周世勋量子力学课件第一章

第一章

量子力学的实验基础

本章基本要求1 了解经典物理学遇到的困难2 理解和掌握波粒二象性

§1.1 光的波粒二象性一 19 世纪后期经典物理学的辉煌1 牛顿(1642-1727) 力学 200年发展 模型:(1665-1685) 引力作用和三大定律 描述宏观物体的运动和作用: 地球上 物体运动 力 动量 能量 交换等

天体运动 预言和发现海王星天-地 统一起来

第 1 次物理理论大统一 实验表明：牛顿力学工作得很好

2 电磁学的统一Maxwell 1864 电磁学方程组 很好地解释了电磁现象 预言存在电磁波 赫兹1888年发现了电磁波 证实了麦克斯韦的预言第2次物理理论的统一：电磁光

3 热力学和统计物理学形成系统理论框架 解释了许多热学现象

4 物质构造 原子分子论的建立 道尔顿 原子学说 1807 肯定原子存在 阿佛加德罗 分子假说 1811 门捷列夫 元素周期律 1869 对化学一次综合 光谱分析精确地指明化学元素名称

5 19世纪末物理学 辉煌篇章：牛顿力学和电磁学都已得到圆满的说明， 热学现象已有热力学定律予以说明，物质构造确认 了“基本砖块”-原子；物理学上两次大的综合和统 一，使古典物理学显示出形式上的完整。

陶醉 ：把物理学誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦美丽的庙宇”,科学大厦即将竣工，剩下的

只是将已经建立起来的原理用于解释自然界种种现象，测准一些物理学常数(小数点后第6位)或把一

些定律进行实际的应用。

6 问题与局限19世纪古典物理学发展到了顶峰，但是1)晴空中仍有 “两朵乌云”(开尔文勋爵语):紫外灾

难 以太飘移2)世纪末的新发现使古典物理学出现了“危机”

3)实际上人类对自然界的认识仅限于宏观和低速，对于微观和高速、原子内部和宇观不知或知之甚少！

乌云和危机导致了物理学创新，产生了新的理论！事实上,物理学面临的不是危机,而是一场伟大的革命。

20世纪物理学两个划时代的里程碑 狭义相对论---改变了牛顿力学的绝对时 空观,指明牛顿力学只适用于V<<C 量子力学— 物体运动形式和规律的根本 变革.适用于微观世界和一定条件下的 某些宏观运动(极低温下的超导、超流、 Bose-Einstein凝聚等).量子力学是历史 上最成功、并且为实验精确检验了的一 个理论。

观测尺度和观测工具1026-1027 m 宇观 (>107 m) 宏观 ( m ) 介观 ( ﹥10-9 m )

观测工具微观(<10-9m

~ 10-15 m

二 黑体辐射 普朗克能量子假设1 黑体 黑体辐射(1)热辐射 实验证明不同温度下物体能发出

不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射.

(2)单色辐射出射度面积发出的

频率在

单位时间内从物体单位表

附近单位频率区间(或波长在 2

附近单位波长区间)的电磁波的能量 .单色辐射出射度 M (T ) 单位： W/(m3 M (T ) 单位： 单色辐射出射度 W/m

Hz)

(3)辐射出射度

钨丝和太阳的单色辐出度曲线 太阳 M (T )(10 8 W/(m 2 Hz ))

(辐出度)

钨丝 M (T )(10 9 W/(m 2 Hz )) 单位时间，单位 太阳 面积上所辐射出的各 12 (5800K) 可见 种频率(或各种波长) 10 光区 的电磁波的能量总和. 8 钨丝 6 (5800K) M (T ) M (T )d

0

M (T ) M (T )d 0

4 2

/ 1014 Hz0 2 4 6 8 10 12

实验表明

辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.

(4)黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率 的电磁辐射的物体称为黑体 .(黑体是理想模型)

2 斯特藩 — 玻尔兹曼定律 维恩位移定律(1)斯特藩—玻尔兹曼定律M (T ) /(1014 W m 3 )1.0

M (T ) M (T )d T 40

斯特藩—玻尔兹曼常量

5.670 10 W m K 8 2

4

可 见 光 区 6000K 3000K

(2)维恩位移定律

0.5

mT b峰值波长

/ nm2000

常量 b 2.898 10 m K

3

0

m1000

3 黑体辐射的瑞利—金斯公式

经典物理的困难

M (T )(10 9 W/(m 2 Hz ))瑞利 - 金斯公式6 5 4 3* * 实验曲线 * * * * * * T 2000k * 2 * * * 1 * * * * 0 1 2 3 14

瑞利 - 金斯公式

2 π M (T ) kT 2 c2

紫外灾难

/ 10 Hz

4 普朗克假设 普朗克黑体辐射公式(1900 年) 普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为一 维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过 去经典物理认为的那样可以连续地吸收或发射能量， 而是以与振子的频率成正比的 能量子 h 为单元来吸 6h 收或发射能量. 空腔壁上的带 5h 4h 电谐振子吸收或发射能量应为

nh (n 1,2,3, )普朗克常量 34

3h 2h 1h

h 6.6260755 10 J s 3 2π h d 普朗克黑体辐射公式 M (T )d 2 h / kT c e 1

M (T )(10 9 W/(m 2 Hz ))瑞利 - 金斯公式6 5 * * 普朗克公式的理论曲线 * * 4 * * 3 * * * 2 * 实验值 * T 2000k * 1 * * * * 0 1 2 3 14

/ 10 Hz