第16章量子物理基础.ppt
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1、16. 1 量子物理学的诞生 普朗克量子假设,16. 2 光电效应 爱因斯坦光子理论,16. 3 康普顿效应及光子理论的解释,16. 4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,16. 6 波函数 一维定态薛定谔方程,第16章 量子物理基础,本章内容:,16. 5 微观粒子的波粒二象性 不确定关系,16.7 电子自旋 四个量子数,16. 8 原子的电子壳层结构,Xian University of Science and Technology,16.1 量子物理学的诞生普朗克量子假设,热辐射 : 由温度决定的物体的电磁辐射。,热辐射的基本概念,入射,反射,透射,吸收,辐射,物体辐射电磁波的同时也吸收电磁
2、波。,辐射和吸收达到平衡时,物体的温度不再变化,此时物体的热辐射称为平衡热辐射。,单色辐出度 - 在一定温度T 下,物体单位表 面在单位时间内发射的波长在 +d 范 围内的辐射能与波长间隔的比值, 即,热辐射的特点:,(1)连续,(2)温度越高,辐射越强,(3)频谱分布随温度变化,(4)物体的辐射本领与温度、材料有关; 辐射本领越大,吸收本领也越大。,黑体辐射,绝对黑体(黑体):能够全部吸收各种波长的辐射且不反射和透射的物体。,黑体辐射的特点 :,与同温度其它物体的热辐射相比,黑体热 辐射本领最强,煤烟,约99%,黑体模型,黑体热辐射,温度,材料性质,经典物理的解释及普朗克公式,MB,瑞利 金
3、斯公式 (1900年),维恩公式(1896年),普朗克公式(1900年),实验曲线,普朗克常数 h = 6.62610-34Js,(为得到这一公式,普朗克提出了能量量子化假设),电磁波,普朗克能量子假设,若谐振子频率为v ,则其能量是hv,2hv,3hv,nhv,首次提出微观粒子的能量是量子化的,打破了经典物理学中能量连续的观念。,普朗克常数 h = 6.62610-34 Js,腔壁上的原子 (谐振子),能 量,与腔内电磁场交换能量时,谐振子能量的变化是hv(能量子)的整数倍.,意义,打开了人们认识微观世界的大门,在物理学发展史上起了划时代的作用.,伏安特性曲线,16.2.1 光电效应的实验规
4、律,(1) 饱和电流 iS,(2) 遏止电压 Ua,iS :单位时间阴极产生的光电子数, I,16.2 光电效应 爱因斯坦光子假说,iS3,iS1,iS2,I1,I2,I3,-Ua,U,i,I1I2I3,光电子最大初动能和 成线性关系,Ua与频率关系曲线,和v 成线性关系,(实验装置示意图),0,A,(3) 截止频率 0,(4) 即时发射:,迟滞时间不超过 10-9 秒,经典物理与实验规律的矛盾,电子在电磁波作用下作受迫振动,直到获得足 够能量(与光强I有关) 逸出,不应存在红限 0 。,当光强很小时,电子要逸出,必须经较长时间的能量,只有光的频率 0 时,电子才会逸出。,逸出光电子的多少取决
5、于光强 I 。,光电子即时发射,滞后时间不超过 109 秒。,总结,光电子最大初动能和光频率 成线性关系。,光电子最大初动能取决于光强,和光的频率无关。,积累。,16.2.2 爱因斯坦光子假说和光电效应方程,光是光子流 ,每一光子能量为h ,电子吸收一个光子,(A 为逸出功),单位时间到达单位垂直面积的光子数为N,则光强I = Nh .I 越强,到阴极光子越多,则逸出光电子越多。,电子吸收一个光子可逸出,不需要长时间的能量积累,光频率 A/h 时,电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出 ( o= A/h) 。,结论,光电子最大初动能和光频率 成线性关系。,一铜球用绝缘线悬挂于真空中,被波长=
6、150 nm 的光照射。已知铜的逸出功为4.5eV 。,解铜球失去电子后带正电,电势升高,使束缚电子的势垒也升高,设铜球表面的电势为U ,逸出电子的速度为v ,铜的逸出功为A,爱因斯坦光电效应方程为,逸出电子的最大动能为零时,铜球电势达最高U max, 有,例,铜球因失去电子而能达到的最高电势。,求,光子动量,16.2.3 光(电磁辐射)的波粒二象性,光子能量,光子质量,粒子性,波动性,光电效应的应用,光电管: 光电开关,红外成像仪,光电传感器等,光电倍增管: (微光)夜视仪,测量波长在 2001200 nm 极微弱光的功率,光电倍增管, ,散射线中有两种波长 0 、 ,,随散射角 的增大而增
7、大。,探测器,16. 3 康普顿效应及光子理论的解释,16.3.1 康普顿效应,X 光管,光阑,散射物体,(实验装置示意图),散射物体不同,0 、 的强度比不同。,经典物理的解释,经典理论只能说明波长不变的散射,而不能说明康普顿散射,电子受迫振动,同频率散射线,发射,单色电磁波,受迫振动v0,照射,散射物体,16.3.2 光子理论的解释,能量、动量守恒,(1) 入射光子与外层电子弹性碰撞,外层 电子,(电子的康普顿波长),其中,(2) X 射线光子和原子内层电子相互作用,自由电子,内层电子被紧束缚,光子相当于和整个原子发生碰撞.光子质量远小于原子,碰撞时光子不损失能量,波长不变。,波长变化,结
8、论,原子,强度变化,吴有训实验结果,例 0 = 0.02nm 的X射线与静止的自由电子碰撞, 若从与入射线成900的方向观察散射线。,求,(1) 散射线的波长; (2) 反冲电子的动能;,解,(1) 散射线的波长:,(2) 反冲电子的动能:,(3) 反冲电子的动量:,(3) 反冲电子的动量。,16.4.1 氢原子光谱的实验规律,记录氢原子光谱的实验原理,16.4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论,氢放电管,23 kV,光阑,全息干板,三棱镜 (或光栅),光源,氢原子线状光谱,(摄谱仪),(氢光谱的里德伯常量),(3) k = 2 (n = 3,4,5,) 谱线系 赖曼系1908年),(2) 谱线的
9、波数可表示为,k = 1 (n = 2,3,4,) 谱线系- 巴耳末系(1880年),(1) 分立线状光谱,实验规律,(氢原子的巴耳末线系),经典理论的困难,(2) 跃迁假设,16.4.2 玻尔的氢原子理论,(1) 定态假设,原子从一个定态跃迁到另一定态,会发射或吸收一个光子,频率,稳定状态,这些定态的能量不连续,不辐射电磁波,电子作圆周运动,v,(定态),(3) 角动量量子化假设,轨道角动量,r,向心力是库仑力,由上两式得, 第 n 个定态的轨道半径为,能量量子化,-13.6 eV,玻尔半径,轨道半径量子化:,En ( eV),氢原子能级图,-13.6,-1.51,-3.39,0,n = 1
10、,n = 2,n = 3,n = 4,n = 5,n = 6,波数(与实验对比),当时实验测得,其中计算得到,成功地把氢原子结构和光谱线结构联系起来, 从理 论上说明了氢原子和类氢原子的光谱线结构。,意义,(2) 揭示了微观体系的量子化规律,为建立量子力学奠定了基础。,缺陷,(1) 不能处理复杂原子的问题。,(2) 完全没涉及谱线的强度、宽度等特征。,(3) 以经典理论为基础, 是半经典半量子的理论。,16.5.1 微观粒子的波粒二象,16.5 微观粒子的波粒二象性 不确定关系,实物粒子具有波粒二象性,频率,波长,德布罗意假设(1924年):,戴维孙革末电子散射实验,观测到电子衍射现象。,电子
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