量子物理前三節(jié)

1、16. 1 量子物理學(xué)的誕生量子物理學(xué)的誕生 普朗克量子假設(shè)普朗克量子假設(shè) 16. 2 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 愛因斯坦光子理論愛因斯坦光子理論16. 3 康普頓效應(yīng)及光子解釋康普頓效應(yīng)及光子解釋16. 4 氫原子光譜氫原子光譜 玻爾的氫原子理論玻爾的氫原子理論16. 6 波函數(shù)波函數(shù) 一維定態(tài)薛定諤方程一維定態(tài)薛定諤方程 本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：16. 5 微觀粒子的波粒二象性微觀粒子的波粒二象性 不確定關(guān)系不確定關(guān)系16.7 電子自旋電子自旋 四個(gè)量子數(shù)四個(gè)量子數(shù)16. 8 原子的電子殼層結(jié)構(gòu)原子的電子殼層結(jié)構(gòu) Xian Jaotong University16.1 量子物理學(xué)的誕生量子物理學(xué)的誕生

2、 普朗克量子假設(shè)普朗克量子假設(shè)熱輻射熱輻射 : 由溫度決定的物體的電磁輻射。由溫度決定的物體的電磁輻射。u 熱輻射熱輻射的基本概念的基本概念入射入射反射反射透射透射吸收吸收輻射輻射v 物體輻射電磁波的同時(shí)也吸收電磁波物體輻射電磁波的同時(shí)也吸收電磁波v輻射和吸收達(dá)到平衡時(shí)，物體的溫度不再變化，此時(shí)輻射和吸收達(dá)到平衡時(shí)，物體的溫度不再變化，此時(shí)物體的熱輻射稱為物體的熱輻射稱為平衡熱輻射平衡熱輻射。Xian Jaotong University單色輻出度單色輻出度 - 在一定溫度在一定溫度T 下，物體單位表面積在單位時(shí)下，物體單位表面積在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的波長在間內(nèi)發(fā)射的波長在 +d 范圍內(nèi)的輻射能與

3、波范圍內(nèi)的輻射能與波長間隔的比值，長間隔的比值， 即即 d)(d)(TMTM)(TM (4)(4)物體的輻射本領(lǐng)與溫度、材料有關(guān)；物體的輻射本領(lǐng)與溫度、材料有關(guān)； 輻射本領(lǐng)越大，吸收本領(lǐng)也越大。輻射本領(lǐng)越大，吸收本領(lǐng)也越大。 熱輻射熱輻射的特點(diǎn)的特點(diǎn): :(1)(1)連續(xù)連續(xù)(2)(2)溫度越高溫度越高, ,輻射越強(qiáng)輻射越強(qiáng)(3)(3)頻譜分布隨溫度變化頻譜分布隨溫度變化Xian Jaotong Universityu 黑體輻射黑體輻射絕對黑體絕對黑體(黑體黑體)：能夠全部吸收各種波長的輻射且不反射能夠全部吸收各種波長的輻射且不反射 和透射的物體。和透射的物體。黑體輻射的特點(diǎn)黑體輻射的特點(diǎn) ：

4、 與同溫度與同溫度其它物體其它物體的熱輻射相比，的熱輻射相比，黑體熱輻射黑體熱輻射本領(lǐng)本領(lǐng)最強(qiáng)最強(qiáng) 煤煙煤煙 約99% 黑體模型黑體模型 （帶有小孔的空腔）（帶有小孔的空腔）黑體熱輻射黑體熱輻射溫度溫度材料性質(zhì)材料性質(zhì)Xian Jaotong Universityu 經(jīng)典物理的解釋及普朗克公式經(jīng)典物理的解釋及普朗克公式MB NoImageNoImage瑞利瑞利 金斯公式金斯公式(1900年年)維恩公式維恩公式(1896年年)121)(25 kThcBehcTM 普朗克公式普朗克公式(1900年年)實(shí)驗(yàn)曲線實(shí)驗(yàn)曲線普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) h = 6.62610-34 Js （為得到這一公式，普朗克

5、提出（為得到這一公式，普朗克提出了能量量子化假設(shè)）了能量量子化假設(shè)）Xian Jaotong University電電磁磁波波u 普朗克能量子假設(shè)普朗克能量子假設(shè) 若諧振子頻率為若諧振子頻率為 v ，則其能量是，則其能量是hv , 2hv, 3hv , , nhv , 首次提出微觀粒子首次提出微觀粒子的的能量是量子化的，打破了經(jīng)典物理學(xué)中能量是量子化的，打破了經(jīng)典物理學(xué)中能量能量連續(xù)的連續(xù)的觀念。觀念。普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) h = 6.62610-34 Js 腔壁上的原子腔壁上的原子(諧振子諧振子)能能量量與腔內(nèi)電磁場交換能量時(shí)，諧振子能與腔內(nèi)電磁場交換能量時(shí)，諧振子能量的變化是量的變化是 h

6、v (能量子能量子) 的整數(shù)倍的整數(shù)倍.r 意義意義打開了人們認(rèn)識微觀世界的大門打開了人們認(rèn)識微觀世界的大門, ,在物理學(xué)發(fā)展史上起了劃時(shí)代的作用在物理學(xué)發(fā)展史上起了劃時(shí)代的作用. .Xian Jaotong University伏安特性曲線伏安特性曲線16.2.1 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1) 飽和電流飽和電流 iS (2) 遏遏止電壓止電壓 Ua iS :單位時(shí)間單位時(shí)間 陰極產(chǎn)生的陰極產(chǎn)生的光電子數(shù)光電子數(shù)amUme221v I（I, v)AKU16.2 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 愛因斯坦光子假說愛因斯坦光子假說iS3iS1iS2I1I2I3-UaUiI1I2I3 Ua光電子最大初

7、動(dòng)能和光電子最大初動(dòng)能和 成線性關(guān)系成線性關(guān)系遏止電壓與頻率關(guān)系曲線遏止電壓與頻率關(guān)系曲線和和v 成成線線性性關(guān)關(guān)系系i(實(shí)驗(yàn)裝置示意圖實(shí)驗(yàn)裝置示意圖) 0A)(oaKU)(o(3) 截止頻率截止頻率 0(4) 即時(shí)發(fā)射即時(shí)發(fā)射:遲滯時(shí)間不超過遲滯時(shí)間不超過 10-9 秒秒Xian Jaotong Universityu 經(jīng)典物理與實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾經(jīng)典物理與實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾 電子在電磁波作用下作受迫振動(dòng)，直到獲得足夠能量電子在電磁波作用下作受迫振動(dòng)，直到獲得足夠能量(與與 光強(qiáng)光強(qiáng) I 有關(guān)有關(guān)) 逸出，不應(yīng)存在紅限逸出，不應(yīng)存在紅限 0 。 當(dāng)光強(qiáng)很小時(shí)，電子要逸出，必須經(jīng)較長時(shí)間的能量積累。當(dāng)

8、光強(qiáng)很小時(shí)，電子要逸出，必須經(jīng)較長時(shí)間的能量積累。 只有光的頻率只有光的頻率 0 時(shí)，電子才會逸出。時(shí)，電子才會逸出。 逸出光電子的多少取決于光強(qiáng)逸出光電子的多少取決于光強(qiáng) I 。 光電子即時(shí)發(fā)射，滯后時(shí)間不超過光電子即時(shí)發(fā)射，滯后時(shí)間不超過 109 秒秒。r 總結(jié)總結(jié) 光電子最大初動(dòng)能和光頻率光電子最大初動(dòng)能和光頻率 成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 光電子最大初動(dòng)能取決于光強(qiáng)，和光的頻率光電子最大初動(dòng)能取決于光強(qiáng)，和光的頻率 無關(guān)。無關(guān)。Xian Jaotong University16.2.2 愛因斯坦光子假說愛因斯坦光子假說 光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)方程 光是光子流光是光子流 ，每一光子能量為，每

9、一光子能量為 h ，電子吸收一個(gè)光子電子吸收一個(gè)光子2m21vmAh（A A 為為逸逸出功出功）即一個(gè)電子脫離金屬表面時(shí)為克即一個(gè)電子脫離金屬表面時(shí)為克服表面阻力所需做的功服表面阻力所需做的功 單位時(shí)間到達(dá)單位垂直面積的光子數(shù)為單位時(shí)間到達(dá)單位垂直面積的光子數(shù)為N，則光強(qiáng)，則光強(qiáng) I = Nh . I 越強(qiáng)越強(qiáng) , 到陰極的光子越多到陰極的光子越多, 則則逸逸出的光電子越多。出的光電子越多。 電子吸收一個(gè)光子即可逸出，不需要長時(shí)間的能量積累。電子吸收一個(gè)光子即可逸出，不需要長時(shí)間的能量積累。 光頻率光頻率 A/h 時(shí)，時(shí)，電子吸收一個(gè)光子即可克服逸出功電子吸收一個(gè)光子即可克服逸出功 A 逸出逸

10、出 ( o= A/h) 。r 結(jié)論結(jié)論 光電子最大初動(dòng)能和光頻率光電子最大初動(dòng)能和光頻率 成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 Xian Jaotong University一銅球用絕緣線懸掛于真空中，被波長為一銅球用絕緣線懸掛于真空中，被波長為 =150 nm 的光照射。已的光照射。已知銅的逸出功為知銅的逸出功為 4.5eV 。銅球失去電子后帶正電，電勢升高，使束縛電子的勢銅球失去電子后帶正電，電勢升高，使束縛電子的勢壘也升高，設(shè)銅球表面的電勢為壘也升高，設(shè)銅球表面的電勢為U ，逸出電子的速度逸出電子的速度為為v ，銅的逸出功為，銅的逸出功為A，愛因斯坦光電效應(yīng)方程為，愛因斯坦光電效應(yīng)方程為逸出電子的最

11、大動(dòng)能為零時(shí)，銅球電勢達(dá)最高逸出電子的最大動(dòng)能為零時(shí)，銅球電勢達(dá)最高U max，有，有AUmhe212vAUhmaxeAUchmaxeemaxAchU)V(8 . 3eeV)5 . 43 . 8(解解例例銅球因失去電子而能達(dá)到的最高電勢。銅球因失去電子而能達(dá)到的最高電勢。求求Xian Jaotong Universitychchm2hchcmp光子動(dòng)量光子動(dòng)量16.2.3 光（電磁輻射）的波粒二象性光（電磁輻射）的波粒二象性hcmE2光子能量光子能量光子質(zhì)量光子質(zhì)量粒子性粒子性波動(dòng)性波動(dòng)性r 光電效應(yīng)的應(yīng)用光電效應(yīng)的應(yīng)用 光電管光電管: 光電開關(guān)光電開關(guān), , 紅外成像儀紅外成像儀, ,光電傳

12、感器等光電傳感器等光電光電倍增倍增管管: ( (微光微光) )夜視儀夜視儀Xian Jaotong University測量波長在測量波長在 2001200 nm 極微弱光的功率極微弱光的功率光電倍增管光電倍增管Xian Jaotong University 0 0 v 散射線中有兩種波長散射線中有兩種波長 0 0 、 ，0隨散射角隨散射角 的增大而增大。的增大而增大。探測器 016. 3 康普頓效應(yīng)及光子理論解釋康普頓效應(yīng)及光子理論解釋16.3.1 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)X 光管光闌散射物體(實(shí)驗(yàn)裝置示意圖）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖）v 散射物體不同，散射物體不同， 0 0 、 的強(qiáng)度比不同。的強(qiáng)度比不

13、同。Xian Jaotong Universityu 經(jīng)典物理的解釋經(jīng)典物理的解釋經(jīng)典理論只能說明波長不變的散射，而經(jīng)典理論只能說明波長不變的散射，而不能不能說明說明康普頓散射康普頓散射電子受電子受迫振動(dòng)迫振動(dòng)同頻率同頻率散射線散射線發(fā)射發(fā)射 單色單色電磁波電磁波受迫振動(dòng)受迫振動(dòng)v000 00 照射照射散射物體Xian Jaotong University16.3.2 光子理論的解釋光子理論的解釋能量、動(dòng)量守恒能量、動(dòng)量守恒(1) 入射光子與外層電子彈性碰撞入射光子與外層電子彈性碰撞 外層外層電子電子受原子核束縛較弱受原子核束縛較弱動(dòng)能動(dòng)能光子能量光子能量 近似自由近似自由近似靜止近似靜止靜止

14、靜止 自自由由 電子電子sinsincoscos0vvmchmchch2200mchcmh0hh20cm2mcch0chvm0Xian Jaotong Universitysinsincoscos0vvmchmchch2200mchcmh)cos2(02202222 hcm v2002)(cmhmc)cos1 ()(0020hcm2sin2)cos1 (2000ccmhccnm 0024. 0/0cmhc（電子的康普頓波長）（電子的康普頓波長）其中其中Xian Jaotong University(2) X 射線光子和原子內(nèi)層電子相互作用射線光子和原子內(nèi)層電子相互作用光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子，碰撞時(shí)

15、光子不損失能量，波長不變。光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子，碰撞時(shí)光子不損失能量，波長不變。自由電子000內(nèi)層電子被緊束縛，光子相當(dāng)于和整個(gè)原子發(fā)生碰撞。內(nèi)層電子被緊束縛，光子相當(dāng)于和整個(gè)原子發(fā)生碰撞。光子光子內(nèi)層電子內(nèi)層電子外層電子外層電子波長變大的散射線波長變大的散射線波長不變的散射線波長不變的散射線v 波長變化波長變化r 結(jié)論結(jié)論2sin220cmh 原子Xian Jaotong Universityv 強(qiáng)度變化強(qiáng)度變化 波長波長 0 輕物質(zhì)（多數(shù)電子處于弱束縛狀態(tài)輕物質(zhì)（多數(shù)電子處于弱束縛狀態(tài) ）弱弱強(qiáng)強(qiáng)重物質(zhì)（多數(shù)電子處于強(qiáng)束縛狀態(tài)重物質(zhì)（多數(shù)電子處于強(qiáng)束縛狀態(tài) ）強(qiáng)強(qiáng)弱弱吳吳有有訓(xùn)訓(xùn)實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果Xian Jaotong University例例 0 = 0.02nm 的的X射線與靜止的自由電子碰撞射線與靜止的自由電子碰撞, 若從與入射線若從與入射線 成成900的方向觀