《医学物理学教学资料》第十五章 量子力学基础
医学物理学(第7版)教学大纲
前言《医学物理学》是国家教育部规定的高等医学院校临床医学、预防医学等专业的一门必修基础课，是为这些专业的学生提供较系统的物理学知识，使他们在中学物理学教育基础上，进一步学习医学专业所必需的物理学的基本概念、基本规律、基本方法，为后继课程的学习以及将来从事专业工作打下一个良好的基础。
我校《医学物理学》教材选用人民卫生出版社出版普通高等教育“十一五”国家级规划教材《医学物理学》第7版（胡新珉主编）。
依据学校的教学计划，本课程共96学时，其中理论课68学时，实验课28学时。
因此制定本“教学大纲”。
因为教材是按72~108学时编写。
所以，“教学大纲”既参照卫生部1982年“高等医学院校《医用物理学》教学大纲（试用本）”和医药类大学物理课程教学的基本要求，也结合当前教育改革倡导素质教育，针对临床医学、预防医学、影像学、法医学、护理学、药学等专业的特点编写。
“大纲”内容分为掌握、熟悉、了解和自学。
自学内容课堂上教师原则上不讲授，属自学内容，结业考试中一般不作要求。
第一章力学的基本定律（自学）第二章物体的弹性一、学习要求本章要求熟悉描述物体弹性的基本概念，对人体骨骼和肌肉组织的力学特性要有一定的了解。
二、讲授内容和要求等级章节次序内容等级第一节线应变与正应力一线应变熟悉二正应力熟悉三正应力与线应变的关系熟悉四弯曲自学第二节切应变与切应力一切应变熟悉二切应力熟悉三切应力与切熟应变的关系悉四扭转自学第三节体应变与体应力一体应变熟悉二体应力熟悉三体应力与体应变的关系熟悉第四节生物材料的黏弹性自学三、授课学时：2学时。
四、练习：第27~28页，2-6、2-9。
第三章流体的运动一、学习要求本章要求掌握理想流体作稳定流动时的基本规律，即连续性方程和伯努利方程以及它们的应用；熟悉实际流体的流动规律和泊肃叶定律；了解斯托克司定律和血液在循环系统中的流动规律。
二、讲授内容和要求等级章节次序内容等级第一节理想流体的稳定流动一理想流体熟悉二稳定流动熟悉三连续性方程掌握第二节伯努利方程一伯努利方程掌握二伯努利方程的应用掌握第三节黏性流体的流动一层流和湍流熟悉二牛顿黏滞定律熟悉三雷诺数了解第四节黏性流体的运动规律一黏性流体的伯努利方程了解二泊肃叶定律熟悉三斯托克司定律了解第五节血液在循环系统中的流动一血液的组成及特性自学二心脏做功了解三血流速度分布自学四血流过程中的血压分布自学三、授课学时：4学时。
大学物理讲稿(第15章量子力学基础)
第15章 量子力学基础人们用经典物理解释黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等实验规律时,遇到了不可克服的困难.经过不断的探索和研究,终于突破了经典物理的传统观念,建立起量子理论.量子理论和相对论是现代物理学的两大支柱.量子理论的诞生,对研究原子、电子、质子、光子等微观粒子的运动规律提供了正确的导向.从此使物理学发生了一次历史性的飞跃,促进了原子能、激光、超导、半导体等众多新技术的生产和发展.本章前部分,分别介绍黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等实验规律以及为解释这些实验规律而提出的量子假设,即早期的量子论.本章的后部分简要介绍量子力学的基本概念及原理,并通过几个具体事例的讨论说明量子力学处理问题的一般方法.§15.1 黑体辐射与普朗克的量子假设一、黑体辐射的基本规律1 热辐射组成物体的分子中都包含着带电粒子,当分子作热运动时物体将会向外辐射电磁波,由于这种电磁波辐射与物体的温度有关,故称其为热辐射.实验表明,热辐射能谱是连续谱,发射的能量及其按波长的分布是随物体的温度而变化的.随着温度的升高,不仅辐射能在增大,而且辐射能的波长范围向短波区移动.物体在辐射电磁波的同时,也吸收投射到物体表面的电磁波.理论和实验表明,物体的辐射本领越大,其吸收本领也越大,反之亦然.当辐射和吸收达到平衡时,物体的温度不再变化而处于热平衡状态,这时的热辐射称为平衡热辐射.为描述物体热辐射能按波长的分布规律,引入单色辐射出射度（简称单色辐出度）这一物理量,其定义为：物体单位表面积在单位时间内发射的、波长在λ+λ→λd 范围内的辐射能dM λ与波长间隔d λ的比值,用M λ(T)表示,即λ=λλd dM T M )( (15.1) 而辐出度定义为⎰∞λλ=0d T M T M )()( (15.2) 2 黑体辐射的基本规律投射到物体表面的电磁波,可能被物体吸收,也可能被物体反射和透射.能够全部吸收各种波长的辐射能而完全不发生反射和透射的物体称为绝对黑体,简称黑体.绝对黑体是一种理想模型,实验室中用不透明材料制成带有小孔的空腔物体可近似看作黑体.图15.1为用实验方法测得的黑体单色辐出度M B λ (T)按波长和温度分布的曲线.关于黑体辐射,有两个基本定律：一个是斯特藩—玻耳兹曼定律(M B (T )=σT 4 ,即黑体的辐出度与其热力学温度的四次方成正比 ,其中σ=5.6705×10-8 W•m -2 • K -4 称为斯特藩—玻耳兹曼常数);另一个是维恩位移定律(λm T=b,即黑体单色辐出度的最大值对应的波长λm 与其绝对温度T 成反比,其中b=2.8978×10-3m •K 为与温度无关的常数).这两个定律在现代科学技术中有广泛的应用.通常用于测量高温物体(如冶炼炉、钢水、太阳或其他发光体等)温度的光测高温法就是在这两个定律的基础上建立起来的,同时,这两个定律也是遥感技术和红外跟踪技术的理论依据.从理论上导出绝对黑体单色辐出度与波长和温度的函数关系,即M Bλ=f(λ, T) ,是19世纪末期理论物理学面临的重大课题.维恩(W.Wien,1864—1928年)假定带电谐振子的能量按频率的分布类似于麦克斯韦速率分布率,然后用经典统计物理学方法导出了黑体辐射的下述公式T c B e c T M λ-λλ=/)(251 (15.3) 其中 和 是两个由实验确定的参数.上式称为维恩公式.维恩公式只是在短波波段与实验曲线相符,而在长波波段明显偏离实验曲线,如图15.2所示.瑞利(J.W.S.Rayleigh,1842—1919年)和金斯(J.H.Jeans,1877—1946年)根据经典电动力学和经典统计物理学导出了另一个力图反映绝对黑体单色辐出度与波长和温度关系的函数 42λπ=λckT T M B )( (15.4) 式中c 是真空中的光速,k 是玻耳兹曼常数.上式称为瑞利—金斯公式.该公式在长波波段与实验相符,但在短波波段与实验曲线有明显差异,如图15.2所示.这在物理学史上曾称为“紫外灾难”.234167895οοοοοοοοοοοοοο瑞利—金斯线 维恩线 普朗克线 能量密度 m/μ波长图15.2二、普朗克的量子假设1900年普朗克(M.Planck,1858—1947年)在综合了维恩公式和瑞利—金斯公式各自的成功之处以后,得到黑体的单色辐出度为)()(/11252-λπ=λλkT hc B e hc T M (15.5) 这就是普朗克公式,式中h 为普朗克常数,1986年的推荐值为 h=6.6260755×10-34 J ·s.普朗克公式与实验结果的惊人符合预示了其中包含着深刻的物理思想.普朗克指出,如果作下述假定,就可以从理论上导出他的黑体辐射公式：物体若发射或吸收频率为ν的电磁辐射,只能以ε=hν为单位进行,这个最小能量单位就是能量子,物体所发射或吸收的电磁辐射能量总是这个能量子的整数倍,即),,,(Λ321=ν=ε=n nh n E (15.6)普朗克的能量子思想是与经典物理学理论不相容的,也正是这一新思想,使物理学发生了划时代的变化,宣告了量子物理的诞生.普朗克也因此荣获1918年的诺贝尔物理学奖.作业(P224)：23§15.2 光电效应与爱因斯坦的光量子假设普朗克的量子假设提出后的最初几年中,并未受到人们的重视,甚至普朗克本人也总是试图回到经典物理的轨道上去.最早认识普朗克假设重要意义的是爱因斯坦,他在1905年发展了普朗克的思想,提出了光子假设,成功的解释了光电效应的实验规律.一、光电效应的实验规律金属在光的照射下,有电子从表面逸出,这种现象称为光电效应.光电效应中逸出金属表面的电子称为光电子.光电子在电场的作用下所形成的电流叫光电流.研究光电效应的实验装置如图15.3所示.在一个抽空的玻璃泡内装有金属电极K(阴极)和A(阳极),当用适当频率的光从石英窗口射入照在阴极K 上时,便有光电子自其表面逸出,经电场加速后为阳极A 所吸收,形成光电流.改变电位差U AK ,测得光电流 i ,可得光电效应的伏安特性曲线,如图15.4所示.实验研究表明,光电效应有如下规律：1）阴极K 在单位时间内所发射的光电子数与照射光的强度成正比.从图15.4可以看出,光电流i 开始时随 增大而增大,而后就趋于一个饱和值 ,它与单位时间内从阴极K 发射的光子数成正比.所以单位时间内从阴极K 发射的光电子数与照射光强成正比.2）存在截止频率.实验表明,对一定的金属阴极,当照射光频率小于某个最小值i s 时,不管光强多大,都没有光电子逸出,这个最小频率v 0称为该种金属的光电效应截止频率,也叫红限,对应的波长0λ称为截止波长.每一种金属都有自己的红限.3）光电子的初动能与照射光的强度无关,而与其频率成线性关系.在保持光照射不变的情况下,改变电位差U AK ,发现当U AK =0时,仍有光电流.这显然是因为光电子逸出时就具有一定的初动能.改变电位差极性,使U AK <0 ,当反向电位差增大到一定值时,光电流才降为零,如图15.4所示.此时反向电位差的绝对值称为遏止电压,用U a 表示.不难看出,遏止电压与光电子的初动能间有如下关系a eU m =υ2021 (15.7) 式中m 和e 分别是电子的静质量和电量, 0υ是光电子逸出金属表面的最大速率. 实验还表明,遏止电压U a 与光强I 无关,而与照射光的频率v 成线性关系,即 0V K U a -ν= (15.8)式中K 和V 0都是正值,其中K 为普适恒量,对一切金属材料都是相同的,而V 0=Kv 0对同一种金属为一恒量,但对于不同的金属具有不同的数值.将式(15.8)代入式(15.7)得 )(002021ν-ν=-ν=υeK eV eK m (15.9) 上式表明,光电子的初动能与入射光的频率成线性关系,与入射光强无关.4）光电子是即时发射的,滞后时间不超过10-9s.实验表明,只要入射光的频率大于该金属的红限,当光照射这种金属表面时,几乎立即产生光电子,而无论光强多大.二、爱因斯坦光子假设和光电效应方程对于上述实验事实,经典物理学理论无法解释.按照光的波动理论,光波的能量由光强决定,在光照射下,束缚在金属内的“自由电子”将从入射光波中吸收能量而逸出表面,因而逸出光电子的初动能应由光强决定,但光电效应中光电子的初动能与光强无关；另外,如果光波供给金属中“自由电子”逸出表面所需的足够能量,光电效应对各种频率的光都能发生,不应该存在红限,而且,光电子从光波中吸收能量应有一个积累过程,光强越弱,发射光子所需要的时间就越长,这都与光电效应的实验事实相矛盾.由此可见,光的波动理论无法解释光电效应的实验规律.为了克服光的波动理论所遇到的困难,从理论上解释光电效应,爱因斯坦发展了普朗克能量子的假设,于1905年提出了如下的光子假设：一束光就是一束以光速运动的粒子流,这些粒子称为光量子（简称光子）；频率为v 的光子所具有的能量为hv ,它不能再分割,而只能整个的被吸收或产生出来.按照光子理论,当频率为v 的光照射金属表面时,金属中的电子将吸收光子,获得 的能量,此能量的一部分用于电子逸出金属表面所需要的功(此功称为逸出功A)；另一部分则转变为逸出电子的初动能.据能量守恒定律有(15.10) 这就是爱因斯坦的光电效应方程.)(002021ν-ν=-ν=υ↓eK eV eK m 比较 00eK νeV A eK,h === (15.11)由实验可测量K 和V 0,算出普朗克常数h 和逸出功A,进而还可求出金属的红限v 0.按照光子理论,照射光的光强就是单位时间到达被照物单位垂直表面积的能量,它是由单位时间到达单位垂直面积的光子数N 决定的.因此光强越大,光子数越多,逸出的光电子数就越多.所以饱和光电流与光强成正比；由于每一个电子从光波中得到的能量只与单个光子的能量hv 有关,所以光电子的初动能与入射光的频率成线性关系,与光强无关.当光子的能量hv 小于逸出功A,即入射光的频率v 小于红限v 0时,电子就不能从金属表面逸出；另外,光子与电子作用时,光子一次性将能量 全部传给电子,因而不需要时间积累,即光电效应是瞬时的.这样光子理论便成功地解释了光电效应的实验规律,爱因斯坦也因此获得1921年的诺贝尔物理学奖.例题15.1 用波长为400nm 的紫光去照射某种金属,观察到光电效应,同时测得遏止电压为1.24V ,试求该金属的红限和逸出功.解：由光电效应方程得逸出功为1.87eV J 102.9919=⨯=-=-=-020eU λc h m υ21h νA 根据红限与逸出功的关系,得红限为Hz 1051410626610992143419⨯=⨯⨯==--...h A ν0 三、光（电磁波）的波粒二象性一个理论若被实验证实,它必定具有一定的正确性.光子论被黑体辐射、光电效应以及其他实验所证实,说明它具有一定的正确性.而早已被大量实验证实了的光的波动论以及其他经典物理理论的正确性,也是无可非议的.因此,在对光的本性的解释上,不应该在光子论和波动论之间进行取舍,而应该把它们同样地看作是光的本性的不同侧面的描述.这就是说,光具有波和粒子这两方面的特性,这称为光的波粒二象性.既是粒子,也是波,这在人们的经典观念中是很难接受的.实际上,光已不是经典意义下的波,也不是经典意义下的粒子,而是波和粒子的统一.光是由具有一定能量、动量和质量的粒子组成的,在它们运动的过程中,在空间某处发现它们的几率却遵从波动的规律.描述光的粒子特征的能量与描述其波动特征的频率之间的关系为(15.12)由狭义相对论能量—动量关系并考虑光子的静质量为零得光子动量与波长的关系为====Ph Pc/h c E/h c νc λ (15.13) 它们通过普朗克常数紧密联系起来.通过质能关系还可得光子的质量为c P ch c E m 22=ν==作业(P224)：26§15.3 氢原子光谱与玻尔的量子论经典物理学不仅在说明电磁辐射与物质相互作用方面遇到了如前所述的困难,而且在说明原子光谱的线状结构及原子本身的稳定性方面也遇到了不可克服的困难.丹麦物理学家玻尔发展了普朗克的量子假设和爱因斯坦的光子假设等,创立了关于氢原子结构的半经典量子理论,相当成功的说明了氢原子光谱的实验规律.一、氢原子光谱的实验规律实验发现,各种元素的原子光谱都由分立的谱线所组成,并且谱线的分布具有确定的规律.氢原子是最简单的原子,其光谱也是最简单的.对氢原子光谱的研究是进一步学习原子、分子光谱的基础,而后者在研究原子、分子结构及物质分析等方面有重要的意义.在可见光范围内容易观察到氢原子光谱的四条谱线,这四条谱线分别用H α、H β、H γ和H δ表示,如图15.5所示.1885年巴耳末(J.JBalmer,1825—1898)发现可以用简单的整数关系表示这四条谱线的波长6543,,,=-=n ,2n n B λ222(15.14) 式中B 是常数,其值等于364.57nm.后来实验上还观察到相当于n 为其他正整数的谱线,这些谱线连同上面的四条谱线,统称为氢原子的巴耳末系.光谱学上经常用波数 表示光谱线,它被定义为波长的倒数,即λ=ν1~(15.15) 引入波数后,式(15.14)可改写为Λ,,,),(~54312122=-=n n R ν (15.16) 式中172m 100967761B 2R -⨯==./,称为里德伯(J.R.Rydberg,1854—1919)常数.在氢原子光谱中,除了可见光范围的巴耳末线系以外,在紫外区、红外区和远红外区分别有赖曼(T.Lyman)系、帕邢(F.Paschen)系、布拉开(F.S.Brackett)系和普丰德(A.H.Pfund)系.这些线系中谱线的波数也都可以用与式(15.16)相似的形式表示.将其综合起来可表为)(~2211n k R T(n)T(k)νkn -=-= (15.17) 式中k 和n 取一系列有顺序的正整数,k 取1、2、3、4、5分别对应于赖曼线系、巴耳末线系、帕邢线系、布拉开线系和普丰德线系；一旦k 值取定后,n 将从k+1 开始取k+1, k+2, k+3等分别代表同一线系中的不同谱线. T(n)=R/n 2称为氢的光谱项.式(15.17)称为里德伯—里兹并合原理.实验表明,并合原理不仅适用于氢原子光谱,也适用于其他元素的原子光谱,只是光谱项的表示式要复杂一些.并合原理所表示的原子光谱的规律性,是原子结构性质的反映,但经典物理学理论无法予以解释.按照原子的有核模型,根据经典电磁理论,绕核运动的电子将辐射与其运动频率相同的电磁波,因而原子系统的能量将逐渐减少.随着能量的减少,电子运动轨道半径将不断减小；与此同时,电子运动的频率（因而辐射频率）将连续增大.因此原子光谱应是连续的带状光谱,并且最终电子将落到原子核上,因此不可能存在稳定的原子.这些结论显然与实验事实相矛盾,从而表明依据经典理论无法说明原子光谱规律等.二、玻尔的量子论玻尔(N.H.D.Bohr,1885—1962)把卢瑟福关于原子的有核模型、普朗克量子假设、里德伯—里兹并合原理等结合起来,于1913年创立了氢原子结构的半经典量子理论,使人们对于原子结构的认识向前推进了一大步.玻尔理论的基本假设是1）原子只能处在一系列具有不连续能量的稳定状态,简称定态,相应于定态,核外电子在一系列不连续的稳定圆轨道上运动,但并不辐射电磁波；2）作定态轨道运动的电子的角动量L 的数值只能是)/(π2h η的整数倍,即(15.18)这称为角动量量子化条件,n 称为主量子数,m 是电子的质量；3）当原子从一个能量为E k 的定态跃迁到另一个能量为E n 的定态时,会发射或吸收一个频率为v kn 的光子(15.19) 上式称为辐射频率公式, v kn >0表示向外辐射光子, v kn <0表示吸收光子.玻尔还认为,电子在半径为r 的定态圆轨道上以速率υ绕核作圆周运动时,向心力就是库仑力,因而有2202re πεr υm ⋅=41 (15.20) 由式(15.18)和式(15.20)消去υ,即可得原子处于第n 个定态时电子轨道半径为),,,()Λ321(1===n r n πme h εn r 22202n (15.21)对应于n=1的轨道半径r 1是氢原子的最小轨道半径,称为玻尔半径,常用a 0表示,其值为m 10291772495111-⨯===.2200πme h εr a (15.22) 这个数值与用其他方法得到的数值相符合.氢原子的能量应等于电子的动能与势能之和,即re πεr e πεm υE 20202⋅-=⋅-=814121 处在量子数为n 的定态时,能量为),,,()(Λ321n 81812n n =-=⋅-=220420h εme n r e πεE (15.23)由此可见,由于电子轨道角动量不能连续变化,氢原子的能量也只能取一系列不连续的值,这称为能量量子化,这种量子化的能量值称为原子的能级.式(15.23)是氢原子能级公式.通常氢原子处于能量最低的状态,这个状态称为基态,对应于主量子数n=1, E 1=-13.6 eV . n>1的各个稳定状态的能量均大于基态的能量,称为激发态,或受激态.处于激发态的原子会自动地跃迁到能量较低的激发态或基态,同时释放出一个能量等于两个状态能量差的光子,这就是原子发光的原理.随着量子数n 的增大,能量E n 也增大,能量间隔减小. 当n →∞时,rn →∞, E n →0 ,能级趋于连续,原子趋于电离. E > 0时,原子处于电离状态,能量可连续变化.图15.6和图15.7分别是氢原子处于各定态的电子轨道图和氢原子的能级图.使原子或分子电离所需要的能量称为电离能.根据玻尔理论算出的氢原子基态能量值与实验测得的氢原子基态电离能值13.6eV 相符.下面用玻尔理论来研究氢原子光谱的规律.按照玻尔假设,当原子从较高能态E n 向较低能态E k (n>k)跃迁时,发射一个光子,其频率和波数为1n =2n =3n =4n =1r r =14r r =19r r =116r r =赖曼系巴耳末系帕邢系 图15.6 氢原子定态的轨道图hE E νk n nk -= (15.24) )~k n nk nk nk E E hcc νλν-===(11 (15.25) 将能量表示式(15.23)代入即可得氢原子光谱的波数公式)()(~k n nk c h εme ν0nk >-=22324118 (15.26) 显然式(15.26)与氢原子光谱的经验公式(15.17)是一致的,同时可得里德伯常数的理论值为173204m 10097373118-⨯=ε=.ch me R H 理论 (15.27) 这也与实验值符合得很好.这表示玻尔理论在解释氢原子光谱的规律性方面是十分成功的,同时也说明这个理论在一定程度上反映了原子内部的运动规律.三、玻尔理论的缺陷和意义玻尔的半经典量子理论在说明光谱线规律方面取得了前所未有的成功.但是它也有很大的局限性,如只能计算氢原子和类氢离子的光谱线,对其他稍微复杂的原子就无能为力了；另外,它完全没有涉及谱线强度、宽度及偏振性等.从理论体系上讲,这个理论的根本问题在于它以经典理论为基础,但又生硬的加上与经典理论不相容的若干重要假设,如定态不辐射和量子化条件等,因此它远不是一个完善的理论.但是玻尔的理论第一次使光谱实验得到了理论上的说明,第一次指出经典理论不能完全适用于原子内部运动过程,揭示出微观体系特有的量子化规律.因此它是原子物理发展史上一个重要的里程碑,对于以后建立量子力学理论起到了巨大的推动作用.另外,玻尔理论在一些基本概念上,如“定态”、“能级”、“能级跃迁决定辐射频率”等在量子力学中仍是非常重要的基本概念,虽然另有一些概念,如轨道等已被证实对微观粒子不再适用.作业(P224)：27§15.4 微观粒子的波—粒二象性 不确定关系一、微观粒子的波—粒二象性1923～1924年间,德布罗意仔细地分析了光的微粒说和波动说的历史,深入的研究了光子假设.他认为,19世纪以来,在光的研究中人们只重视了光的波动性,而忽视了它的粒子性.但在实物粒子的研究中却又发生了相反的情况,只重视实物粒子的粒子性,而忽略了它的波动性.在这种思想的支配下,德布罗意大胆的提出了物质的波—粒二象性假设.他认为,质量为m,速度为υ的自由粒子,一方面可用能量E 和动量p 来描述它的粒子性；另一方面还可用频率v 和波长λ来描述它的波动性.它们之间的关系与光的波—粒二相性所描述的关系一样,即h/p λE/h,ν== (15.28)式(15.28)叫德布罗意公式.这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波,或叫物质波.德布罗意因这一开创性工作而获得了1929年的诺贝尔物理学奖.由于自由粒子的能量和动量均为常量,所以与自由粒子相联系的波的频率和波长均不变,这说明与自由粒子相联系的德布罗意波可用平面波描述.对于静质量为m 0,速度为υ的实物粒子,其德布罗意波长为220/c υυm h p h λ-==1 (15.30) 德布罗意关于物质波的假设,1927年首先由戴维孙(C.J.Davisson,1881—1958)和革末(L.H.Germer,1896—1971)通过电子衍射实验所证实.戴维孙和革末作电子束在晶体表面散射实验时,观察到了和X 射线在晶体表面衍射相似的电子衍射现象,从而证实了电子具有波动性.当时的实验中,采用50KV 的电压加速电子,波长约为0.005nm.由于波长非常短,实验难度很高,因此这一实验是极其卓越的.后来证实了不仅电子具有波动性,其他微观粒子,如原子、质子和中子等也都具有波动性.微观粒子的波动性在现代科学技术上已得到广泛的应用,利用电子的波动性,已制造出了高分辨率的电子显微镜；利用中子的波动性,制成了中子摄谱仪.既然微观粒子具有波动性,原子中绕核运动的电子无疑也具有波动性.不过处于原子定态中的电子的波动形式,与戴维孙和革末实验中由小孔衍射的电子束的波动形式是不同的,后者可认为是行波,而前者则应看为驻波.处于定态中的电子形成驻波的情形,与端点固定的振动弦线形成驻波的情形是相似的.原子中电子驻波可如图15.8形象地表示.由图可见,当电子波在离开原子核为r 的圆周上形成驻波时,圆周长必定等于电子波长的整数倍,即),,,(Λ3212==n n λπr (15.31)利用德布罗意关系便可得电子的轨道角动量应满足下面的关系),,,(Λη3212====n n λh πλn rP L (15.32) 这正是玻尔作为假设引入的量子化条件,在这里,考虑了微观粒子的波动性就自然的得出了量子化条件.例题15.2 计算经过电势差U=150V 和U=104V 加速的电子的德布罗意波长(在U<104V 时,可不考虑相对论效应).解：忽略相对论效应,经过电势差U 加速后,电子的动能和速率分别为202,21m eU eU υm =υ= 式中m 0为电子的静止质量.利用德布罗意关系可得德布罗意波长nm 11.225m 1102512121000UU U e m h υm h λ=⨯=⋅==-. 式中U 的单位是伏特. 1nm 0150V U 11.=λ→=,0.0123nm V 10U 242=λ→=由此可见,在这样的电压下,电子的德布罗意波长与X 射线的波长相近。
量子力学基础知识PPT讲稿
Plank
The Nobel Prize in Physics 1918
"for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions"
Max Karl Ernst Ludwig Planck
(3).光子具有一定的动量(p)
P = mc = h /c = h／λ
光子有动量在光压实验中得到了证实。 (4).光的强度取决于单位体积内光子的数目，即光子密度。
将频率为的光照射到金属上，当金属中的一个电子受到一个光子撞击时， 产生光电效应，光子消失，并把它的能量h转移给电子。电子吸收的能量，一 部分用于克服金属对它的束缚力，其余部分则表现为光电子的动能。
Germany Berlin University Berlin, Germany
1858在金属表面上，金属发射出电子的现象。
.1 只有当照射光的频率超过某个最小频率（即临阈频率）时，金属才能发射光电
子，不同金属的临阈频率不同。 2.随着光强的增加，发射的电子数也增加，但不影响光电子的动能。 3.增加光的频率，光电子的动能也随之增加。
“光子说”表明——光不仅有波动性，且有微粒性，这就是光的波粒 二象性思想。
Einstein
The Nobel Prize in Physics 1921
"for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions"
第一节.微观粒子的运动特征
电子、原子、分子和光子等微观粒子，具有波粒二象 性的运动特征。这一特征体现在以下的现象中，而这些现 象均不能用经典物理理论来解释，由此人们提出了量子力 学理论，这一理论就是本课程的一个重要基础。
医学物理学课程教学大纲
《医用物理学》大纲一、课程简介要求：掌握流体、液体表面现象、声波、磁场、电场、电流、几何光学、波动光学、X射线、核医学成像技术的物理原理；理解物理现象的基本过程；了解物理因子与生物体的相互作用规律等。
二、内容和要求【要求】通过对物理学研究对象的了解，弄清物理学与现代医学的内在联系。
【内容】物理学的研究对象，物理学与医学的关系。
第一章力学基本定律【要求】在中学力学知识的基础上总结提高，对医学上需要的力学基础知识作进一步的讨论，掌握物体弹性的一般规律，为了解生物组织的力学性质打基础。
【内容】刚体的转动角量与线量的关系转动动能与转动惯量力矩与转动定律动量矩守恒定律，物体的弹性，应力与应变，杨氏弹性模量，骨骼与肌肉的力学性质。
第二章流体的运动【要求】掌握理想流体和稳定流动的概念、连续性方程、伯努力方程与泊肃叶定律及其应用；理解层流与湍流、雷诺数的概念、粘性流体的伯努力方程的物理意义；了解心脏作功、血液的粘度及其影响因素、人体循环系统中的血流特点。
【内容】1．理想流体的流动理想流体，稳定流动，液流连续原理。
2．伯努利方程伯努利方程及应用。
3．实际流体的流动流体的粘滞性，层流、湍流、雷诺数，泊肃叶方程，流量与流阻、压强差的关系，粘性流体的伯努力方程。
4．斯托克斯定律斯托克斯定律，沉降速度。
5．血液在循环系统中的流动心脏作功，血流速度分布，血流过程中的血压分布。
重点：1．稳定流动的概念，流体连续原理的应用。
2．伯努利方程的意义及其应用(计算和解释现象)。
难点：伯肃叶公式推导。
第三章振动、波动和声波【要求】深入掌握振动与波动的基本规律。
了解声学的基本概念和超声的特点及医学应用。
【内容】简谐振动谐振动方程相位相位差旋转矢量法谐振动能量振动的合成同方向同频率谐振动的合成垂直方向同频率谐振动的合成受迫振动阻尼振动共振波的产生和传播简谐波的波动方程波的强度波的衰减惠更斯原理波的叠加原理波的干涉和衍射声波声压声阻声强声强级和响度级超声的产生与接收超声的性质超声诊断与治疗多普勒效应超声血流计第四章分子动理论【要求】掌握液体表面张力的基本规律。
2020年高中物理竞赛辅导课件★★第15章 量子力学基础(PPT)
15-2 光的量子性电效应
一、光电效应 爱因斯坦方程的实验规律
光电效应 光照射到金属表面时， 有电子从金属表面逸出的现象。
光电子 逸出的电子。
光电子由K飞向A，回路中 形成光电流。
AK
OO
OO
OO
G
V R
OO
实验规律
光电效应伏安特性曲线
1、单位时间内从阴极逸出 的光电子数与入射光的强
饱 和
Is2
量按波长的分布随温度而不同的电磁辐射
单色辐射本领（单色辐出度）
波长为的单色辐射本领是指单位时间内从物 体的单位面积上发出的波长在附近单位波长间隔
所辐射的能量。
M (T ) W / m3
如果一个物体能全部吸收投射在 它上面的辐射而无反射，这种物 体称为绝对黑体，简称黑体。
BB ( T )
(μm) 0 1 2 3 4 5 6
m
峰值波长
射度最大值向短波方向移动。
二、普朗克量子假设
MB ( T )
实验值
紫
外 灾
难
维恩
MB ( T ) C34T
瑞利--金斯
M B
(T
)
C e 5
C2 T
1
01 2 3 4 5
67
89
( m )
普朗克得到了黑体辐射公式：
M B ( T ) 2hc 2 5
1
hc
e kT 1
c ——光速 k ——玻尔兹曼恒量
1、若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量 传给电子, 光子的能量减少，因此波长变长，频率 变低。
2、若光子和内层电子相碰撞时，碰撞前后光子能 量几乎不变，故波长有不变的成分。
3、因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以 波长改变和散射角有关。
大学物理量子力学的基础
大学物理量子力学的基础量子力学是一门研究微观世界的物理学科，它是对自然界最基本的物质粒子行为进行描述的理论。
在大学物理学课程中，量子力学作为重要的一部分，对于学生来说是一门具有挑战性的学科。
本文将介绍大学物理中量子力学的基础知识，包括量子力学的起源、基本理论、波粒二象性等内容。
一、量子力学的起源量子力学最早起源于20世纪初的实验观察，其中包括普朗克黑体辐射定律和爱因斯坦光电效应等重要实验结果。
这些实验现象无法被经典物理学所解释，迫使科学家们提出一种新的理论来描述微观尺度的物理现象。
1918年，德国物理学家玻恩提出了量子假设，为后来的量子力学奠定了基础。
二、量子力学的基本理论量子力学的基本理论由薛定谔方程和量子力学算符理论构成。
薛定谔方程是描述量子系统演化的基本方程，它描述了系统波函数随时间的演化规律。
而量子力学算符则用来描述物理量的测量和运算，它们对应于物理量的观测值和运动方程。
三、波粒二象性波粒二象性是量子力学的核心概念之一。
根据量子力学的理论，微观粒子在不同的实验条件下既可以呈现出波动性质，又可以表现出粒子性质。
具体而言，光的行为表现为波动性，在双缝实验中呈现出干涉和衍射现象；而电子、中子等微观粒子也可以表现出波动性质，例如在杨氏实验中呈现出干涉条纹。
四、量子力学中的基本概念为了更好地理解量子力学，我们需要掌握其基本概念。
首先是波函数，它描述了量子系统的状态，并且可以用来计算物理量的平均值。
其次是量子态，量子系统所处的状态可以用量子态来描述，量子力学中的态叠加原理也是量子力学与经典物理学的一个重要差异。
最后是测量，量子力学中的测量与经典物理学有很大的不同，测量结果会塌缩波函数，并且存在不确定性原理。
五、量子力学在实际应用中的意义量子力学不仅是基础物理学的重要学科，还被广泛应用于许多领域。
在材料科学中，量子力学的理论模型可以用来解释材料的电子结构和性质。
在计算机科学中，量子计算的概念正在成为未来计算机技术的重要方向。
量子力学基础知识
量子力学基础知识一、引言量子力学是研究微观领域的物质与能量相互作用的理论框架。
自从其诞生以来，量子力学一直在推动科学的发展，并给人们对宇宙的认识带来了巨大的变革。
本文将介绍量子力学的基础知识，包括量子力学的起源、基本原理、波粒二象性以及量子力学的测量等内容。
二、量子力学的起源量子力学起源于20世纪20年代，由一系列学者的贡献构建而成。
其中，德国物理学家普朗克的能量量子化假设和波尔的量子化条件为量子力学的产生奠定了基础。
普朗克假设能量的辐射是离散的，而非连续的，基于这一假设，波尔提出了电子只能存在于特定的能级上，并且在能级间跃迁时会放出或吸收能量。
这些基本思想为量子力学的建立提供了理论依据。
三、量子力学的基本原理1. 状态和波函数在量子力学中，一个粒子的状态可以由波函数来描述。
波函数是一个数学函数，描述了粒子在空间中的概率分布情况。
根据波函数的不同形式，可以分为定态波函数和非定态波函数。
定态波函数描述的是粒子在确定能级的状态，而非定态波函数描述的是粒子在多个能级之间的叠加态。
2. 波粒二象性量子力学中最重要的原理之一是波粒二象性。
根据波粒二象性，物质既可以表现出波动性，又可以表现出粒子性。
对于微观粒子，如电子、光子等，它们的波动特性可以通过波函数来描述，而粒子性则体现在其具有一定的质量和动量。
3. 不确定性原理不确定性原理是量子力学的又一基本原理。
它指出，在同一时刻，无法准确测量一个粒子的多个性质，如位置和动量，或者能量和时间。
这是因为在测量的过程中，会对被测量粒子产生扰动，从而导致测量结果的不准确性。
四、量子力学的测量在量子力学中，粒子的测量是通过测量算符来实现的。
测量算符对应于一个可观测量，如位置、动量、能量等。
在测量的过程中，波函数会坍缩到一个特定的本征态上，这个本征态对应于特定的测量结果。
五、应用与展望量子力学在科学技术领域有着广泛的应用。
其中，量子计算、量子通信和量子物质等领域备受关注。
大学物理下 第15章 量子力学基础
将德布罗意关系式：
E h p h/ k
代入上式
得：y
Ae
i
(
Et
px
)
(
x,
t
)
0e
i
(
Et
px)
(r ,
t)
e
i
(
Et
P
r
)
0
——自由粒子德布罗意波的波函数
三、 态叠加原理
用电子双缝衍射说明量子力学中态的叠加导致了在 叠加态下观测结果的不确定性。
几率密度
某时刻、在（x, y, z）附近的体积元 dV 中，出现
粒子的几率为
dP
2 dV
2
dP dV
—几率密度
表示某时刻、在空间某地点附近单位体积内粒子
出现的几率
粒子在整个空间出现的几率
P dP
2 必定
dV 1
这就是波函数 的归一化条件
V
2. 波函数的性质
（1） 单值性 一定时刻，在空间某点附近，单位体积内，粒子
物质波既不是机械波，又不是电磁波，而是几率波！
几率波是描写微观体系的统计行为，而不是单个粒 子的单次过程.
结论
波函数所反映的只是微观粒运动的统计
规律，对微观粒子，讨论其运动轨道及速度
是没有意义的。
宏观物体：讨论它的位置在哪里？ 区别
微观粒子：研究它在哪里出现的几率有多大？
1. 波函数具有归一性
粒子在某区域出现的几率正比于该区域的大小
一、单光子干涉实验
让一个光子入射到半透镜1上
《医学物理学教学资料》第十五章 量子力学基础(简)
由左图可看出温度T升 高，各波长的能量增
Mλ (T)
加，实确定：黑体
总辐射能量
1700K 1500K 1300K 1100K
M(T)=∫Mλ(T)dλ 与绝对温度T的四次方
成正比，即
1 2 3 4 λ(μm)
斯特藩—玻尔兹曼定律
实验证明：总辐射能量M（T）=∫Mλ(T)dλ与 绝对温度T的四次方成正比，即
此公式在短波区与曲线相符，长波时误差大。
3、普朗克公式
1900年，马克思·普朗克，根据能量量子化的假 设拟合实验曲线得出一个经验公式：
e Mλ (T) 2π 2 λ h 5 λ c h1ck T 1
此式与实验曲线完全符合，称为普朗克公式。
黑体辐射实验是物理学晴朗天空中
一朵令人不安的乌云。
M0(T)
一、光电效应的实验规律
光电效应实验装置
m
在适当波长光的照射下， 金属表面逸出电子的现象 称为光电效应
AK
OO
OO
OO
G
V
B OO
二、经典电磁波理论的缺陷
1、电子的逸出功应决定于光强； 2、任何频率的光，只要有足够的光强，
都应该产生光电效应；
3、电子积累能量需要时间，光电效应不是瞬时的。
三、 爱因斯坦方程 光量子（光子）
量子革命的导火线
辐射问题 热的物体发光，越热发出的光越明亮。
光谱的范围很广，当温度升高时，物体呈 现出的颜色向短波方向移动，人们试图结 合热力学和电磁学作出解释，不过所有的 尝试均以失败告终。
就连当时赫赫有名对物理学各方面都做出过重要贡献 的权威人物开耳文勋爵在一篇于1900年发表的瞻望二 十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经基本建成的 科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补 工作就行了”，不过他还不愧为一名确有远见卓识的物 理学家，因为他接着又指出：“但是在物理晴朗天空的 远处，还有两朵小小令人不安的乌云”，即运用当时的 物理学理论所无法正确解释的两个实验现象。
量子力学基础通用课件
量子力学的起源可以追溯到20世纪初，由普朗克、爱因斯坦、玻尔等科学家的 开创性工作奠定基石。随后，薛定谔、海森堡、狄拉克等科学家进一步完善了 量子力学理论体系。
量子力学的基本概念和原理
基本概念
波函数、量子态、测量、算符等 是量子力学的基本概念，用于描 述微观粒子的状态和性质。
基本原理
叠加原理、测不准原理、量子纠 缠等是量子力学的基本原理，反 映了微观世界的奇特性质和规律 。
应用领域
量子计算和量子信息在密码学、 化学模拟、优化问题、机器学习 等领域具有广泛的应用前景。
05
现代量子力学研究的前沿问题
量子纠缠和量子通信
量子纠缠的研究现状和意义
详细介绍量子纠缠的概念、性质，以及其在量子信息传输、量子 密码学等领域的应用。
基于纠缠态的量子通信协议
如BB84协议、E91协议等，并分析它们的优缺点。
应用总结
量子力学在多个领域有着广泛应用，如原子能级与光谱、半导体器件、超导与磁性材料、量子计算与 量子信息等。通过本课件的学习，学生应能了解这些应用背后的量子力学原理，以及量子力学在解决 实际问题时的优势与局限。
对未来量子力学研究和发展的展望
理论研究展望
随着实验技术的进步，未来量子力学研 究将更加注重高精度、高效率的数值模 拟与解析计算，以解决复杂多体问题、 拓扑物态、量子引力等前沿课题。此外 ，与相对论、宇宙学等其他理论的交叉 研究也将成为热点。
THANKS
感谢观看
对于包含多个电子的原子，需要考虑电子之间的相互作用和自旋等效应。多电子原子的量子力学处理更为复杂， 需要采用近似方法和数值计算等手段进行求解。
04
量子力学的应用和实验验证
量子隧穿效应
大学物理学(下册)第15章 量子物理基础
5、爱因斯坦的光子假说和光电效应方程
1）.爱因斯坦光子假设 ①.光是一束以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光子；
②.光子的能量： h
③.光的强度： SNh
2）.爱因斯坦光电效应方程
爱因斯坦认为：在光电效应中，金属中的电子吸收
一个光子的能量h，一部分消耗在使金属中电子挣脱原子
2020/12/10
2. 普朗克理论与经典理论不同
经典理论的基本观点
普朗克能量子假设
（1）电磁波辐射来源于 带电粒子的振动，电磁波 频率与带电粒子振动频率 相同。 （2）振子辐射电磁波含 各种波长，是连续的，辐 射能量也是连续的。
对于频率为的振子，
振子辐射的能量不是 连续的，而是分立的， 它的取值是某一最小 能量 的整数倍
出的、在波长 附近单位波长间隔内的能量。称为单色辐
射出射度或单色辐出度。
M(T)
dM(T)
d
单位： W / m 3
2020/12/10
温度为 T 的物体，在单位时间内，从单位面积上所辐射
出的各种波长的电磁波的能量总和。称为辐射出射度或辐
出度。
M(T) 0M(T)d
单位： W / m 2
太阳和钨丝的单色 辐出度曲线
即：光电子的最大初动能与入射光的强度成正比关系，而 与光的频率无关。与实验结果不符。
2020/12/10
红限问题
按上述理论,无论何种频率的入射光,只要其强 度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属，不 存在红限问题。与实验结果不符。
驰豫时间
按上述理论,如果入射光强很弱，则电子逸出金 属所需的能量，需要有一定的时间来积累。与实验结 果不符。
光的波动性用光波的波长 和频率 描述，光
医学物理学量子力学基础
应 原子光谱
3、黑体 (black body)
医学物 蚌埠医学院魏杰制作 理学
如果一个物体对入射的电磁波能全部吸收， 即称为黑体(black body) 。
黑体是一种理想模型
黑体模型
物质的波 动性质 魏杰制 作部，分版作 权Байду номын сангаас所解有答 ， 翻阅不录读料得。材 返回主
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第15章量子 力学基础
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第15章量子 力学基础
单位时间从黑体表面单位面积上发射的电磁波 能量的总和，即黑体表面单位面积的辐射功率， 称为辐射出射度，简称辐出度，
用M (T)表示；
对某一单色光的辐出度称为单色辐出度， 单色辐出度用M λ(T)表示，单位为：W·m -2 某一温度下物体对所有波长的总辐出度为：
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康普顿效 应
值波长) λ m，
1100K
原子光谱
物质的波 动性质 魏杰制 作部，分版作 权业所解有答 ， 翻阅不录读料得。材
λ m随温度升高向短波方向 位移,维恩根据热力学理论 指出：
λ m = b/T
1 2 3 4 λ(μm)
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λ m 峰值波长
返
此结果称为维恩位移定律。常数b=2.898×10-3 回
魏杰制作 ，版权所 有，不得 翻录。
5、黑体辐射能谱曲线
医学物 蚌埠医学院魏杰制作 理学
给黑体模型加热，由小孔处发出的辐射就是黑体辐射。
黑体辐射
黑体辐射能量(谱)分布曲线，如图。
光电效应
康普顿效 应
原子光谱
Mλ (T)
1700K 1500K
物质的波 动性质 魏杰制 作部，分版作 权业所解有答 ， 翻阅不录读料得。材
医用物理学
一、课程名称：医用物理学二、基本信息：课程编号：课程性质：必修英文名称：Medical Physics课程类别：学科基础教学总学时：48学分：先修课程：人体解剖学、教育学适用专业：护理类专业开课教学系：护理系开课教研室：电气电工教研室学生对象：本科二年级学生三、课程制定依据本标准依据国家人力资源和社会保障部，对护理队伍建设领域所对应的工作岗护理人才要求的技能标准和《国家中长期教育改革和发展纲要（2010--2020年）》、《国务院关于当前护理教育的若干意见》而制定。
四、课程简介医学物理学是高等医学教育中的一门专业基础课程。
它的任务和目的是：使学生比较系统地掌握医学科学所需要的物理学基础理论、基本知识、基本技能，培养学生辩证唯物主义世界观和观察问题、分析问题、解决问题的能力，为学生学习后续课程以及将来从事医疗卫生、科学研究工作打下必要的物理基础。
教学内容是以高中毕业为起点，以学习医学科学所需要的物理“三基”内容为主，对物理学与医学联系密切相关的内容应作比较广泛和深入的讨论，但主要是针对这些医学问题中的物理学原理，不应过多地涉及具体的医学内容。
对于那些为了保持物理学体系所必须保留而又与中学重复的内容，要求学生掌握，但不作讲授。
对于全新的或是根据专业需要应加强的内容，即是教师讲授和要求学生掌握的内容，也应做到少而精，既保证教学质量又不使学生负担过重。
五、课程目标（一）基本理论与基本知识1. 掌握物体弹性的基本理论、流体的运动规律、液体的表面张力、毛细现象、气体栓塞。
2. 掌握机械振动的基本规律、机械波的传播规律。
3. 掌握光的干涉、光的衍射、球面成像规律、视力矫正方法。
（二）基本技能1.掌握游标尺、螺旋测微器、Ostwald粘滞计、听觉实验仪等仪器的基本操作技能。
2.熟悉有效数字的概念、测量结果的处理方法、人耳的听阈曲线。
3.了解光栅光谱、液体粘滞系数的测量方法。
六、课程教学内容及安排绪论[目的要求]1.了解医学物理学的含义；2.了解医学物理学的研究对象及方法；3.了解医学物理学与物理学、医学的关系；4.了解学习医学物理学的目的。
第十五章 量子力学基础
1 1 R ( 2 2 ) k n
7 1
1
（里德伯常数R 1.0973731 10 m )
13
二、玻尔氢原子理论（1913年）：
1、三个基本假设 h （1）量子条件：电 L mr n 2 子只能在满足如下 条件的轨道上运动 （n=1、2、3、为量子数）
（2）定态假设：电子在上述轨道上运动时， 原子不向外辐射能量，原子处于稳定的状态 （定态），原子具有确定的能量（En）。 （3）跃迁假设：当原子从定态En跃迁到定态Ek时， 辐射或吸收一个光子，光子的频率由下式决定
px px E x px m
p E E 2m
E t / 2
23
第五节
量子力学的原子结构概念（§7）
一、四个量子数： （1）能量量子化——主量子数n：（反映氢 原子能量的量子化）
（2）角动量量子化——角量子数（辅量子数）l： （反映电子绕核运动角动量的量子化）
5
（与实验结果惊人符合）
二、普朗克能量子假设： 1、普朗克能量子假设： 1）辐射体是由带电谐振子组成，可以吸收和 辐射电磁波。 2）谐振子只能处于某些特定的能量状态，每一 状态的能量只能是最小能量值ε0 的整数倍，即 ε0、2ε0、3ε0、…、nε0（n为量子数）。当谐振 子辐射或吸收能量时，谐振子从一个状态跃迁 到另一个状态。 ε0 ——能量子。 3）能量子ε0 与谐振子的频率成正比：即 ε0 =h。 普朗克常数h=6.626×10-34J●S
自旋磁量子数ms=-s,-s+1,…,+s 对于给定的主量子数n，电子可能的运动状 态为
Z n 2(2l 1) 2n
0
n 1
2
27
大学物理15 量子物理基础2
例如，在哈密顿算符Ĥ及其本征值方程中：
Ψ为本征波函数，E 为本征值，故算符Ĥ 的本征值就
是系统的能量。在该状态中对能量进行测量有确定值
例1：证明一维自由粒子的定态波函数
是
的本征函数，并求
的本征值T =?
2、 力学量及对应的算符表示
量子力学中，力学量只能借助于相应的算符作用， 通过求解该算符的本征方程而得各力学量。本征方程 是求解一切力学量所依据的重要规律。 ① 动量算符
l=0, 1, 2, …角量子数
因此,对于确定的角量子数l
,磁量子数m可取(2l+1)个值.
Z，B
如：l=3 时 , m=0、 ±1、 ±2 ,、±3
L l (1 l ) 12
2 － －2
0
Lz m 0, , 2 ,3
下图就是
l=1、2、3 时的空间量子化图。
电子的角向几率分布与j无关，所以，这些图形 实际是饶z轴旋转对称的立体图。如后面图示。
氢原子中电子的角向几率分布 S-电子
l 0, m 0
p-电子
l 1, m 1
l 1, m 0
w00
w1,1
w10
l 1, m 1
w1,-1
z y
z y
z
y
z
y
上图中除1s电子w00 (q,j)外，其他的wlm(q,j)均有极大值(与lm有关)。
原子壳层和分壳层中最多可能容纳的电子数 l n 0 s 1 p 2 d 3 f 4 g
5 h
6 i
Zn 2 8 18
1K 2(1s) 2L 2(2s) 6(2p) 3M 2(3s) 6(3p) 10(3d)
（与玻尔理论相同）
第15章 量子物理基础 PPT课件
行
“但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌 云”，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个实验
现象。
厚
其一是否定绝对时空观的迈克尔逊—莫雷实验；
德
其二是热辐射现象中的紫外灾难。 正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打
弘 消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近
毅
代物理学的理论基础作出了贡献。事实上还有第三朵小小的 乌云，这就是放射性现象的发现，它有力地表明了原子不是
并且应用越来越广泛。
由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行的深入
厚 而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础，特别是由麦
德
克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存在，随即被赫兹的 实验所证实。后来又把牛顿、惠更斯和菲涅耳所建立的光学
弘 也纳入了电动力学的范畴，更是一项辉煌的成就。因此当时
毅
许多著名的物理学家都认为物理学的基本规律都已被发现， 今后的任务只是把物理学的基本规律应用到各种具体问题上，
笃 和透射的物体。
行
煤烟
厚
约99%
德
弘 黑体辐射的特点 ：
毅 • 温度
黑体模型
黑体热辐射
材料性质
• 与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射本领最强
11
实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.
博 学 黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的 笃物体称为黑体 .（黑体是理想模型） 行
学 1.热辐射现象
笃
一切物质中的原子、分子因
行
热激发而向外辐射电磁波的现象。 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
厚
的分布随温度而不同的电磁辐射 叫做热辐射。
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维恩位移定律
Mλ
每一曲线都对应 (T) 一个辐射能量最大 的波长(峰值波长) λm，λm随温度升 高向短波方向位移。
1700K 1500K 1300K 1100K
1 2 3 4 λ(μm)
维恩根据热力学理论指出：
λm
λm = b/T
常数b=2.898×10-3 m·k，
此结果称为维恩位移定律。铁块被加热
4、黑体 (black body)
如果一个物体对入射的电磁波能全部吸收，即称为黑体(black body) 。
用一个耐高温不透明材料做成一个大空腔，外面开一个小 孔，入射光线不会被反射，此空腔可看作是黑体模型。
补充：基尔霍夫辐射定律
单色吸收比 aλ（T） ： 物体对某一单色波长吸收的能量与入射能量之比。 单色反射比 rλ（T） ： 物体对某一单色波长反射的能量与入射能量之比。
一个是热辐射现象中的紫外灾难 另一个是否定绝对时空观的迈克尔逊—莫雷实验 正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚， 打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来 建立近代物理学的理论基础作出了贡献。事实上还有第 三朵小小的乌云，这就是放射性现象的发现，它有力地 表明了原子不是构成物质的基本单元，原子也是可以分 割的。
斯特藩(J.Stefan,1835—1893)建立了黑体面辐射强 度与绝对温度之间关系的经验公式，制成辐射高温 计，测得太阳表面温度约为6000℃； 1884年玻尔兹曼同时也从热力学理论上证明了此公 式成立，故此定律称为斯特藩-玻尔兹曼定律。
作用；在已知物体表面温度时，我们可以求出物 体因辐射损失的能量。
维恩位移定律的作用：
一、量子力学的产生
二、量子力学的发展过程
黑体辐射实验—1900年普朗克提出电磁辐射的能量交换 只能是量子化的。 光电效应实验－1905年爱因斯坦提出光子假设 1911年卢瑟福α粒子轰击原子核散射试验，提出了原子 的核式模型
1913年波耳理论解释了氢光谱证实原子中量子态的存在
1923年德布罗意提出所有的物质粒子都具有波粒二向性 假设，1925电子在晶体中的衍射证明了该结论的正确性
颜料
红 混合
橙紫
黑
黄 绿蓝
第一节 黑体辐射
1、热辐射(Thermal radiation) ：
一切物体或固体,在任何温度下都向空间发射各种波 长的电磁波 由原子分子热运动引起的辐射现象称为热辐射。 低温物体的辐射远红外线，不易觉察； 高温物体的辐射可见光、紫外线，易被感知、感觉， 如太阳发光、火炉发热等。 所辐射电磁波的特征仅与温度有关。
量子革命的导火线
辐射问题 热的物体发光，越热发出的光越明亮。
光谱的范围很广，当温度升高时，物体呈 现出的颜色向短波方向移动，人们试图结 合热力学和电磁学作出解释，不过所有的 尝试均以失败告终。
就连当时赫赫有名对物理学各方面都做出过重要贡献 的权威人物开耳文勋爵在一篇于1900年发表的瞻望二 十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经基本建成的 科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补 工作就行了”，不过他还不愧为一名确有远见卓识的物 理学家，因为他接着又指出：“但是在物理晴朗天空的 远处，还有两朵小小令人不安的乌云”，即运用当时的 物理学理论所无法正确解释的两个实验现象。
海森堡的矩阵力学，薛定鄂的波动力学建立起了量子力 学的理论基础
物体为什么有颜色？
1.物体自身发光 2.对色光的反射、吸收和透射不同，产生了物体的颜色
红黄蓝三种基本颜料（也称三原色）可以调配出各种色 彩的颜料，颜料的颜色是反射光的颜色。 三原色光（红绿蓝）可以组合出各种色彩；
色光 红
混合
黄 品红
白பைடு நூலகம்
绿 青蓝
Mλ (T)
加，实验确定：黑体
总辐射能量
1700K 1500K 1300K 1100K
M(T)=∫Mλ(T)dλ 与绝对温度T的四次方
成正比，即
1 2 3 4 λ(μm)
斯特藩—玻尔兹曼定律
实验证明：总辐射能量M（T）=∫Mλ(T)dλ与 绝对温度T的四次方成正比，即
M (T)=σT 4
σ= 5.67×10-8 w/m2k4 ，称为斯特藩常数。
对于不透明的物体，单色吸收比和单色反射比的总和等于1 黑体的单色吸收比等于1
实验发现：孤立系统中几个物体,在同样的温度下，各种不同物体 对相同波长的单色辐出度与单色吸收比之比值都相等，并且都等于 黑体对同一波长的单色辐出度。－基尔霍夫辐射定律
M 1(T ) a（1 T )
M 2 (T ) a（2 T )
固体在温度升高时颜色的变化
800K
1000K
1200K
1400K
2、热平衡辐射
一个物体若辐射电磁波的能量（称为辐射能）等于 它在相同时间内吸收的辐射能时，物体的温度保持 不变，此即热平衡辐射。
一个物体辐射能小于它同时间内吸收的辐射能，物 体的温度将升高；否则，温度降低。
3、辐出度
物体单位时间在单位表面积上辐射的能量称为辐出 度，用M (T)表示；（T 表示辐出度与温度有关） 物体对某一单色光的辐出度称为单色辐出度， 单色辐出度用M λ(T)表示，单位为：W·m -2 某一温度下物体对所有波长的总辐出度为：
第十五章 量子力学基础
概述： 量子力学是描述微观世界结构、运动与变
化规律的物理科学。它是20世纪人类文明发展 的一个重大飞跃，量子力学的发现引发了一系 列划时代的科学发现与技术发明，对人类社会 的进步做出重要贡献。量子力学和相对论是近 代物理的两大支柱。
对于许多人来说，也许量子力学比相对论更为 有用。后者一般用于研究基本粒子的产生和相互转 化以及大尺度的时空结构，但对于20世纪人类的生 产生活，原子层次的世界显得更为重要。在量子力 学基础上，材料科学、激光技术、超导物理等学科 蓬勃发展，为深刻影响20世纪人们生活方式的计算 机技术、信息技术、能源技术的发展打下了基础。
.......
M 0 (T )
M（0 T）表示黑体的单色辐出度。
5、黑体辐射能谱曲线
给黑体模型加热，由小孔处发出的辐射就是黑体 辐射。
用分光技术把从空腔发出的辐射拍摄成光谱，再 测量各种波长的功率，可得出黑体辐射的能量分 布曲线，如图。
此曲线给出两个重要的定律：
由左图可看出温度T升 高，各波长的能量增