 : c '/ - mv mv ' / c cos mv cos c ' sin mvsin c c c x

27 第 7 页共 4 页 联立可得 : m c cos 康普顿波长 (Compton wavelengt): c.43 m mc 结论 : ) 波长的改变量 与散射角 有关, 散射角 越大, 也越大. ) 波长的改变量 与入射光的波长无关. 因为康普顿波长比可见光波长小得多, 所以可见光的散射主要是瑞利散射. 意义 : 康普顿效应证明了光的粒子性, 同时也证明了动量守恒和能量守恒具有普适性, 相对论效应在宏观和微观领域都存在.

28 第 8 页共 4 页 v.6c m v c m c sin 例 6-4 在康普顿效应中, 入射光子的波长为 3-3 nm, 反冲电子的速度为光速的 6%, 求散射光子的波长和散射角. 解 : 根据能量守恒定律 : c m c c m v c c m c ' mc mc ( v sin 3 8 m c ( ) c ) 65. 7

29 第 9 页共 4 页 例 6-5 波长为 =. nm 的 X 射线与自由电子发生碰撞, 若从与入射角成 9 角的方向观察散射线. 求 :() 散射线的波长 ;() 反冲电子的动能 ;(3) 反冲电子的动量. 解 :() () m c ( cos ) nm.4 nm E k c c 8 c ( cos9) J p e

30 第 3 页共 4 页 (3) 反冲电子的动量 p e tan kg ms tan p e

31 第 3 页共 4 页 5.4 玻尔氢原子理论 5.4. 经典氢原子模型 (atomic model). 汤姆逊模型 (93) 897 年汤姆逊发现电子 汤姆逊西瓜 Josep Jon Tomson Te Nobel Prize in Pysics 96

32 第 3 页共 4 页. 卢瑟福核式模型 (9) 原子由原子核 (atomic nucleus) 和核外电子构成, 原子核带正电荷, 占据整个原子的极小一部分空间, 而电子带负电, 绕着原子核转动. 原子半径 r = - m, 原子核半径 r = -4 ~ -5 m. Ernest Ruterford Te Nobel Prize in Cemistry 98 α 粒子的大角散射 问题 : 原子的稳定性问题? 原子分立的线状光谱? + 汤姆逊模型无法解释 α 粒子散射实验. -

33 5.4. 氢原子 (ydrogen atom) 光谱 H H H H nm 486. nm 434. nm 4. nm 氢原子光谱是有规律的分立线状光谱 885 年巴耳末得到氢原子可见光谱线 ( Balmer series) 波长的经验公式 : B n n ( n 3,4,5, ) B nm Joann Jakob Balmer 第 33 页共 4 页

34 定义波数 : ~ ~ R n 巴耳末公式 889 年里德伯和里兹发现普遍公式 : Janne Rydberg ~ RH k n 里德伯常数 : R H T k T n 7 (n > m) m 谱线的波数可以表示为两光谱项之差. 第 34 页共 4 页 Walter Ritz

35 第 35 页共 4 页 氢原子光谱的波数 赖曼系 ( 紫外光 ) T. Lyman 94 年发现 ~ R H n n,3, 巴尔末系 ( 可见光 ) ~ R H n n 3,4, T. Lyman 帕邢系 ( 红外光 ) F. Pascen 98 年发现 布喇开系 ( 红外光 ) F. Brackett 9 年发现 ~ ~ R H R H 3 4 n n n n 4,5, 5,6, F. Pascen 普芳德系 ( 红外光 ) H.A. Pfund 94 年发现 ~ R H 5 n n 6,7, A.H. Pfund

36 第 36 页共 4 页 玻尔氢原子理论. 玻尔假设 ( 玻尔理论 ): ) 定态 (stationary state) 假设 : 电子在原子中沿一组特殊轨道运动, 并处于稳定的能量状态. ) 频率定则 : 当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁 (transition) 时, 要发射或吸收光子. E n E k Niels Bor Te Nobel Prize in Pysics 9 3) 轨道角动量量子化 : L mvr n π n ( n,,3, )

37 第 37 页共 4 页. 半经典理论推导 由基本假设计算能量和轨道半径 : 由经典力学 : vn e e m r n rn 4π rn 4π mv 由玻尔量子化条件 : n v n ( n,,3, ) π mr n n 得 r n 玻尔半径 (Bor radius): 电子的轨道半径 : n π me r r n r π me, 4r,9 r.59, m

38 第 38 页共 4 页 原子的总能量应为 : 电子的动能 + 电子和核间的库仑势能 e mv ( ) 4π r 则轨道能量 : e En mvn 4π r 得 E n me 氢原子的基态 (ground state) 能量 : 4 me E 3.6 ev 8 氢原子的激发态 (excitation state) 能量 : n E 4 8 n n E 4, E 9,

39 第 39 页共 4 页 E n (ev) 氢原 子能级图 巴尔末系 帕邢系 普芳德系布喇开系 n 年诺贝尔物理学奖 赖曼系

40 第 4 页共 4 页 ) ( n k me E E k n 氢光谱的解释 : 里德伯常数的理论值 : H m c me R ) ( 8 ~ 3 4 n k c me 7 H m R 里德伯常数的实验值 :

41 第 4 页共 4 页 例 6-6 如用能量为.6 ev 的电子轰击氢原子, 将产生哪些谱线? 解 : E E n E 3.6 ev.6 ev ( 3.6 n 3.6 n 3.69 取 n = ev) 可能的轨道跃迁 : 3,3, c c c E 3 E E 3 E E E m m m

42 第 4 页共 4 页 例 6-7 氢原子中把 n = 状态下的电子移离原子需要多少能量? 解 : n, k E E E 3.6 ev 3.4 ev

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主要内容 7.1 光速的测定光的相速度和群速度 7. 经典辐射定律 7.3 普朗克辐射公式能量子 7.4 光电效应 7.5 爱因斯坦的量子解释 7.6 康普顿效应 第七章光的量子性 Chap.7 Quantization of Light 主讲教师 : 朱伟玲 1 主要内容 7.1 光速的测定光的相速度和群速度 7. 经典辐射定律 7.3 普朗克辐射公式能量子 7.4 光电效应 7.5 爱因斯坦的量子解释 7.6 康普顿效应 7.1 光速的测定光的相速度和群速度 一 实验室方法 二 激光测速法 长度单位 米 的定义 三 光的相速度和群速度 3 一 实验室方法

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