12-1量子論的出現(xiàn).ppt

1、12-1 量子論的出現(xiàn),量子概念是 1900 年普朗克首先提出，距今已有 100 多年的歷史. 其間，經(jīng)過愛因斯坦、玻爾、德布羅意、玻恩、海森伯、薛定諤、狄拉克等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到 20 世紀 30 年代，就建立了一套完整的量子力學理論.,1 黑體,黑體是理想模型,一 黑體輻射和普朗克能量子假設(shè),熱輻射的基本概念,（1）單色輻射出射度 單位時間內(nèi)從物體單位表面積發(fā)出的頻率在 附近單位頻率區(qū)間內(nèi)的電磁波的能量.,（2）輻射出射度,單位時間，單位面積上所輻射出的各種頻率（或各種波長）的電磁波的能量總和.,0 2 4 6 8 10 12,太陽,鎢絲,鎢絲和太陽的單色輻出度曲線,0 1 000

2、 2 000,0.5,黑體單色輻出度的實驗曲線,1.0,2 黑體輻射的實驗規(guī)律,(1) 斯特藩 - 玻耳茲曼定律,斯特藩 - 玻耳茲曼常量,總輻出度,式中,0.5,(2) 維恩位移定律,常量,峰值波長,3 經(jīng)典物理的困難,瑞利 - 金斯公式,普朗克（1858 1947）,德國理論物理學家，量子論的 奠基人. 1900年他在德國物理學 會上，宣讀了以關(guān)于正常光譜 中能量分布定律的理論為題的 論文. 勞厄稱這一 天是“量子論的 誕生日”.量子論 和相對論構(gòu)成了近代物理學的研究 基礎(chǔ).,黑體中的分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子的能量狀態(tài)是分立的，相應的能量是某一最小能量的整數(shù)倍，即 ，2 ，

3、3 ， n , 稱為能量子，n 為量子數(shù).,普朗克量子假設(shè)是量子力學的里程碑.,4 普朗克能量子假設(shè),普朗克黑體輻射公式,普朗克常數(shù),0 1 2 3,6,瑞利 - 金斯公式,2,4,實驗值與普朗克公式理論曲線比較,T = 2 000 K,二 光電效應和愛因斯坦光量子理論,1 光電效應,（1）光電流強度與入射光強成正比.,（2）截止頻率（紅限）,截止頻率與材料有關(guān)與光強無關(guān).,對某種金屬來說，只有入射光的頻率大于某一頻率0時，電子才會從金屬表面逸出. 0稱為截止頻率或紅限頻率.,遏止電勢差與入射光頻率具有線性關(guān)系.,（4） 瞬時性,使光電流降為零所外加的反向電勢差稱為遏止電勢差 ，對不同的金屬，

4、 的量值不同.,（3）遏止電勢差,按經(jīng)典理論,電子逸出金屬所需的能量，需要有一定的時間來積累, 與實驗結(jié)果不符.,2 經(jīng)典理論遇到的困難,紅限問題,瞬時性問題,按經(jīng)典理論,無論何種頻率的入射光,只要強度足夠大，就能使電子逸出金屬. 與實驗結(jié)果不符.,光可看成是由光子組成的粒子流，單個光子的能量為,3 愛因斯坦光量子理論,(1) “光量子”假設(shè),(2) 愛因斯坦光電效應方程,逸出功與材料有關(guān),理論解釋:,幾種金屬逸出功的近似值(eV),遏止電勢差,外加反向的遏止電勢差 恰能阻礙光電子到達陽極, 即,愛因斯坦的光子理論圓滿地解釋了光電效應現(xiàn)象.,（截止頻率）,(3) 普朗克常數(shù)的測定,4 光的波粒

5、二象性,相對論能量和動量關(guān)系,（2）粒子性： （光電效應等）,（1）波動性：光的干涉和衍射,光子,光子,END,光電倍增管,光電效應在近代技術(shù)中的應用,光控繼電器、自動控制、 自動計數(shù)、自動報警等.,1920年，美國物理學家康普頓在觀察X 射線被物質(zhì)散射時，發(fā)現(xiàn)散射線中含有波長發(fā)生了變化的成分散射束中除了有與入射束波長 0 相同的射線，還有波長 0 的射線.,三 康普頓效應,1 實驗裝置,2 實驗結(jié)果,（相對強度）,（波長）,波長的偏移 ( ) 與 散射角有關(guān).,與散射物體無關(guān).,3 經(jīng)典理論的困難,按經(jīng)典電磁理論，帶電粒子受到入射電磁波的作用而發(fā)生受迫振動，從而向各個方向輻射電磁波，散射束的

6、頻率應與入射束頻率相同，帶電粒子僅起能量傳遞的作用. 可見，經(jīng)典理論無法解釋波長變長的散射線.,(1) 物理模型,入射光子（ X 射線或 射線）能量大 .,4 量子解釋,范圍為：,電子反沖速度很大，用相對論力學處理.,電子熱運動能量 ，可近似為靜止電子.,固體表面電子束縛較弱，視為近自由電子.,入射光子與散射物質(zhì)中束縛微弱的電子彈性碰撞時，一部分能量傳給電子，散射光子能量減少，頻率下降、波長變大.,(2) 定性分析,光子與原子中束縛很緊的電子發(fā)生碰撞，近似與整個原子發(fā)生彈性碰撞時，能量不會顯著減小，所以散射束中出現(xiàn)與入射光波長相同的射線.,1 氫原子光譜的實驗規(guī)律,1885 年瑞士數(shù)學家巴耳末

7、發(fā)現(xiàn)氫原子光譜可見光部分的規(guī)律:,四 玻爾氫原子理論,1890 年瑞典物理學家里德伯給出氫原子光譜公式,里德伯常量,布拉開系,普豐德系,漢弗萊系,紅 外,氫原子光譜的巴耳末系,2 原子核式模型與經(jīng)典物理的困難,1897年， J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子.,1903年，湯姆孫提出原子的“葡萄干蛋糕模型”.,原子中的正電荷和原子的質(zhì)量均勻地分布在半徑為 的球體范圍內(nèi)，電子浸于其中 .,盧瑟福 (E.Rufherford， 18711937),英國物理學家. 1899年發(fā)現(xiàn)鈾鹽放射出、射線，提出天然放射性元素的衰變理論和定律. 根據(jù) 粒子散射實驗，提出了原子的有核模型，把原子結(jié)構(gòu)的研究引上了正確的軌道，因

8、而被譽為原子物理之父,盧瑟福的原子有核模型（行星模型）,原子的中心有一帶正電的原子核 ，它幾乎集中了原子的全部質(zhì)量，電子圍繞這個核旋轉(zhuǎn)，核的尺寸與整個原子相比是很小的.,經(jīng)典有核模型的困難,根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子繞核作勻速圓周運動，作加速運動的電子將不斷向外輻射電磁波.,原子不斷向外輻射能量，能量逐漸減小，電子旋轉(zhuǎn)的頻率也逐漸改變，發(fā)射光譜應是連續(xù)譜；,由于原子總能量減小，電子將逐漸的接近原子核而后相遇，原子不穩(wěn)定.,玻 爾 (Bohr . Niels 1885-1962),1913年玻爾在盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，將量子化概念應用于原子系統(tǒng)，提出三條假設(shè)：,3 玻爾的氫原子理論,(2)

9、躍遷假設(shè),(1) 定態(tài)假設(shè),(3) 軌道角動量量子化條件,電子在原子中可以在一些特定的圓軌道上運動而不輻射電磁波，這時，原子處于穩(wěn)定狀態(tài)，簡稱定態(tài).,(1)定態(tài)假設(shè),與定態(tài)相應的能量分別為 E1，E2 ， E1 E2 E3,(2) 頻率條件,(3)量子化條件,主量子數(shù),4 氫原子軌道半徑和能量的計算,(1)軌道半徑,量子化條件：, 玻爾半徑,(2) 能量,第 軌道電子總能量：,(電離能),基態(tài)能量,激發(fā)態(tài)能量,氫原子能級躍遷與光譜圖,5 玻爾理論對氫原子光譜的解釋,(里德伯常量),(1)正確地指出原子能級的存在(原子能量量子化).,6 氫原子玻爾理論的意義和困難,意義,(3)正確地解釋了氫原子及類氫離子光譜規(guī)律.,(