物質觀的革命量子論

物質觀的革命量子論第1頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日神奇的空間隧道?

一個測不準的世界?

一個不可知的世界?第2頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日任何物體在任何溫度下都要發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物質中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象為熱輻射。一，黑體輻射的紫外災難什么是熱輻射(自發(fā)輻射）1兩個概念第3頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日固體在溫度升高時顏色的變化1400K800K1000K1200K物體輻射總能量及能量按波長分布都決定于溫度。維恩定律：第4頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日能夠吸收外來一切電磁波輻射而毫無反射的物體—絕對黑體，簡稱黑體。物理模型什么是絕對黑體第5頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日2.黑體的輻射的實驗規(guī)律

會聚透鏡空腔小孔平行光管棱鏡熱電偶第6頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日1700K1500K1300K1100K012345絕對黑體的輻出度按波長分布曲線實驗曲線第7頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日(1)維恩公式如何從理論上找到符合實驗曲線的函數(shù)式

這個公式與實驗曲線波長短處符合得很好，但在波長很長處與實驗曲線相差較大。第8頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日(2)瑞利--金斯公式

這個公式在波長很長處與實驗曲線比較相近，但在短波區(qū)，按此公式，將隨波長趨向于零而趨向無窮大的荒謬結果，即“紫外災難”。

維恩公式和瑞利-金斯公式都是用經典物理學的方法來研究熱輻射所得的結果，都與實驗結果不符，明顯地暴露了經典物理學的缺陷。黑體輻射實驗是物理學晴朗天空中一朵令人不安的烏云。第9頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日0123456789實驗值維恩線瑞利-金斯線紫外災難埃倫費斯特稱之為紫外災難。瑞利像第10頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日高頻段符合低頻段符合{

為了解決上述困難，普朗克利用內插法將適用于短波的維恩公式和適用于長波的瑞利-金斯公式銜接起來，提出了一個新的公式：普朗克常數(shù)第11頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日o實驗值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災難普朗克線12345678第12頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日3.2輻射的量子理論

普朗克

提出量子假說

普朗克（德）（1858--1947），量子論的奠基人，1900年12月14日他在德國物理學會上，宣讀了以《關于正常光譜中能量分布定律的理論》為題的論文，提出了能量的量子化假設，并導出了能量的分布公式，勞厄稱這一天是“量子論的誕生日”。第13頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日①.金屬空腔壁中電子的振動可視為一維諧振子，它吸收或發(fā)射電磁波輻射能時與振子的頻率成正比的能量子h為基本單元來吸收可發(fā)射能量。②.空腔壁上帶電諧振子所吸收或發(fā)射的能量是h的整數(shù)倍。普朗克量子假設的內容第14頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日量子經典

能量子的概念是非常新奇的，它沖破了傳統(tǒng)的概念，揭示了微觀世界中一個重要規(guī)律，開創(chuàng)了物理學的一個全新領域。第15頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日h——普朗克常數(shù)，就好象普羅米修斯從天上引來的一粒火種，使人們從傳統(tǒng)思想的束縛下獲得了解放!黑體輻射，光電效應，原子光譜，康普頓效應等都是普朗克假說的發(fā)展結果，是經典物理所不能解釋的。由于普朗克發(fā)現(xiàn)了能量子，對建立量子理論作出了卓越貢獻，獲1918年諾貝爾物理學獎。第16頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日這個發(fā)現(xiàn)將人類的觀念——不僅是有關經典科學的觀念，而且是有關通常思維方式的觀念的基礎砸得粉碎?！柕?7頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日二．原子模型Thomson模型（1898年）葡萄干布丁模型正電荷均勻分布于原子球體內，電子嵌于其中。第18頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日第一個鉆到原子中心的人——盧瑟福盧瑟福1871年8月13日生于新西蘭一個蘇格蘭移民后裔家庭。1894年大學畢業(yè)，考入劍橋大學三一學院，成為J.J.湯姆孫第一個外國研究生。

第19頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日盧瑟福的助手蓋革和學生馬斯登做的α粒子散射實驗。盧瑟福α粒子散射實驗裝置示意圖如果你將一顆15英寸的大炮彈射向一張薄紙，炮彈竟然會反射回來打中你自己！”第20頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日這種α粒子被反射回來的現(xiàn)象是葡萄干布丁模型無法解釋的。在做了大量的實驗和理論計算和深思熟慮后，他才大膽地提出了有核原子模型，推翻了他的老師湯姆遜的實心帶電球原子模型第21頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日盧瑟福提出有核模型：全部正電荷Ze集中在原子球體中心，大約占原子體積幾萬分之一大小的范圍內，構成原子核。原子質量幾乎全（99.9%以上）集中于此。Z個電子在核外憑借其與正電荷的庫侖力做繞核運動，也就類似于行星那樣的運動。

第22頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日布丁模型原子的散射有核模型原子的散射第23頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日二電子分布的殼層結構就在盧瑟福高興地向同事們宣布“我現(xiàn)在總算知道原子是什么了”，“原子的真相大白了”的同時，新的問題又出現(xiàn)了。第24頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日1．原子行星模型的困難原子穩(wěn)定性困難電子加速運動輻射電磁波，能量不斷損失，電子回轉半徑不斷減小，最后落入核內，原子塌縮。原子壽命光譜分立性困難電磁波頻率等于電子回轉頻率，發(fā)射光譜為連續(xù)譜。電子繞核運動頻率第25頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日尼爾斯·玻爾玻爾，丹麥物理學家，哥本哈根學派的創(chuàng)始人。1885年10月7日生于哥本哈根，1903年入哥本哈根大學數(shù)學和自然科學系，主修物理學。1907年以有關水的表面張力的論文獲得丹麥皇家科學文學院的金質獎章，并先后于1909年和1911年分別以關于金屬電子論的論文獲得哥本哈根大學的科學碩士和哲學博士學位。隨后去英國學習，先在劍橋J．J．湯姆孫主持的卡文迪什實驗室，幾個月后轉赴曼徹斯特，參加了以E．盧瑟福為首的科學集體，從此和盧瑟福建立了長期的密切關系第26頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日2．玻爾模型（1913年）背景：能量子和光子假設、核式模型、原子線光譜(1)定態(tài)（stationarystate）假設電子只能在一系列分立的軌道上繞核運動，且不輻射電磁波，能量穩(wěn)定。電子軌道和能量分立第27頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日(2)躍遷（transition）假設原子在不同定態(tài)之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發(fā)射能量。吸收發(fā)射頻率規(guī)則第28頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日弗蘭克－赫茲實驗原子光譜分立性原子內部能量量子化證據1914年Franck和Hertz實驗發(fā)現(xiàn)原子經電子碰撞后吸收能量的分立性第29頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日玻爾理論是經典與量子理論的混合物，存在著內在的不協(xié)調，內在的矛盾。玻爾理論的缺陷玻爾理論仍然以經典理論為基礎，定態(tài)假設又和經典理論相抵觸。●量子化條件的引進沒有適當?shù)睦碚摻忉??！駥ψV線的強度、寬度、偏振等無法處理?！竦?0頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日四，物質粒子的雙重屬性和量子力學的建立德布羅意

法國物理學家，1929年諾貝爾物理學獎獲得者，波動力學的創(chuàng)始人，量子力學的奠基人之一。第31頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

德布羅意之前，人們對自然界的認識，只局限于兩種基本的物質類型：

實物和場。第32頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日E=hv德布羅意的獲獎論文德布羅意的觀點:

既然光具有波粒二象性，那么實物粒子如電子、質子等也應該具有波動性和粒子性。第33頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日p德布羅意關系第34頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日第35頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日第36頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日實驗驗證:X射線照在晶體上可以產生衍射，電子打在晶體上也能觀察電子衍射。1923年，德布羅意又提出了作電子衍射實驗的設想。1924年，又提出用電子在晶體上作衍射實驗的想法。1927年，戴維孫和革末用實驗證實了電子具有波動性，不久，G.P.湯姆孫與戴維孫完成了電子在晶體上的衍射實驗。第37頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日戴維孫-革末實驗示意圖

鎳單晶電子槍入射束散射束電子探測器戴維森像第38頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

1927年G.P.湯姆遜（J.J.湯姆遜之子）也獨立完成了電子衍射實驗。與C.J.戴維森共獲1937年諾貝爾物理學獎。屏P多晶薄膜高壓柵極陰極G·P·湯姆遜像X射線衍射的圖樣

第39頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

電子的單縫、雙縫、三縫和四縫衍射實驗。（約恩遜1961)自然界中的一切微觀粒子，不論它們的靜止質量是否為零，都具有波粒二象性。30年代以后，實驗發(fā)現(xiàn)，中子、質子、中性原子都具有衍射現(xiàn)象。第40頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日波動方程薛定諤像薛定諤（ErwinSchr?dinger,

1887--1961）奧地利物著名的理論物理學家，量子力學的重要奠基人之一，同時在固體的比熱、統(tǒng)計熱力學、原子光譜及鐳的放射性等方面的研究都有很大成就。第41頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

薛定諤的波動力學，是在德布羅意提出的物質波的基礎上建立起來的。他把物質波表示成數(shù)學形式，建立了稱為薛定諤方程的量子力學波動方程。薛定諤方程在量子力學中占有極其重要的地位，它與經典力學中的牛頓運動定律的價值相似。

薛定諤對原子理論的發(fā)展貢獻卓著，因而于1933年同英國物理學家狄拉克共獲諾貝爾物理獎金。第42頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

質量為m的粒子在勢能為的外力場中運動，含時薛定諤方程為：定態(tài)薛定諤方程第43頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日物質波的統(tǒng)計解釋物質波振幅的平方與粒子在該處鄰近出現(xiàn)的概率成正比。粒子觀點電子密處，概率大。電子疏處，概率小。波動觀點電子密處，波強大。電子疏處，波強小。電子出現(xiàn)的概率反映該處的波強。波強振幅A2粒子密度概率機械波是機械振動在空間傳播，德波是對微觀粒子運動的統(tǒng)計。第44頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日氫原子五次瞬間照像若干張氫原子瞬間照片疊印第45頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日氫原子的電子云圖氫原子電子云界面圖電子在這個界面內出現(xiàn)的幾率很大（95%以上），而在界面外出現(xiàn)的幾率很?。?%以下）。第46頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日海森堡像矩陣力學的創(chuàng)立

海森伯（W.K.Heisenberg，1901--1976）德國理論物理學家。他在1925年為量子力學的創(chuàng)立作出了最早的貢獻，于26歲時提出的不確定關系和物質波的概率解釋，奠定了量子力學的基礎。為此，他于1932年獲諾貝爾物理學獎。第47頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

[u1]海森堡測不準原理粒子坐標x，動量p，能量E和壽命t,它們的變化范圍分別為△x，△p，△E和△t，滿足△x·△p≥h△t·△E≥h即：

微觀粒子的坐標和動量不可能同時被測準微觀粒子的能量和壽命不可能同時被測準第48頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日第49頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日第50頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日矩陣力學與波動力學的統(tǒng)一既然矩陣力學與波動力學描述了同一物理現(xiàn)象，它們之間是否存在著內在的聯(lián)系？薛定諤證明了矩陣力學和波動力學的等價性。1926年，狄拉克提出了普遍的變換理論，使兩種力學進一步得到和諧與統(tǒng)一，將其統(tǒng)稱為量子力學，并引進了狄拉克符號，奠定了粒子物理和量子電動力學的基礎，因此狄拉克與薛定諤共獲1933年諾貝爾物理獎。量子理論的發(fā)展第51頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日互補原理玻耳：既然微觀粒子具有波粒二象性，而且波動特性和粒子特性不會在同一測量中同時出現(xiàn)，那么這兩種特性也不會在同一個實驗中直接沖突；另一方面，盡管波和粒子這兩種經典概念是互斥的，但它們能完整、全面地描述微觀現(xiàn)象和過程。從這個意義上說，波和粒子兩種描述是是互補的，缺一不可。尤如給繪畫中的互補色、音樂中的互補音?；堇眨骸霸谖?，互補觀念似乎是革命性的。然而，玻耳高興地發(fā)現(xiàn)，在東方。互補觀念是一種自然的思想方法。為了采用象征性的方法來表達互補，玻耳選擇了中文的‘陰陽’”第52頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日U0勢壘123經典理論1.E>U0的粒子，越過勢壘。2.E<U0的粒子，不能越過勢壘。量子理論1.E>U0的粒子，也存在被彈回的概率——反射波。2.E<U0的粒子，也可能越過勢壘到達3區(qū)——

隧道效應。oa四、隧道效應和掃描隧道顯微鏡第53頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日隧道效應：在粒子總能量低于勢壘高的情況下，粒子能越過勢壘甚至能穿透有一定寬度的勢壘。賓寧和羅勒于1982年制成了掃描隧道顯微鏡。用一金屬探針在被觀察的金屬表面上方相距約10A0處平行移動進行掃描，于是探針、空氣隙、金屬表面構成一個電子隧道體系。加一微小電壓，從隧道電流的變化，就可以分辨出金屬表面原子結構的細微特征掃描隧道顯微鏡（STM）第54頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日STM裝置示意圖第55頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日STM獲得的硅晶體表面原子排列第56頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日利用STM不僅能直接關產原子排列情況，還能實現(xiàn)對單個原子的操作。中國科學院用STM對材料表面進行微加工，制成世界上最小的中國地圖。第57頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)：光子隧道信息PSTM成象原理第58頁，共66頁，2023年，2月20日，星