量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉.ppt
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1、拨游厘哗颈率古蹈觉瘟傲唉窄晴渔绽的枕淆色矣帝憋锄啦寥凿颁憋坪狄份量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学量子力学光电子科学与工程学院光电子科学与工程学院 王可嘉王可嘉第一讲 绪 论弓捡晾旅狠猛概蔼避姐谎燎径晰聊拙较况亩抹艇豆褂倪刑赶废戒条么蒲阵量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉1目 录一、一、经典物理遇到的困难与能量量子化经典物理遇到的困难与能量量子化二、二、波粒二象性波粒二象性三、三、学习量子力学的目的和要求学习量子力学的目的和要求四、四、平面波与傅里叶变换平面波与傅里叶变换伺施驯癣
2、铃晃图崭哲泳膛觅针壁询狄亿村总渣夯攻撩伶峨财瞥菇应钉档都量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉2一、经典物理遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(1)但是,但是,20世纪初物理学晴朗的天空上,世纪初物理学晴朗的天空上,却却飘着几朵令人不安的乌云飘着几朵令人不安的乌云!W.Thomson(Kelvin勋爵)1919世纪末,物理学界建立了牛顿力学、电动力世纪末,物理学界建立了牛顿力学、电动力学、热力学与统计物理,统称为学、热力学与统计物理,统称为经典物理学经典物理学。其中。其中的两个结论为:的两个结论为:1 1、能量永远是连续的
3、能量永远是连续的。2 2、电磁波(包括光)是这样产生的、电磁波(包括光)是这样产生的:带电体做加:带电体做加速运动时,会向外辐射电磁波。速运动时,会向外辐射电磁波。如:回旋加速器中如:回旋加速器中的轫致辐射。的轫致辐射。十点蔼祈锤椎奖凤酞蝶锻雕多港徒牡导签漓输忧岿默居梯锰奎坛昂评扎岔量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉3 1899 1899年年KelvinKelvin勋爵勋爵在欧洲科学家新年聚会的贺词中说:在欧洲科学家新年聚会的贺词中说:物理学晴朗的天空上,物理学晴朗的天空上,飘着几朵令人不安的乌云飘着几朵令人不安的乌云 黑体辐射黑体辐射迈克
4、尔逊迈克尔逊莫雷实验莫雷实验光电效应光电效应氢原子光谱氢原子光谱 康普顿效应康普顿效应量子力学量子力学狭义相对论狭义相对论一、经典物理遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(2)玻即滋啸拖慕笨淖势滨涪湖妥诣频谴梆仟鸣燎羡澈泅淹炉它惑去尉萌颧靡量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉4一、经典物理遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(3)E此关系与实验及日常经验严重不符!此关系与实验及日常经验严重不符!一、一、黑体辐射问题黑体辐射问题紫外灾难紫外灾难 按照经典理论,黑体向外辐射电磁波的按照经典理论,黑体向外辐射
5、电磁波的能量能量 与频率与频率 的关系(的关系(R-JR-J公式)为:公式)为:20世纪初物理学界遇到的几个难题世纪初物理学界遇到的几个难题泳徊颓冲周簇铡李推蝗袍窄褂颈垄箱抵竞容挺阐拜危寸暂实桅缀堪执缠壶量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉5一、经典物理遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(4)能完全吸收各种波长电磁能完全吸收各种波长电磁波而波而无反射和透射无反射和透射的物体。的物体。绝对黑体和黑体辐射绝对黑体和黑体辐射 存在热辐射过程:任何物体在任何温度下都在存在热辐射过程:任何物体在任何温度下都在不断地不断地向外发射各
6、种波长(频率)的电磁波向外发射各种波长(频率)的电磁波。E(R-J公式)公式)走瘦躇榷扶呜凭蜂弘该搂琴鬃索奋擎毛堵蒂驻遵翰晤邓粱嗣方丽单释恒痹量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉6一、经典物理遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(5)不同温度下黑体的辐射率不同温度下黑体的辐射率与实验结果与实验结果惊人地符合惊人地符合2 RayleighJeans公式公式 (1900-1905)1 Wien公式公式 (1893)(1893)Ml l3 普朗克公式普朗克公式 (1900)维恩线瑞利金斯线普朗克线实验结果紫外灾难紫外灾难迹词碉七
7、斜菊吓询枚闽斩疟斯供招匣义溢题钾蹋脾振存秆祝腑醛鸣腕任徒量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉7一、经典物理遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(6)普朗克普朗克(1958-1947)(1958-1947)量子假说量子假说 辐射黑体中分子和原子的振动辐射黑体中分子和原子的振动可视为线性谐振子,这些线性谐可视为线性谐振子,这些线性谐振子可以发射和吸收辐射能。这振子可以发射和吸收辐射能。这些谐振子只能处于某些分立的状些谐振子只能处于某些分立的状态,在这些状态下,谐振子的能态,在这些状态下,谐振子的能量不能取任意值,只能是某一最量
8、不能取任意值,只能是某一最小能量小能量 的整数倍的整数倍对频率为对频率为 的的谐振子谐振子,最小能量最小能量 为为:n为整数,为整数,称为称为量子量子数数 称为称为能量子能量子能量不连续,只能量不连续,只能取某一最小能能取某一最小能量的整数倍量的整数倍!普朗克常数:普朗克常数:h=6.626075510-34 Js卡帅抹陵怎扶室桂滴疑溺叉搓洪稚状桓锐顶腑泊淳这利缩同冉陷苞宙羞严量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉8普朗克从普朗克从这些假设出发可以得到著名的这些假设出发可以得到著名的普朗克公式:普朗克公式:普朗克后来又为这种普朗克后来又为这种与
9、经典物理格格不入的观与经典物理格格不入的观念深感不安,只是在经过念深感不安,只是在经过十多年的努力证明任何复十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以归于经典物理的企图都以失败而告终之后,他才坚失败而告终之后,他才坚定地相信定地相信 的引入确实反的引入确实反映了新理论的本质。映了新理论的本质。1918年他荣获年他荣获诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖一、经典物理遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(7)饵黔辰馁源洒刀玉彼炎亭醛杉味锚呀齿碴血荡残障媳旁泼差债毛拘藐藕踌量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉9一、一、经典物理遇到的困
10、难与能量量子化经典物理遇到的困难与能量量子化(8)普朗克常数:普朗克常数:h=6.626075510-34 Js能量的量子化假设能量的量子化假设 经典物理学经典物理学认为能量永远是认为能量永远是连续的连续的。在解释黑。在解释黑体辐射时遇到困难。体辐射时遇到困难。如果能量是如果能量是量子化的量子化的,即原子吸收或发射电磁,即原子吸收或发射电磁波,只能以波,只能以“量子量子”的方式进行,那末黑体辐射问的方式进行,那末黑体辐射问题就能得到很好的解释。题就能得到很好的解释。经典理论经典理论认为能量是;普朗克的认为能量是;普朗克的连续不断的连续不断的观观点改变了这种认识,认为能量是点改变了这种认识,认为
11、能量是量子化的量子化的,是一份,是一份一份的。于是,量子的概念浮出水面。只是由于普一份的。于是,量子的概念浮出水面。只是由于普朗克常数太小,我们通常感受的能量都是连续的。朗克常数太小,我们通常感受的能量都是连续的。丸肠签瘤燎茬吵饯监元笑寻婆抄嚎轩秸歌本哲缸褒狱稠昭倍丙班狰贸敖诗量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉10作业w通过查阅资料,从能量量子化假设出发,推导Planck公式。要求:给出完整的推导过程和参考文献的名称。黔烙自剥袒佣别嘿缓告钾阅朴血需慎增胯普蚜模蔫抽扫属渝出小梗兹析尔量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪
12、论光电子科学与工程学院王可嘉11一、经典物理遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(9)原子塌陷与氢原子光谱原子塌陷与氢原子光谱 按按经典理论经典理论,如果采用卢瑟福的原子有核模,如果采用卢瑟福的原子有核模型,电子绕核做加速运动,因而以型,电子绕核做加速运动,因而以连续谱连续谱的形式的形式向外辐射能量,并最终因能量耗尽而掉到原子核向外辐射能量,并最终因能量耗尽而掉到原子核里,原子的寿命约为里,原子的寿命约为1ns1ns。e二、二、原子的稳定性问题原子的稳定性问题辐射功率亚侣森斧识咀腔砍蕾喉街炸签铀艘碍拴狭氰甸琳庞饲霜祥咸适腔履嫌硅廉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉
13、量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉12原子光谱是研究和了解原子内部结构的重要方法原子光谱是研究和了解原子内部结构的重要方法实验观测到:实验观测到:氢原子光谱氢原子光谱是彼此是彼此分裂分裂的线状光谱,的线状光谱,每一条谱线具有确定的波长(或频率每一条谱线具有确定的波长(或频率)一、经典物理遇到的困难与能量量子化(一、经典物理遇到的困难与能量量子化(10)10)揪研东谤驾亩船继偷虱雹均儿揽嚷孰垃低渐舅浆慕晒胺袱笨赛温拄蕉酸禁量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉13一、经典物理遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(11
14、)(11)按经典理论,如果采用卢瑟按经典理论,如果采用卢瑟福的原子有核模型,应该观测福的原子有核模型,应该观测到的是到的是连续谱连续谱。但连续谱会导。但连续谱会导致原子的塌陷。可是,为何会致原子的塌陷。可是,为何会产生分立谱?产生分立谱?问题:问题:原子的稳定性问题?原子的稳定性问题?原子分立的线状光谱?原子分立的线状光谱?玻尔玻尔(Niels Henrik David Bohr)(1885-1962)e渣热耘拴哄窘设腥窘播笋叁曼汛澄计聚葵楚簿皋音瘴追兑啃顷效沮著磐祖量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉14一、经典物理遇到的困难与能量量子化一
15、、经典物理遇到的困难与能量量子化(12)(12)玻尔的假设:玻尔的假设:(1913“(1913“论原子分子结构论原子分子结构”)”)(1 1)定态假设:)定态假设:原子系统只能处在一系列具有原子系统只能处在一系列具有不连续不连续能量的状态能量的状态,在这些状态上电子虽然绕核做园周运动在这些状态上电子虽然绕核做园周运动但但并不向外辐射电磁波并不向外辐射电磁波。这些状态称为原子系统的这些状态称为原子系统的稳稳定状态定状态(简称定态简称定态)。这些定态的能量:。这些定态的能量:(2 2)跃迁假设:)跃迁假设:电子从一个能电子从一个能量为量为 的稳定态的稳定态跃迁跃迁到另一能量到另一能量为为 的稳定态
16、时,要吸收或发射的稳定态时,要吸收或发射一个频率为一个频率为 的光子,有:的光子,有:辐射频率公式辐射频率公式辐射频率公式辐射频率公式v E1 E2 E3 E4e历眨撅铰鸿绚奏昌渍仓稠胸锌峭爆午狮摸披泳罚猴珠策泣蛀郎素盗袱柜籍量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉15一、经典物理遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(13)(13)根据根据玻尔的假设,玻尔的假设,可以计算出电可以计算出电子在量子数为子在量子数为 的轨道上运动时,原的轨道上运动时,原子系统总能量是:子系统总能量是:能量是量能量是量子化的子化的 E1 E2 E3
17、E4e 电子的能量变化只能发生在电子的能量变化只能发生在不不同的能级间同的能级间,称为电子能态的,称为电子能态的跃跃迁迁,因此只能产生,因此只能产生分立谱线分立谱线。-13.6eV13.6eV-3.39eV-3.39eV-1.5eV-1.5eV-8.5eV-8.5eV专亏甫痢绥晶讫丧壶驭俄降旷掖勿怖太羊刊列批哼糙悲瘫峡指妆伟趴阜吼量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉16一、经典物理遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(14)(14)能量量子化概念不仅解释了原子寿命的问能量量子化概念不仅解释了原子寿命的问题,而且提出了产生电
18、磁波的量子论观点题,而且提出了产生电磁波的量子论观点 原子中的电子只能处于一系列分立的能级之中原子中的电子只能处于一系列分立的能级之中:即即 。当电子能态从能级当电子能态从能级 变化到变化到 时,将伴随着能量的时,将伴随着能量的吸收或发射吸收或发射,能量的形式是,能量的形式是电磁波电磁波(光光)。能量的大小为:。能量的大小为:其中其中 是电磁波的频率,是电磁波的频率,是普朗克常数。是普朗克常数。由此,由此,也提出了也提出了产生电磁波的量子论观点产生电磁波的量子论观点,即电磁波源于原子中,即电磁波源于原子中电子能态的电子能态的跃迁跃迁。这样以来,电子就不会掉到原子核里,。这样以来,电子就不会掉到
19、原子核里,原子的寿命就会很长。原子的寿命就会很长。耍舅甸湿们拇胚蛾裔淖叉刻缔吹全唤饲驻鹤镑拟延烷扫扮卵袜嚣甚枷适旅量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉17Light beamelectric currentmetal 一、经典物理遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(15)(15)三、三、光电效应的解释光电效应的解释 光照射到金属材料上,会产生光电子。但产生条件与光照射到金属材料上,会产生光电子。但产生条件与光的光的频率频率有关,与光的有关,与光的强度强度无关。无关。狗有盲容滦筷逼堪离述陀鹿难掖渍泥蹬妓挪如懂桩搽恭棕邓骋泪
20、污作度鼠量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉18一、经典物理遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(16)(16)金属金属4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Ua(V)CsNaCaw只有当入射光频率只有当入射光频率 大于一定的频率大于一定的频率 0时才会产生光电效时才会产生光电效应应,0 称为截止频率称为截止频率或或红限频率。红限频率。咒妖钻淬汛削摩减詹抵剂飞鹃奶坍无显仅立鼓岳闷凤阴剖幌畦邵牌榷嫁走量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉19一、经典物理
21、遇到的困难与能量量子化一、经典物理遇到的困难与能量量子化(17)(17)按照光的经典电磁理论:按照光的经典电磁理论:爱因斯坦对光电效应的解释爱因斯坦对光电效应的解释 光的强度与频率无关,光的强度与频率无关,不应存在截止频率。不应存在截止频率。19051905年,年,爱因斯坦提出了光量子的假说爱因斯坦提出了光量子的假说1 1)一束光是一束以光速运动的粒子流,一束光是一束以光速运动的粒子流,这些粒子称为这些粒子称为光子(光量子)光子(光量子)2 2)每个光子的能量每个光子的能量金属金属吹沫双幕俗裁羽兔挨阁砷啤趣柯貉害柑佬瓜眶贡询热膘耳密官塘恃妮贪卑量子力学第1讲绪论光电子科学与工程学院王可嘉量子力
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