1、關于早期量子論第一張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月量子力學的誕生與發展普朗克能量子假說愛因斯坦光量子假說1918 Nobel Price1921Nobel Price1922Nobel Price康普頓康普頓效應 量子概念的形成玻爾原子結構1927Nobel Price第二張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月量子力學的誕生海森堡創立量子力學1932 Nobel Price1933 Nobel Price薛定諤、狄拉克引入量子力學波動方程波恩統計解釋1954 Nobel Price第三張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月愛因斯坦朗之萬洛侖茲居里夫人普朗克德拜埃倫費斯特布喇格

2、狄拉克薛定諤康普頓泡利海森堡玻爾玻恩1927年第五屆索爾維會議（29人中先后獲諾獎17人）第四張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月第14章 早期量子論第15章 量子力學基礎第16章 半導體和激光簡介第六篇 量子物理第17章 原子核物理簡介(重點)第五張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月第六篇量子物理第14章 早期量子論第六張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月第14章 早期量子論 The early Quantum Theory第1節 黑體輻射 普朗克能量子第2節 光電效應第3節 康普頓效應第4節 玻爾量子理論第七張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月一、熱輻射 1熱輻射

3、實驗證明不同溫度下物體能發出不同的電磁波，這種能量按波長（或頻率）的分布隨溫度而不同的電磁輻射叫做熱輻射. 2單色輻射出射度 單位時間內從物體單位表面積發出的波長在 附近單位波長區間（或頻率在 附近單位頻率區間）的電磁波的能量 .單色輻射出射度 ，單位： M(T)是輻射體的輻射波長 和熱力學溫度 T 的函數，且與物體的材料及表面粗糙程度有關第1節 黑體輻射 普朗克能量子Radiation of Black Body Quantum Theory of Planck第八張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月3. 輻射出射度(輻出度) 在單位時間內，從溫度為T 的物體表面上，單位面積所發射的各

4、種波長（或各種頻率）的電磁波的能量總和.單位：實驗表明 輻射能力越強的物體，其吸收能力也越強. 4. 黑體 能完全吸收照射到它上面的各種波長的電磁輻射而不反射的物體稱為黑體。2000K1750K1500K第九張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月理想模型黑體的輻射第十張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月0 1000 20001.00.5 可見光區3000K6000K1. 斯特藩玻爾茲曼定律斯特藩玻爾茲曼常量2. 維恩位移定律常量峰值波長二、黑體輻射定律第十一張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月 例1 太陽的單色輻出度的峰值波 ，試由此估算太陽表面的溫度.解：由維恩位移定律 對宇

5、宙中其他發光星體的表面溫度也可用這種方法進行推測第十二張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月3. 經典物理論的“紫外災難”（2）瑞利-瓊斯 用能量均分定理和電磁理論得出：T=1646 K只適于長波（1）維恩( Wien ) 根據經典熱力學得出：短波“紫外災難”只適于短波在黑體輻射研究中經典物理面臨不可克服的困難 !實測瑞利-瓊斯維恩理論值第十三張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月三、普朗克假設 普朗克公式1. 普朗克的能量子假說 =h h=6.6261761034 Js 普朗克常數(1) 組成黑體腔壁的分子或原子視為帶電的線性諧振子 (2) 這些諧振子和空腔中的輻射場相互作用過程中吸

6、收 和發射的能量是量子化的，只能取一些分立值： ，2， 3， ，n(3) 頻率為 的諧振子，吸收和發射能量的最小值稱 為能量子簡稱量子 2. 普朗克黑體輻射公式在全波段與實驗結果驚人符合!第十四張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月第2節 光電效應 Photoelectric Effect一、光電效應實驗1. 實驗裝置見右圖2. 實驗規律(2) 飽和光電流強度與入射 光強度成正比；(1) 對一定光強，光電流強度i 隨電壓 U 增加；(3) i=0 時 U= Ua , Ua : 遏止電壓；VGAK光電流隨U 增加第十五張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月(5) 光電子的初動能與入射光強

7、度無關，而隨入射光 的頻率線性增加。只有當入射光頻率大于一定 的頻率0（紅限頻率）時，才會產生光電效應。(4) 遏止電壓的大小反映光電子初動能的大小, 光電子的最大初動能為：(6) 光電效應具有瞬時性， 響應速度很快, 延遲 時間不超過109 s。相同頻率不同入射光強度第十六張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月 光波是連續傳播的，只要入射光有足夠的強度，任何頻率的入射光都應產生光電效應。3. 經典理論的解釋極其困難按照光的經典電磁理論： 光電子的最大初動能應決定與入射光的強度而不是頻率。 光電子需吸收一定的能量才能逸出金屬表面， （陰極電子積累能量克服逸出功需要一段時間），光電效應不可能

8、瞬時發生！第十七張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月二、光子 愛因斯坦光電方程 愛因斯坦在能量子假說的基礎上提出光子理論： 一束光，是一束以光速 運動的粒子流，這些粒子稱為光量子(光子)。光的能量不是均勻地分布在波陣面上，而是集中在微粒上每個頻率為 的單個光子的能量為： =h1. 光子光量子具有“整體性”2. 光子假說對光電效應的解釋（1）入射光強度越大，光子數越多，光子與電子相互作用的數目越多，逸出的光電子數目多 飽和光電流與入射光強度成正比。第十八張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月（3） 當光照射金屬時，電子吸收能量是一次性的， 不需要能量積累，電子逸出是瞬間，無時間延遲。所

9、以當 0 的射線；(2) 散射光波長的改變量 0 隨散射角 的增加而增加；(3) 對同一散射角 ，波長的增加 量 相同，與散射物質無關；(4) 康普頓散射的強度與散射物 質有關。原子量小的散射物 質，康普頓散射(波強)較強， 反之康普頓散射(波強)較弱。I=0I =45I =90I =1350第二十三張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月二、康普頓散射的理論解釋系統能量守恒：系統動量守恒：其中X射線光子與“靜止”的“自由電子”彈性碰撞 由于物質中的外層電子的動能遠小于入射光子的動能，碰撞前電子可以看作是靜止的。碰撞過程中，光子的一部分能量傳遞給電子，能量減小，頻率減小，因而波長增大。第二十

10、四張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月相對論能量和動量關系（3）將(3)式代入(1)式得（4）將(2)式平方減去(4)式得能量守恒變形（2）應用余弦定理（1）第二十五張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月Compton波長1 只與散射角 有關, , ； 康普頓公式 結論：但散射效應的強弱與散射物質有關？2 與入射波長0無關；3 與散射物質無關；第二十六張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月1 康普頓散射進一步證實了光具有波粒二象性， 證明了光子能量、動量表示式的正確性。 2 另外證明在光電相互作用的過程中嚴格遵守能 量、動量守恒定律。 所以X 射線光子與束縛很緊的電子碰撞: 光子

11、與內層電子的碰撞可看作是與原子的碰撞。由于原子的質量遠大于光子，碰撞過程中光子的能量幾乎不變，因而波長保持不變。 意義：第二十七張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月光子電子康普頓效應？光電效應？第二十八張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月康普頓效應與光電效應的異同 康普頓效應與光電效應都涉及光子與電子的相互作用。 在光電效應中，入射光為可見光或紫外線，其光子能量為eV數量級, 與原子中電子的束縛能相差不遠，光子能量全部交給電子使之逸出，并具有初動能。光電效應證實了此過程服從能量守恒定律。 在康普頓效應中，入射光為X射線或 射線，光子能量為10 eV數量級甚至更高, 遠大于散射物質中

12、電子的束縛能, 原子中的外層的電子可視為自由電子，光子能量只被自由電子吸收了一部分并發生散射。康普頓效應證實了此過程可視為彈性碰撞過程，能量、動量均守恒，更有力地證實了光的粒子性。4第二十九張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月 用波長為 200 nm 的光照射鋁（Al 的 截止頻率為 9.031014Hz），能否產生光電效應？能否觀察到康普頓效應（假定所用的儀器不能分辨出小于入射波長的千分之一的波長偏移）？解法提要例2rl2sinlc22j0.00243 ( nm )80j1時（逆向散射）rlrlmaxrlmax2lc20.00486 ( nm )rlmaxl00.00486 nm 20

13、0 nm0.00002430.001觀察不到康普頓效應8cln310（ 20010 ）91.510 (Hz) 15 可產生光電效應截止頻率第三十張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月 例3 波長為 0.2 nm 的X射線射到碳塊上，由于康普頓散射 ，頻率改變 0.04。求：（1）該光子的散射角；（2）反沖電子的動能。解：（1）（2）0 0.04%第三十一張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月 一、氫原子光譜的規律性光譜特點：1 每一譜線有確定位置, 對應一定波長值;第4節 玻爾量子理論 Bohrs Quantum Theory2 兩譜線的間距, 即波長差是確定的;3 譜線間距的大小沿短

14、波方向遞減。第三十二張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月 1885 年瑞士數學家巴耳末發現氫原子光譜可見光部分的規律 1890 年瑞典物理學家里德伯給出氫原子光譜公式波數 1. 巴爾末(J.J.Balmer)系及公式里德伯常量 第三十三張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月2. 廣義的巴爾末公式：(氫原子光譜的其它線系)原子具有線光譜；實驗表明： 各譜線間具有一定的關系； 每一譜線的波數都可表達為兩個光譜項之差。其中：和稱為光譜項波數 當 k 一定時，由不同的 n 構成一個譜線系；不同的 k 構成不同的譜線系。第三十四張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月巴耳末系可見光賴 曼 系

15、紫外(1914)帕 邢 系布喇開系普芳德系漢弗萊系紅外(1908)(1922)(1924)第三十五張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月二、玻爾的基本假設1. 原子的有核模型盧瑟福原子 粒子是二次電離的氦原子。1014 m 1911年盧瑟福提出了原子的核型模型：原子中心是一個帶正電的半徑約1014 m左右的原子核，集中了原子大部分的質量，電子在閉合軌道上繞核旋轉著。第三十六張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月輻射電磁波E，r與實驗相矛盾?+2. 經典模型與光譜規律之間的矛盾有核模型原子發出的是連續光譜? 電子作變速運動，其能量以電磁波的形式向外輻射，能量逐漸減少，軌道半徑越來越小，電

16、子最終將落到原子核上，而不可能穩定繞核運動。第三十七張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月玻爾玻爾Niels Henrik Darid BohrNiels Henrik Darid Bohr1885-19621885-1962 1913年玻爾將普朗克、愛因斯坦的量子理論推廣到盧瑟福的原子有核模型中，并結合原子光譜的實驗規律，提出他的氫原子理論，奠定了原子結構的量子理論基礎。為此他獲得1922年諾貝爾物理學獎。 第三十八張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月 玻爾是盧瑟福的學生，在其影響下具有嚴謹的科學態度，勤奮好學，平易近人，后來很多的科學家都有紛紛來到他身邊工作。當有人問他，為什么能

17、吸引那么多科學家來到他身邊工作時，他回答說：“因為我不怕在青年面前暴露自已的愚蠢”。這種坦率和實事求是的態度是使當時他領導的哥本哈根理論研究所永遠充滿活力，興旺發達的原因。愛因斯坦評價說：“作為一個科學的思想家玻爾具有那么驚人的吸引力；在于他具有大膽和謙遜兩種品德難得的結合”玻爾其人第三十九張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月廣義的巴爾末公式：光子的能量=能量之差。 不連續的值1913年 哲學雜志 原子構造與分子構造質疑原子的穩定性問題(模型)？原子分立的線狀光譜？3. 原子內部特殊本質的分析第四十張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月(1) 定態假設：原子存在著一系列具有確定能量的

18、穩定狀態(定態)，處于定態的原子不輻射能量。原子處于一系列不連續的穩定態:(3) 軌道角動量量子化條件(2) 躍遷假設 (頻率假設)：原子從一個定態(En)躍遷到另一個定態(Ek)時，會發射或吸收一個頻率為 的光子，光子頻率：電子的軌道角動量為4. 玻爾的基本假設玻爾原子模型滿足該條件的運動軌道才是穩定的。第四十一張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月軌道半徑是量子化的！1. 氫原子的軌道半徑、軌道速度與軌道能量電子運動的能量:三、玻爾對氫原子的成功解釋軌道速度是量子化的！軌道能量是量子化的！第四十二張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月2. 里德伯常數的理論值 當原子由較高能級En躍

19、遷到較低能級Ek時，會發射一個光子，其頻率為：廣義的巴爾末公式！由此公式計算出的里德伯常數與實驗值完全符合令得實驗值每一個光譜項都對應一個確定能級:第四十三張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月其它可能的軌道:第一玻爾軌道半徑n=1, r1= 0.053 nm光譜精細結構常數3. 氫原子結構的定量研究 原子線度能級與能級圖在r1的軌道上的速度: （1）氫原子中電子運動的速度電子運動的速度:第四十四張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月 電子在半徑為rn 的軌道上運動時，原子系統的總能量是： （第一玻爾軌道）激發態基態能量（2）氫原子的能量第四十五張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月345 一個能級將對應一條圓軌道!第四十六張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月（3）能級圖 氫原子能級圖 因能級不連續，所以不連續。不同的 對應不同的譜線。賴曼系(紫外區)巴耳末(可見光區)帕邢系(紅外區) 每