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1、1，第21章光的量子理論第22章玻爾的氫原子理論第23章量子力學(xué)的基本理論第24章激光與半導(dǎo)體，量子物理學(xué)，2，1光電效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)規(guī)則1實(shí)驗(yàn)裝置的陰極和陽(yáng)極位于真空管中，電源在陽(yáng)極和陰極之間保持一定的電位差。當(dāng)一定波長(zhǎng)的單色光照射到陰極時(shí)，電子(光電子)從陰極表面逃逸出來(lái)，被電場(chǎng)加速后被陽(yáng)極收集，形成光電流。I，3，1光電效應(yīng)，2實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)光電流隨著兩級(jí)間電壓u的增加而增加，當(dāng)u增加到一定值時(shí)，I達(dá)到飽和值im。從陰極逸出的電子都到達(dá)陽(yáng)極。Im與入射光強(qiáng)度成正比。u (v)，I (a)，0，I2，i1，im2，im1，-UC，單位時(shí)間內(nèi)從陰極發(fā)射的光電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度成正比。4，1光電效應(yīng)

2、，(2)當(dāng)u=0，i 0 UUC，i=0。統(tǒng)一通信停止電壓。光電子的最大初始動(dòng)能與停止電壓的關(guān)系為：U (V)、I (A)、0、I2、I1、IM2、IM1、-UC。實(shí)驗(yàn)表明，截止電壓與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，但與入射光的頻率成線性關(guān)系。光電效應(yīng)，光電子的最大初始動(dòng)能隨入射光的頻率線性增加。UC(V)，0，紅色極限頻率，當(dāng)入射光的頻率小于紅色極限頻率時(shí)，無(wú)論入射光的強(qiáng)度如何，都不會(huì)有光電效應(yīng)。與金屬材料無(wú)關(guān)的常數(shù)U0與金屬類型、6，1光電效應(yīng)有關(guān)，(3)無(wú)論入射光的強(qiáng)度如何，從光開(kāi)始照射金屬到光電子逃逸都需要很短的時(shí)間(10-9S)，幾乎沒(méi)有時(shí)間延遲。7，1光電效應(yīng)，2經(jīng)典物理學(xué)與光電效應(yīng)的矛盾根據(jù)經(jīng)

3、典電磁波理論：1光電子的最大初始動(dòng)能應(yīng)由入射光的強(qiáng)度而不是頻率決定。當(dāng)入射光的頻率與金屬中電子的自然頻率一致，并且電子的初始動(dòng)能最大時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振。但事實(shí)是最大初始動(dòng)能與頻率成線性關(guān)系。光波持續(xù)傳播。只要入射光有足夠的強(qiáng)度，任何頻率的入射光都會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。3光電子需要吸收一定量的能量才能從金屬中逃逸，這表明入射光越弱，光電效應(yīng)的時(shí)間延遲越長(zhǎng)。阿爾伯特愛(ài)因斯坦是20世紀(jì)最偉大的自然科學(xué)家和物理革命的旗手。1905年的奇跡愛(ài)因斯坦創(chuàng)造了科學(xué)史上前所未有的奇跡。在今年三月至九月的六個(gè)月中，我在三個(gè)領(lǐng)域做出了四項(xiàng)劃時(shí)代的貢獻(xiàn)：光量子理論、分子運(yùn)動(dòng)理論、狹義相對(duì)論和質(zhì)能等效。愛(ài)因斯坦的光子理論，單光

4、子理論光在空間傳播時(shí)也是粒子。光束是以光速傳播的粒子流。這些粒子被稱為光子。單光子的能量是：光的頻率h普朗克常數(shù)，10，24.2愛(ài)因斯坦光子理論和雙光子理論解釋光電效應(yīng)1愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程光子的能量只能被電子整體吸收。從能量守恒中，我們可以得到：功函數(shù)，當(dāng)電子從金屬表面逃逸時(shí)，克服電阻所需的功。光電子的最大初始動(dòng)能。愛(ài)因斯坦的光子理論，2實(shí)驗(yàn)規(guī)則的解釋(1)入射光強(qiáng)度越大，光子越多，光子與電子的相互作用越多，逸出的光電子越多，飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比。(2)最大初始動(dòng)能與頻率成線性關(guān)系。(3)當(dāng)光照射金屬時(shí)，電子吸收的能量是一次性的，沒(méi)有能量積累就沒(méi)有明顯的時(shí)間延遲。愛(ài)因斯坦的光子理論，

5、三種光的波粒二象性1光同時(shí)具有波和粒子的性質(zhì)。反映波動(dòng)性的特征量：頻率，波長(zhǎng)，反映粒子性質(zhì)的特征量：質(zhì)量，動(dòng)量，能量，能量乘，質(zhì)量，動(dòng)量乘，我們可以知道光子的靜態(tài)質(zhì)量，13。示例：3當(dāng)入射光頻率恒定且強(qiáng)度加倍時(shí)，飽和光電流加倍?？灯疹D散射：美國(guó)物理學(xué)家，因發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)而獲1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?？灯疹D散射，康普頓散射實(shí)驗(yàn)散射：當(dāng)一束光穿過(guò)非均勻材料時(shí)，部分光偏離其原始傳播方向?？灯疹D散射實(shí)驗(yàn)：X射線通過(guò)晶體、X射線管、石墨晶體、探測(cè)器時(shí)的散射，康普頓散射實(shí)驗(yàn)規(guī)則：除了與原始射線波長(zhǎng)相同的成分外，還有波長(zhǎng)大于原始波長(zhǎng)的成分。波長(zhǎng)的變化與散射角有關(guān)，但與原始波長(zhǎng)和散射物質(zhì)無(wú)關(guān)?？灯疹D散射和雙光

6、子理論解釋了康普頓效應(yīng)x光：光子流，每個(gè)光子的能量散射過(guò)程：散射材料中光子和電子之間的彈性碰撞。因?yàn)槲镔|(zhì)中外層電子的動(dòng)能遠(yuǎn)小于入射光子的動(dòng)能，所以電子在碰撞前可以被認(rèn)為是靜止的。在碰撞過(guò)程中，一部分光子能量轉(zhuǎn)移到電子，能量和頻率降低，因此波長(zhǎng)增加。光子和電子在內(nèi)層的碰撞可以看作是與原子的碰撞。因?yàn)樵拥馁|(zhì)量比光子的質(zhì)量大得多，所以在碰撞過(guò)程中光子的能量幾乎不變，所以波長(zhǎng)保持不變?？灯疹D散射，x射線：入射散射能量和動(dòng)量，x，y，散射光子，反沖電子，入射光子，電子：碰撞前后的能量和動(dòng)量0，其中19，3康普頓散射，根據(jù)能量和動(dòng)量守恒定律，康普頓散射公式可由上述兩個(gè)公式求解：康普頓散射，康普頓散射和光

7、電效應(yīng)的比較：(1)它是單個(gè)光子和單個(gè)電子之間的相互作用；(2)光電效應(yīng)：入射光為可見(jiàn)光或紫外線康普頓效應(yīng)：入射光為短波長(zhǎng)的x光，當(dāng)入射光為長(zhǎng)波長(zhǎng)時(shí)，能觀察到康普頓效應(yīng)嗎？例：眾所周知，射線光子的能量是0.60。如果康普頓散射中散射光子的波長(zhǎng)改變20，試著找出反沖電子的動(dòng)能。解：散射波長(zhǎng)，反沖電子的動(dòng)能，22，例：波長(zhǎng)為2.0的x光擊中碳?jí)K，由于康普頓散射，頻率改變0.04，求：(1)該光子的散射角()。、23、22章波爾的氫原子理論，尼爾斯亨利克戴維玻爾(1885-1962)，丹麥物理學(xué)家和哥本哈根學(xué)派的創(chuàng)始人。1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。24，1氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)定律當(dāng)原子被諸如輻射或與高

8、能粒子碰撞等外部因素激發(fā)時(shí)，發(fā)射光譜是包含一系列離散譜線的線性光譜。氫原子光譜，氫原子的可見(jiàn)光譜，2巴爾末公式：氫原子可見(jiàn)光譜的經(jīng)驗(yàn)公式，27，1氫原子光譜，里德堡進(jìn)一步擴(kuò)展巴爾末公式，里德堡常數(shù)，28，25。其他原子光譜有相似的規(guī)律，但光譜項(xiàng)的具體形式不同。29，1氫原子光譜，(1)k取不同的值，表示不同的譜線。例如，k2是Balmer系統(tǒng)；K3為Pashing系統(tǒng)；K1是萊曼系統(tǒng)。(2)當(dāng)k和n的值不同時(shí)，可以給出同一譜系中各譜線的波數(shù)。玻爾的氫原子理論，原子的核型模型1911年，盧瑟福提出了原子的核型模型：原子中心是一個(gè)半徑約為10-14m的帶正電荷的原子核，它集中了大部分原子質(zhì)量。電子

9、在封閉的軌道上圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。玻爾的氫原子理論、經(jīng)典模型和光譜定律之間的矛盾電子在空間中以可變的速度運(yùn)動(dòng)，它們的能量以電磁波的形式向外輻射，電磁波逐漸減小，半徑越來(lái)越小。電子最終會(huì)落在原子核上，但不可能穩(wěn)定地圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。輻射電磁波的頻率與電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的頻率相同，電子周?chē)能壍啦粩鄿p小，旋轉(zhuǎn)頻率不斷增加。原子應(yīng)該發(fā)出連續(xù)的光譜。玻爾的氫原子理論、玻爾的氫原子理論、玻爾的基本假設(shè)(1)穩(wěn)態(tài)假設(shè)原子中存在一系列具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài)(穩(wěn)態(tài))，并且處于穩(wěn)定狀態(tài)的原子不輻射能量。(2)頻率假設(shè)當(dāng)一個(gè)原子從一個(gè)穩(wěn)態(tài)(en)躍遷到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)(Ek)時(shí)，它會(huì)發(fā)射或吸收一個(gè)頻率為V的光子，光子能量為：

10、33，2玻爾氫原子理論；(3)軌道角動(dòng)量(動(dòng)量矩)的量子化假設(shè)電子角動(dòng)量滿足：約化普朗克常數(shù)，34，2玻爾氫原子理論。-e，e，r，35，2玻爾氫原子理論，用半徑公式代替，36，2玻爾氫原子理論，電子只能在一些不連續(xù)的軌道上，r1:玻爾半徑，當(dāng)n=1時(shí)，電子的軌道半徑，電子的最小軌道半徑，37，2玻爾氫原子理論，原子能原子的總能量是電子的動(dòng)能。氫原子的能量只能取一系列不連續(xù)的值能級(jí)：當(dāng)n=1時(shí)，氫原子的能量最低，激發(fā)態(tài)為n1，原子的能量大于基態(tài)39，2。根據(jù)玻爾的理論，每一個(gè)主量子數(shù)為n，原子的“狀態(tài)”就被確定。在這種狀態(tài)下，有，40，2個(gè)不連續(xù)的量子化能級(jí)。如果不同的能級(jí)用不同高度的水平線表

11、示，相鄰能級(jí)的能級(jí)差圖用不同的區(qū)間表示。n=1，-13.6 eV，n=2，-3.39 eV，n=，n越大，En越大。激發(fā)能：當(dāng)一個(gè)原子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)，n=1，n=2，n=3，玻爾氫原子理論，電離態(tài)：當(dāng)一個(gè)電子脫離原子核時(shí)，外界應(yīng)該提供的能量。電離能：電子從某一能級(jí)躍遷到電離狀態(tài)所需的能量。N=2，n=1，如：43，2玻爾氫原子理論，3氫原子光譜的解釋當(dāng)一個(gè)原子從較高的能級(jí)en躍遷到較低的能級(jí)Ek時(shí)，它將發(fā)射出頻率為：波數(shù)的光子。用該公式計(jì)算的里德堡常數(shù)與實(shí)驗(yàn)值完全一致。44，2玻爾氫原子理論，n R=9a0，r=16a0，Balmer線系統(tǒng)，Reimann線系統(tǒng)，Paschen線系統(tǒng)，45

12、，2玻爾氫原子理論，吸收頻率：電子通過(guò)吸收外來(lái)光子的能量而吸收外來(lái)光子的頻率，從低能態(tài)K到高能態(tài)N。根據(jù)玻爾模型，如何計(jì)算電子在氫原子基態(tài)和激發(fā)態(tài)的轉(zhuǎn)速？解決方案：例如，在氣體放電管中，基態(tài)氫原子被能量為12.5電子伏的電子通過(guò)碰撞激發(fā)。當(dāng)被激發(fā)的原子躍遷到低能級(jí)時(shí)，會(huì)發(fā)射出哪些波長(zhǎng)的譜線？解：讓氫原子激發(fā)到最高的第n能級(jí)，得到n3.5，取n=3。有三種可能的譜線，48和49。例如，氫原子處于激發(fā)態(tài)，它的電離能是0.85電子伏。然后原子躍遷到另一個(gè)激發(fā)態(tài)，激發(fā)能是10.21電子伏。找出它發(fā)射的光子的能量和波長(zhǎng)。標(biāo)出相關(guān)能級(jí)的量子數(shù)。解：由，50，第23章，量子力學(xué)基礎(chǔ)理論，1粒子漲落，德布羅意

13、，法國(guó)物理學(xué)家，在1924年的博士論文中首次提出了“物質(zhì)波”的概念。1929年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。51，1粒子的易變性，一個(gè)德布羅意假說(shuō)既然光具有波的特性同時(shí)又具有粒子的特性，那么習(xí)慣上把物理粒子當(dāng)作經(jīng)典粒子來(lái)對(duì)待，比如電子、質(zhì)子等等，同時(shí)又具有波的特性嗎？1924年，受光的波粒二象性的啟發(fā)，德布羅意提出了基于自然界對(duì)稱性的假說(shuō)。，52，1。德布羅意假設(shè)物理粒子也具有波粒二象性，它們的波長(zhǎng)和頻率分別由動(dòng)量和能量決定。這種與真實(shí)粒子相關(guān)的波被稱為物質(zhì)波或德布羅意波。如果粒子運(yùn)動(dòng)速度很高，53，例如：(1)計(jì)算電子被100伏電壓加速時(shí)的德布羅意波長(zhǎng)；(2)計(jì)算質(zhì)量為1.010-15千克、運(yùn)動(dòng)速度為

14、2.0103米/秒的細(xì)菌粒子的德布羅意波長(zhǎng)。解：(1)電子的動(dòng)能，(2)54，1粒子的揮發(fā)性，美國(guó)物理學(xué)家戴維遜，英國(guó)物理學(xué)家湯姆森，1927年，美國(guó)的戴維遜和卡梅倫以及英國(guó)的湯姆森分別獨(dú)立進(jìn)行了晶體的電子衍射實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，晶體上的電子衍射類似于晶體上的x光衍射，表明電子具有漲落。他們分享了1937年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。55，1粒子的漲落，德布羅意波1戴維遜電子衍射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電子束強(qiáng)度與散射角的關(guān)系曲線，I，56，1粒子的漲落，電子束波長(zhǎng)由德布羅意公式計(jì)算，設(shè)加速電壓為U54V，材料波波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于電子：57，1粒子的漲落，電子束波長(zhǎng)由衍射公式計(jì)算， 并且在透射方向上用照相底片接收電子，從而

15、獲得電子衍射圖案、電子束、x光衍射圖案、電子束衍射圖案59。 根據(jù)最小分辨角公式，電子顯微鏡的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光學(xué)顯微鏡。目前，最先進(jìn)的電子顯微鏡的放大倍數(shù)已達(dá)200萬(wàn)倍。1粒子漲落，三微觀粒子漲落的應(yīng)用電子顯微鏡用高壓加速電子，使電子的德布羅意波長(zhǎng)達(dá)到101102。60，2物質(zhì)波的統(tǒng)計(jì)解釋，梅克斯玻恩(18821970)，德國(guó)理論物理學(xué)家，量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一。玻恩從具體碰撞問(wèn)題的分析出發(fā)，提出了波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋。波函數(shù)的二次冪表示粒子出現(xiàn)的概率。為此，他獲得了1954年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。61，2物質(zhì)波的統(tǒng)計(jì)解釋，波粒二重性之間的矛盾經(jīng)典波概念：空間分布的某一物理量周期性地變化，它具有相干疊加，即它呈現(xiàn)干涉和衍射。經(jīng)典粒子概念：它具有一定的性質(zhì)，如質(zhì)量和電荷。在太空中運(yùn)動(dòng)時(shí)有一個(gè)精確的軌道，也就是說(shuō)，任何時(shí)候都有一定的位置和速度。在經(jīng)典概念下，粒子和波很難統(tǒng)一成一個(gè)客觀實(shí)體。62，2物質(zhì)波的統(tǒng)計(jì)解釋和兩個(gè)概率波實(shí)驗(yàn)表明，電子的特征是粒子，但它們總是具有某