第十三章量子力学基础ppt上海中医药大学
量子力学基础知识PPT资料(正式版)
率0,金 属才能发射出光电子;
●增加照射光强度,不能增加光电子的动
能,只能使光电子的数目增加;
Ek
●光电子动能随照射光频率的增加而增加。
光
电子
金属
经典理论不能解释光电效应:
经典理论认为,光波的能量与其强度 成正比,而与频率无关;只要光强足够, 任何频率的光都应产生光电效应;光电子 的动能随光强增加而增加,与光的频率无 关。这些推论与实验事实正好相反。
de Broglie 波 与 光 波 不 同 :光 波 的 传 播 速度 和 光 子 的 运动 速 度 相 等 ; de Broglie波的传播速度(u)只有实物粒子运动速度的一半:v=2u。对于实物 微粒:u=,E=p2/(2m)=(1/2)mv2 ,对于光:c=,E=pc=mc2
微观粒子运动速度快,自身尺度小,其波性不能忽略;宏观粒子运动速度慢, 自 身 尺 度 大 , 其 波 性 可 以 忽 略 : 以 1.0106m/s 的 速 度 运 动 的 电 子 , 其 de Broglie波长为7.310-10m(),与分子大小相当;质量为1g的宏观粒子以 110-2m/s 的速度运动,de Broglie 波长为7 10-29m,与宏观粒子的大小 相比可忽略,观察不到波动效应。
h称为Planck常数,h=×10-34J•S
按Planck假定,算出的辐射能E与实验观测到的
黑体辐射能非常吻合:E
8h 3 c3
eh / kt 1 1
●能量量子化:黑体只能辐射频率为,数值
为h的整数倍的不连续的能量。
2. 光电效应与光的波粒二象性
光电效应:光照射在金属表面,使金属发射出电子的现象。
涉现象。即,光表现出波粒二象性。 对实物微粒粒性的理解也要区别于服从Newton力学的粒子,实物微粒的运动没有可预测的轨迹。
量子力学简介PPT课件
i Et
Ψ (x, y, z, t) (x, y, z)e
2023/12/30
对于等式右边: 1 ( 2 2 V ) E
2m
量子力学简介
说明
2 2 V E
2m
——定态薛定谔方程
(x,y,z)应为单值函数;
(1) 标准条件: |Ψ |2dxdydz 1 应为有限值;
(2) 求解
, , ,
量子力学简介
2. 一维粒子在外保守力场中运动时具有势能 V
粒子的总能量: E p2 V
2m
同理,有:
Ψ
2 2
i
V
t
2m x2
推广:粒子在三维空间中运动时:
引入拉普拉斯算符: 2
2
x 2
2 y 2
2 z 2
i Ψ 2 2 V ——薛定谔方程
t
2m
定义哈密顿算符:
Hˆ
2
2
V
(r )
应连续.
x y z
E (粒子能量)
(定态波函数)
(3) 势能函数V 不随时间变化.
以一维定态薛定谔方程(粒子在一维空间运动)为例讨论.
2023/12/30
17.4 一维定态问题
量子力学简介
17.4.1 一维无限深方势阱
1. 势能函数
0 V (x)
2. 定态薛定谔方程
0 xa x 0,x a
1.22
应用举例
电子显微镜分辨率 远大于
光学显微镜分辨率
20世纪30年代, 电子显微镜诞生了.电子显微镜是利用高 速运动的电子束代替光线来观察物体的细微结构的, 放大倍 数比光学显微镜高许多, 可以达到几十万倍.电子显微镜大大 开阔了人们的视野, 使人们看到了细胞更细微的结构.
《量子力学》课件
贝尔不等式实验
总结词
验证量子纠缠的非局域性
详细描述
贝尔不等式实验是用来验证量子纠缠特性的重要实验。通过测量纠缠光子的偏 振状态,实验结果违背了贝尔不等式,证明了量子纠缠的非局域性,即两个纠 缠的粒子之间存在着超光速的相互作用。
原子干涉仪实验
总结词
验证原子波函数的存在
详细描述
原子干涉仪实验通过让原子通过双缝,观察到干涉现象,证明了原子的波函数存在。这个实验进一步 证实了量子力学的预言,也加深了我们对微观世界的理解。
量子力学的意义与价值
推动物理学的发展
量子力学是现代物理学的基础之一,对物理学的发展产生了深远 的影响。
促进科技的创新
量子力学的发展催生了一系列高科技产品,如电子显微镜、晶体 管、激光器等。
拓展人类的认知边界
量子力学揭示了微观世界的奥秘,拓展了人类的认知边界。
量子力学对人类世界观的影响
01 颠覆了经典物理学的观念
量子力学在固体物理中的应用
量子力学解释了固体材料的电子 结构和热学性质,为半导体技术 和超导理论的发现和应用提供了
基础。
量子力学揭示了固体材料的磁性 和光学性质,为磁存储器和光电 子器件的发展提供了理论支持。
量子力学还解释了固体材料的相 变和晶体结构,为材料科学和晶
体学的发展提供了理论基础。
量子力学在光学中的应用
复数与复变函数基础
01
复数
复数是实数的扩展,包含实部和虚部,是量子力 学中描述波函数的必备工具。
02
复变函数
复变函数是定义在复数域上的函数,其性质与实 数域上的函数类似,但更为丰富。
泛函分析基础
函数空间
泛函分析是研究函数空间的数学分支,函数空间中的元素称为函数或算子。
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。
量子力学ppt
量子计算和量子通信是量子力学的重要应用之一,具有比传统计算机和通信更高的效率和安全性。
量子计算是一种基于量子力学原理的计算方式,具有比传统计算机更快的计算速度和更高的安全性。量子通信是一种基于量子力学原理的通信方式,可以保证通信过程中的安全性和机密性。这两个应用具有广泛的应用前景,包括密码学、金融、人工智能等领域。
薛定谔方程
广泛应用于原子、分子和凝聚态物理等领域,可以用于描述物质的量子性质和现象。
薛定谔方程的应用
哈密顿算符与薛定谔方程
03
量子力学中的重要概念
是量子力学中的一种重要运算符号,用于描述量子态之间的线性关系,可以理解为量子态之间的“距离”。
狄拉克括号
是一种量子化方法,通过引入正则变量和其对应的算符,将经典物理中的力学量转化为量子算符,从而建立量子力学中的基本关系。
描述量子系统的状态,可以通过波函数来描述。
量子态与波函数
量子态
一种特殊的函数,可以表示量子系统的状态,并描述量子粒子在空间中的概率分布。
波函数
波函数具有正交性、归一性和相干性等性质,可以用于计算量子系统的性质和演化。
波函数的性质
一种操作符,可以用于描述物理系统的能量和动量等性质。
哈密顿算符
描述量子系统演化的偏微分方程,可以通过求解该方程得到波函数和量子系统的性质。
量子优化
量子优化是一种使用量子计算机解决优化问题的技术。最著名的量子优化算法是量子退火和量子近似优化算法。这些算法可以解决一些经典优化难以解决的问题,如旅行商问题、背包问题和图着色问题等。然而,实现高效的量子优化算法仍面临许多挑战,如找到合适的启发式方法、处理噪声和误差等。
量子信息中的量子算法与量子优化
解释和预测新材料的物理性质,如超导性和半导体性质等。
材料物理基础量子力学基础PPT课件
量子力学是反映微观粒子(分子、原子、原子核、 基本粒子等)运动规律的理论,它是20世纪20年 代在总结大量实验事实和旧量子论的基础上建 立起来的。量子力学的出现,人类对于物质微 观结构的认识日益深入,从而能较深刻地掌握 物质的物理和化学的性能及其变化的规律,为 利用这些规律开辟了广阔的途径。固体材料的 许多性质都能从以量子力学为基础的现代理论 中得到阐明,本课程仅介绍量子力学的部分基 础内容。
实验,理论公式预言散射角为90度时
c
h mc
2.426 102
0
A
实验测得:
2.43102
0
A
波长最大改变量:
max
2 2.426102
0
A
0.004852
nm
对于x-ray: 0.004852 (明4.显85%可见的变化) 0.1
对于可见光: 0.004852(观察10不5到Compton效应) 380
得: mc2 h(0 ) m0c2 ( 1 )
由动量守恒:
h 0
c
n0
h
c
n mv
得:
mvc h0n0 h n
( 2 )
第32页/共163页
(1)式平方:
m2c4
h2
2 0
2h20
h2
2
2hm0c 2 ( 0
)
m02c4
( 3 )
(2)式平方:
m2v2c2
h2
2 0
2h2 0
cos
由于电子在原子核外作加速运动,按照经典电动 力学,加速运动的带电粒子将不断辐射能量。因此, 围绕原子核运动的电子,终究会大量丧失能量而“掉 到”原子核中去。这样,原子也就“崩溃”了。但现 实世界表明,原子是稳定的存 在着。
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
量子力学教程课件
量子力学教程课件1. 简介量子力学是一门研究微观粒子行为的物理学分支,描述了微观世界的基本原理和规律。
本教程课件旨在介绍量子力学的基本概念、数学描述和常见应用,帮助学生深入理解和应用量子力学知识。
2. 量子力学基础2.1 波粒二象性介绍波粒二象性的基本概念,包括波动性和粒子性的相互转化,以及双缝实验等经典实例。
2.2 不确定性原理解释不确定性原理的概念和意义,说明无法同时准确确定粒子的位置和动量的原理。
2.3 波函数和 Schrödinger 方程介绍波函数的概念,以及薛定谔方程的基本形式和求解方法,引导学生理解波函数描述微观粒子的性质和行为。
3. 定态量子力学3.1 定态和定态方程介绍定态的概念,以及定态方程的推导和求解方法,帮助学生理解波函数与能量之间的关系。
3.2 算符和本征值问题解释算符和本征值问题的基本概念,包括算符的作用和本征函数的定义,引导学生掌握本征值问题的求解方法。
3.3 动量和位置算符介绍动量和位置算符的定义和性质,解释它们对应的本征函数和本征值,讨论动量-位置不确定性关系。
4. 哈密顿力学和波函数演化4.1 哈密顿量和状态演化解释哈密顿量的概念和物理意义,讨论波函数演化的基本原理,引导学生理解时间演化和态矢量的变化关系。
4.2 边界条件和量子力学稳定态探讨边界条件对量子力学系统稳定态的影响,以及波函数在无穷深势阱等特定势场中的求解。
4.3 时间演化和量子力学测量介绍时间演化算符的定义和性质,讨论量子力学测量的基本原理和微扰态的提取方法。
5. 特殊系统和量子力学应用5.1 含时量子力学引入含时量子力学的概念,解释含时薛定谔方程的物理意义,介绍准确求解和近似求解的方法。
5.2 简谐振子讨论简谐振子的基本性质和量子化过程,引导学生理解能级和激发态的概念。
5.3 氢原子和多电子系统介绍氢原子的量子力学描述和能级结构,讨论多电子系统的波函数形式和近似求解方法。
5.4 量子力学与量子信息探索量子力学与量子信息科学的联系,简要介绍量子计算、量子通信和量子加密等前沿应用。
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第一节 黑体辐射 普朗克量子假设
(3)辐射出射度
钨丝和太阳的单色辐出度曲线
(辐出度)
太阳 M (T )(108 W/m3 )
单位时间,单位 面积上所辐射出的各
钨丝 M (T )(109 W/m3 )
太阳 12 (5800K)
种频率(或各种波长) 10 的电磁波的能量总和. 8
可见 光区
6 钨丝
M (T )
0 M (T )d
4
(5800K)
2
/1014 Hz
0 2 4 6 8 10 12
第一节 黑体辐射 普朗克量子假设 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)
第一节 黑体辐射 普朗克量子假设
i 电流饱和值 m
im I(光强)
0
im2 i im1
o 遏止电压 U 0 与光强无关 U0
I2 I1
I2 I1
U
第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论 (3)经典理论遇到的困难 红限问题 按经典理论,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 .与实 验结果不符. 瞬时性问题 按经典理论,电子逸出金属所需的能量,需要有 一定的时间来积累,一直积累到足以使电子逸出金属 表面为止.与实验结果不符 .
量子概念是 1900 年普朗克首先提出的,距今已 有一百多年的历史.其间,经过爱因斯坦、玻尔、德 布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理 大师的创新努力,到 20 世纪 30 年代,就建立了一 套完整的量子力学理论.
量子力学
微观世界的理论
起源于对波粒二相性的认识
宏观领域 量子力学
经典力学
量子力学 相对论
3
*
*
2 1
*
*T
*
2000k*
实验值
*
*
***
01
23
/1014 Hz
第一节 黑体辐射 普朗克量子假设
例3 设有一音叉尖端的质量为0.050kg ,将其
频率调到 480Hz,振幅 A 1.0mm . 求
(1)尖端振动的量子数;
(2)当量子数由 n 增加到 n 1时,振幅的变
化是多少?
例2 太阳的单色辐出度的峰值波长 m 483nm,
试由此估算太阳表面的温度.
解 由维恩位移定律Tbm2.897 103 483 10 9
K
6000K
对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这 种方法进行推测。
除辐射测温外,黑体辐射的规律在现代科学
技术和日常生活中有着广泛的应用,比如红外线遥 感、红外线追踪。
A V
几种纯 金属 铯 钠 锌 铱 铂
金属的截 截止频率
止频率
0 /1014 Hz 4.545 5.50 8.065 11.53 19.29
第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论
遏止电压 U0 eU0 Ek max
遏止电势差与入射光频率 具有线性关系.
U0 Cs K Cu
瞬时性
当光照射到金属表面上时, 几乎立即就有光电子逸出
第一节 黑体辐射 普朗克量子假设
三 普朗克的量子假设
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的吸收或发射能量,
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
电谐振子吸收或发射能量应为
4h
nh (n 1,2,3, )
3h 2h
普朗克常量
1h
h 6.631034 J s
普朗克黑体辐射公式 M (T )d
2π h c2
3d
eh / kT 1
第一节 黑体辐射 普朗克量子假设
M (T )(109 W/(m2 Hz))
瑞利 - 金斯公式
6
5
* *普朗克公式的理论曲线
**
4
*
解 (1)由维恩位移定律
m
b T
2.897 103 293
m
9890nm
(2)取 m 650nm
T'
b
m
2.897 103 6.5 107
K
4.46 103 K
(3)由斯特藩—玻尔兹曼定律
M (T ' ) M (T ) (T ' T )4 5.37 104
第一节 黑体辐射 普朗克量子假设
解(1)E 1 m 2 A2 1 m(2π )2 A2 0.227J
2
2
E nh
n E 7.131029
h
基元能量 h 3.18 1031 J
第一节 黑体辐射 普朗克量子假设
(2)
E nh
A2 E nh
2π 2 m 2 2π 2 m
2AdA h dn
2π 2 m
A n A n2
可见光区
M (T ) /(1014 W m3 )
1.0
0.5
6000K
3000K / nm
0
1000 2000
m
第一节 黑体辐射 普朗克量子假设
例1 (1)温度为室温 (20C)的黑体,其单色辐
出度的峰值所对应的波长是多少?(2)若使一黑体 单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内, 其温度应为多少?(3)以上两辐出度之比为多少?
教学基本要求 一 了解热辐射的有关概念和黑体辐射的有关定律。
二 理解普朗克的量子假设,理解爱因斯坦的光量子 理论及其对光电效应的解释。
三 掌握德布罗意假说的内容和意义。
四 了解海森伯不确定关系的意义。
五 了解波函数的概念及其统计解释 , 了解薛定谔方 程极其重要性。
第一节 黑体辐射 普朗克量子假设
测量黑体辐射出射度实验装置
s小孔 L1
T
空腔
平行光管 棱镜
L2 会聚透镜
c
热电偶
第一节 黑体辐射 普朗克量子假设
二 黑体辐射定律 (1)斯忒藩—玻尔兹曼定律
M (T )
0
M
(T
)d
T
4
斯忒藩—玻尔兹曼常量
5.67 108 W m2 K4
(2)维恩位移定律
mT b
峰值波长
常量 b 2.897 103 m K
n 1
A 7.011034 m
在宏观范围内,能量量子化的效应是极不明显的, 即宏观物体的能量完全可视作是连续的.
第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论
一 光电效应的实验规律
(1)实验装置
光照射至金属表面, 电子从金 属表面逸出, 称其为光电子.
(2)实验规律
截止频率(红限) 0 截止频仅率当与材料有0关才与发光生强光无电关效应.,
现代物理的理论基础
第一节 黑体辐射 普朗克量子假设
一 热辐射
(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 单位时间内从物体单位表
面积发出的波长在 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