量子物理基础PPT课件
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48、量子物理基础-180页 PPT PDF版
增大
最大初动能与截止电压的关系
1 2
mvm2
eU a
(3) 只有当入射光频率大于一定的红限频率0时，
才会产生光电效应。
1 2
mvm2
eUa
ek
eU0
（4）光电效应是瞬时发生的
23 23
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二、经典物理学所遇到的困难
1、逸出功，初动能与光强，频率的关系
按照经典的物理理论，金属中的自由电子是处在晶格上正电 荷所产生的“势阱”之中。这就好象在井底中的动物，如果没 有足够的能量是跳不上去的。
但实验表明，光电子的初动能与光强无关，而只与入射光的 频率呈线性增加，且存在光电效应的频率红限。。
当光电流达到饱和时，阴极K上逸 出的光电子全部飞到了阳极A上。
单位时间内从金属表面逸出的光电
子数和光强成正比。
ne I
即Im＝neeu
GD
光
K
A
G V
19 19
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（2） 光电子的最大初动能随入射光的频率的增大而增大
截止电压(遏止电势差）
当电压 U =0 时，光电流并不为零； 只有当两极间加了反向电压 U=－Ua <0 时，光电流才为零。此电压称为截止电 压(遏止电势差)。
即
M (T )
dM
d
• 单色辐射本领 M （T）是温度T和波长的函数。
• 单色辐本领反映了在不同温度下辐射能按波长分布的情况。
• 实验表明：不同的物体，不同的表面（如光滑程度）其单色发 射本领是大不相同的。
（例如：如果我们目的是散热，
则应：加大表面积， 使表面粗糙，使其颜色加深）
量子物理物理课件.ppt
思考:(1)观察‘光电效应’时能否见到康普顿效应？
1927年获诺贝尔奖
例：波长为 2.0A0 的X射线射到碳块上，由于康普顿 散射 ，频率改变 0.04％。求： (1)该光子的散射角 (2) 反冲电子的动能
解：（1）
解出
(2)
0.04%
第 25 章 玻尔的原子量子理论
§25—1 氢原子光谱的实验规律
2、频率跃迁假设：当原子能级 跃迁时，才发射（或吸收）光子,
3、量子化条件：稳态时电子角动量应等于 的整数倍。
)
1,2,
(n
2
L
h
=
p
=
=
h
n
n
L
h
E
E
k
n
-
=
n
其频率为
＋
－
E E3 E2 E1
1913发表‘论原子分子结构’
E1 , E2 , E3 …… En （定态）
2、量子理论的成功：
光子与束缚电子作弹性碰撞时，不改变能量，故 不变 ， 不变。
解释实验现象（ 有 、 ’, ’> ）
光子与自由电子作弹性碰撞时，要传 一 部分能量给 电子
n
=
=
l
c
cT
如何解释实验规律？
n
=
l
c
频率为 的 X射线，是 能量为 = h 的光子流
一、卢瑟福原子模型（原子的有核模型）
严重的问题：
原子的稳定性问题？
原子分立的线状光谱？
)
1
1
(
2
2
n
k
Rc
-
=
n
广义的巴尔末公式
2
2
n
1927年获诺贝尔奖
例：波长为 2.0A0 的X射线射到碳块上，由于康普顿 散射 ，频率改变 0.04％。求： (1)该光子的散射角 (2) 反冲电子的动能
解：（1）
解出
(2)
0.04%
第 25 章 玻尔的原子量子理论
§25—1 氢原子光谱的实验规律
2、频率跃迁假设：当原子能级 跃迁时，才发射（或吸收）光子,
3、量子化条件：稳态时电子角动量应等于 的整数倍。
)
1,2,
(n
2
L
h
=
p
=
=
h
n
n
L
h
E
E
k
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-
=
n
其频率为
＋
－
E E3 E2 E1
1913发表‘论原子分子结构’
E1 , E2 , E3 …… En （定态）
2、量子理论的成功：
光子与束缚电子作弹性碰撞时，不改变能量，故 不变 ， 不变。
解释实验现象（ 有 、 ’, ’> ）
光子与自由电子作弹性碰撞时，要传 一 部分能量给 电子
n
=
=
l
c
cT
如何解释实验规律？
n
=
l
c
频率为 的 X射线，是 能量为 = h 的光子流
一、卢瑟福原子模型（原子的有核模型）
严重的问题：
原子的稳定性问题？
原子分立的线状光谱？
)
1
1
(
2
2
n
k
Rc
-
=
n
广义的巴尔末公式
2
2
n
chaII量子物理实验基础PPT课件
劳厄斑(点)
X射线的衍射
布喇格(Bragg)公式
2d sin n
n 1,2,
• 测量X射线的波长l，或晶 体的晶格常数d，或NA 。
X射线谱
X射线的发射谱
光谱仪包括三部分： 射线产生器 ( X射线 管，相当于光源 )； 分光计 ( 晶体，相 当于光栅) ； 记录 仪。
X射线谱由两部分构成，一是波长连续变化的连续谱( 相应的辐射为 轫致辐射) ，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分是具有分 立波长的线状谱，波长取决于靶材料，称为标识谱（又称特征谱）。
• 精密测量min 和 V，就可准确地推算出 h。
1915年杜安和亨特首次用该方法测得的 h 值与光电效应得 到的 h 值完全一致。说明了h 的普适性。
1920年叶企孙也进行了这一工作。
二. X射线的测量
每个圆环对于一个晶面，测出 圆环对应的角度，可求出晶面 距离d
1916年, 德拜和谢勒(氧化锆)
§2.4 光电效应
(实验装置)
i
饱和电流 iS ∝ I
K
iS :单位时间 阴极产生的光电子数…
遏止电压 Ua
1 2
m
v
2 m
eU a
（I, v)
A
A
U
光电子最大初动能eUa
和 成线性关系 U a K ( o )
截止频率 0
( o )
即时发射:
-Ua
迟滞时间不超过 10-9 秒
X射线的波特性
内部真空10-6到10-8mmHg,1mmHg =133Pa，靶可用钨钼铂铬铁铜， 高压一般是几万伏到十几万伏
• 1906年巴克拉(C.G. Barkla)显示了
量子物理的基本概念.ppt
(r ,t) 是空间和时间的复函数
量子物理的基本概念
玻恩假设 物质波不代表实在物理量的波动，而是刻画粒子在空间概率分 布的概率波。
r,t 2 r ,t r ,t 概率密度
物理涵义: 代表 t 时刻 在 r 端点处单位体积中发现一个粒
子的概率
波函数 称为概率幅
一 经典理论的困难 按经典电磁理论，带电粒子受到入射电磁波的作用而发生受
迫振动，从而向各个方向辐射电磁波，散射束的频率应与入射束 频率相同，带电粒子仅起能量传递的作用.
可见，经典理论无法解释波长变长的散射线.
量子物理的基本概念
二 量子解释 1 物理模型
光子 0
y
电子
v0 0
x
y
光子
x
电子
一部分能量传给电子，散射光子能量减少，频率下降、波长
变大. (2)光子与原子中束缚很紧的电子发生碰撞，近似与整个
原子发生弹性碰撞时，能量不会显著减小，所以散射束中出现
与入射光波长相同的射线.
3 定量计算
y h e
能量守恒
hv0 m0c2 h mc 2
h
c
0
e0
c e
x
动量守恒
由 0 ccos第二项数量级约00243A，只有0也很 小时，才有明显的
3. 为什么还有 0的散射光存在? 光子与束缚较紧的电子的碰撞，应看作是和整个原子相碰。因
原子质量 >> 光子质量，在弹性碰撞中散射光子的能量(波长)
几乎不变。
量子物理的基本概念
4. 光具有波粒二象性 一般而言，光在传递过程中，波动性较为显著；光与
截止频率与材料有关与光强无关.
量子物理的基本概念
玻恩假设 物质波不代表实在物理量的波动，而是刻画粒子在空间概率分 布的概率波。
r,t 2 r ,t r ,t 概率密度
物理涵义: 代表 t 时刻 在 r 端点处单位体积中发现一个粒
子的概率
波函数 称为概率幅
一 经典理论的困难 按经典电磁理论，带电粒子受到入射电磁波的作用而发生受
迫振动，从而向各个方向辐射电磁波，散射束的频率应与入射束 频率相同，带电粒子仅起能量传递的作用.
可见，经典理论无法解释波长变长的散射线.
量子物理的基本概念
二 量子解释 1 物理模型
光子 0
y
电子
v0 0
x
y
光子
x
电子
一部分能量传给电子，散射光子能量减少，频率下降、波长
变大. (2)光子与原子中束缚很紧的电子发生碰撞，近似与整个
原子发生弹性碰撞时，能量不会显著减小，所以散射束中出现
与入射光波长相同的射线.
3 定量计算
y h e
能量守恒
hv0 m0c2 h mc 2
h
c
0
e0
c e
x
动量守恒
由 0 ccos第二项数量级约00243A，只有0也很 小时，才有明显的
3. 为什么还有 0的散射光存在? 光子与束缚较紧的电子的碰撞，应看作是和整个原子相碰。因
原子质量 >> 光子质量，在弹性碰撞中散射光子的能量(波长)
几乎不变。
量子物理的基本概念
4. 光具有波粒二象性 一般而言，光在传递过程中，波动性较为显著；光与
截止频率与材料有关与光强无关.
大学物理_量子物理基础_课件
单色吸收比 α(λ,T ) :物体 2.辐出度和吸收比 2.辐出度和吸收比 在温度T 对于波长在 波长在λ 在温度T时,对于波长在λ附 近单位波长间隔内吸收的能 近单位波长间隔内吸收的能 单色辐出度: 单色辐出度: 量与辐射的能量的比值 比值. 量与辐射的能量的比值. Mλ (T) = dMλ dλ 若用 ρ(λ,T ) 表示对应的 单色反射比, 单色反射比,对于不透明 单位时间内从物体单位表面 的物体有 发出的波长在 波长在λ 发出的波长在λ附近单位波 α(λ,T ) + ρ(λ,T ) =1 长间隔内的电磁波的能量 长间隔内的电磁波的能量 的电磁波的能量. ∞ 3.基尔霍夫定律 基尔霍夫定律(1859) 3.基尔霍夫定律(1859) 辐出度 : M(T) = ∫ Mλ (T)dλ Mλ (T) 0 = f (λ,T) 单位:W·m－2 单位 α(λ,T) 单位时间从物体表面单位 推论I:在热平衡态下, I:在热平衡态下 推论I:在热平衡态下,凡强 面积辐射的总能量. 面积辐射的总能量 吸收体必然是强辐射体. 吸收体必然是强辐射体.
理论物理学家寻找 MBλ (T ) 3. 斯特藩 玻耳兹曼定律 斯特藩-玻耳兹曼定律 黑体的辐出度与黑体 的温度的四次方成正 由热力学得出) 比.(由热力学得出 由热力学得出
MBλ (T) = αλ e
−5 −β λT
公式只在短波(高频) 公式只在短波(高频) 0 低温时才和实验相符, 区,低温时才和实验相符, σ = 5.67×10-8 W/m2K4 × 在长波范围内与实验不符. 在长波范围内与实验不符. 显然, ——斯特藩-玻耳兹曼常数 显然,维恩未找出 f (λ,T) 斯特藩斯特藩 dMBλ (T) 但令 定律只适用于黑体 黑体. =0 定律只适用于黑体 dλ 显然,斯特藩 斯特藩显然 斯特藩-玻耳兹 可得 维恩位移定律 曼未找出 f (λ,T ) λm T = b 4．维恩定律 b = 2.897756×10-3 m·K × 假设腔内谐振子的能量 当黑体的温度升高时,与单 当黑体的温度升高时 与单 按玻耳兹曼分布,可得出: 按玻耳兹曼分布,可得出: 色辐出度Mλ的峰值对应的 色辐出度 −5 −β λT 波长λ 向短波方向移动. 波长λm向短波方向移动 MBλ (T) = e 这与实验一致. 这与实验一致
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高温超导 玻色凝聚
相干原子束
第十二章 量子物理基础
§12.1 黑体辐射 §12.2 光电效应 §12.3 康普顿效应 §12.4 波粒二象性 §12.5 不确定关系 §12.6 薛定谔方程 §12.7 薛定谔方程的应用 §12.8 氢原子中的电子 §12.9 电子自旋
§12-1 黑体辐射
研究热辐射的原因 冶金学：依据炉内热辐射的强度分布来判断炉
问题：如何制造一张木桌子？
Richard Feynman gave the classic talk on December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology (Caltech).
But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately---in the great future---we can arrange the atoms the way we want...
1990年,美国IBM公司阿尔马登研究中 心（Almaden Research Center）的科学 家使用STM（扫描隧道显微镜）把35个 氙原子移动到各自的位置,组成了 “IBM”三个字母,这三个字母加起来 不到3纳米长.
内的温度，以此来把握炼钢的时机。 天文学：依据辐射强度分布来判断星体表面的
温度。
不同温度的白炽灯灯丝及其辐射的能谱。左图灯丝温度较 低，辐射的能量集中在可见光谱的长波段，灯丝看起来是红色 的；右图灯丝温度较高，辐射的能量包括全部可见光谱，灯丝 发出“白炽”光。
黑体模型：在由不透明材料制
成的任意形状的封闭空腔的表面 上开一小孔.
1859年,基尔霍夫（G. R. Kirchhoff） 证明,黑体与热辐射达到平衡时,辐 射能量密度随频率变化曲线的形状 与位置只与黑体的绝对温度T 有关, 而与空腔的形状及组成的物质没有 关系.
研究的发展
1893年,维恩 (W.Wien) 发现黑体辐射的位移律. 在任何温度下，黑体辐出度的峰值波长与绝对 温度T成反比
实验先于理论：电子的发现
理论先于实验：π介子和中微子的发现
量子力学的发展和建立也有其理论和实验基 础的.
1895年，伦琴发现X射线。1896年，放射性现象。 1897年，电子的发现。 1893－1900年，黑体辐射。 1900.12.19，Planck提出了能量子假说，由此开创了 量子力学。 1905年，爱因斯坦提出了光量子假说，狭义相对论。 1908年，原子光谱的并合原理。
原子、分子
激光、光纤
量子力学
凝聚态
信
晶体管、集成电路
息 产
业
超导
光、电磁场
原子核、核子
量子场论
核能、放射性
能
相对论
源
规范场、标准模型
大
量子引力
超对称性、弦论
统 一
天体、宇宙起源
大 爆
炸
黑洞
量子力学
纳米技术 量子信息学
宏观量子态
MEMS 微电子机械系统 纳米材料
量子点, 量子线
量子密码
量子计ห้องสมุดไป่ตู้机
量子搬运
一些物理概念的扩展：粒子等
质子由 三个夸 克组成
经典现象和量子现象的不同
★ 微观粒子的波粒两相性
★ 打枪与电子衍射 ★ 能量 ★ 量子的隧道效应
E
U0
2
3 1
经典现象和量子现象的不同 ★ Schrödinger猫
经典现象和量子现象的不同
★ 量子纠缠
量子通讯
自旋是微观粒子的固有属性
物理学是以实验为基础的科学,物理学的发 展必须是两条腿走路,一个是实验,一个是理论.
第十二章 量子物理基础
§12.1 黑体辐射 §12.2 光电效应 §12.3 康普顿效应 §12.4 波粒二象性 §12.5 不确定关系 §12.6 薛定谔方程 §12.7 薛定谔方程的应用 §12.8 氢原子中的电子 §12.9 电子自旋
宇观：0.5光秒－150亿光年
宏 遥观：用遥感技术能测的范围 观 宏观：0.1mm－1000m
显微观：1μm－100μm :细胞 病毒，细菌，大分子等
介 观
1nm－100nm：1nm＝10－9 m
微观：1Å －10Å (Å= 10－10 m)
（小分子、原子）
微 费米观：1fm = 10－15 m
观
（原子核）
亚费米观： <10－16 m （夸克、电子层次）
Gravity Electromagnetic
量子力学的应用
量子力学、相对论和基因双螺旋结构是20世纪 最重要的三大科学发现。量子力学占有特殊的位 置。没有量子力学的指导，就不会认识化学键， 不会有高效的化学合成和化学工业，就不会认识 能带结构，不会发现半导体晶体管，集成电路和 激光，不会有今天的信息技术和工业，也不会形 成今天全球化的经济结构调整和信息革命。量子 力学使我们得以了解分子、原子、核子、夸克、 轻子的性质和各种物态的结构，是最有预见力和 精确的理论。他不仅是微观世界的理论，而且是 宏观相干量子态的理论。量子力学直到今天仍有 丰富的生命力。
量子矩阵力学 （1925）
不确定性关系 （1927）
波动力学，并 证明矩阵力学 和波动力学是
等价的。 （1926）
量子力学的 统计解释
电子的相对论方程
（1928）
支撑了整个世界的两个原理
布埃
喇伦
格费
斯
德
勒
拜
狄 薛康 拉 定普 克 谔顿
海 泡森 利堡
波 恩
波 尔
普 朗 克
居 里 夫 人
洛 仑 兹
爱郎 因之 斯万 坦
Strong
Weak
强相互作用：1 电磁相互作用：10-2 弱相互作用： 10-13 万有引力： 10-38
至大和至小理论结合的物理学大蟒
事实上,量子力学的规律不仅支配着微观 世界,也支配着宏观世界.在这种意义上,所 有物理学都是量子物理学,经典理论乃是它 的一种近似.
宏观量子效应：量子霍尔效应 玻色凝聚 宏观量子态等
1909年，大角度散射，散射试验。
1911年，原子的有核模型。 1913年，丹麦的玻尔原子理论。 1916年，广义相对论，密立根实验。
1924－1926－1928年
de Broglie Pauli Hesenberg Schrödinger Dirac Born
物质波假说 （1923）
Pauli不相容原理 （1924）
相干原子束
第十二章 量子物理基础
§12.1 黑体辐射 §12.2 光电效应 §12.3 康普顿效应 §12.4 波粒二象性 §12.5 不确定关系 §12.6 薛定谔方程 §12.7 薛定谔方程的应用 §12.8 氢原子中的电子 §12.9 电子自旋
§12-1 黑体辐射
研究热辐射的原因 冶金学：依据炉内热辐射的强度分布来判断炉
问题：如何制造一张木桌子？
Richard Feynman gave the classic talk on December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology (Caltech).
But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately---in the great future---we can arrange the atoms the way we want...
1990年,美国IBM公司阿尔马登研究中 心（Almaden Research Center）的科学 家使用STM（扫描隧道显微镜）把35个 氙原子移动到各自的位置,组成了 “IBM”三个字母,这三个字母加起来 不到3纳米长.
内的温度，以此来把握炼钢的时机。 天文学：依据辐射强度分布来判断星体表面的
温度。
不同温度的白炽灯灯丝及其辐射的能谱。左图灯丝温度较 低，辐射的能量集中在可见光谱的长波段，灯丝看起来是红色 的；右图灯丝温度较高，辐射的能量包括全部可见光谱，灯丝 发出“白炽”光。
黑体模型：在由不透明材料制
成的任意形状的封闭空腔的表面 上开一小孔.
1859年,基尔霍夫（G. R. Kirchhoff） 证明,黑体与热辐射达到平衡时,辐 射能量密度随频率变化曲线的形状 与位置只与黑体的绝对温度T 有关, 而与空腔的形状及组成的物质没有 关系.
研究的发展
1893年,维恩 (W.Wien) 发现黑体辐射的位移律. 在任何温度下，黑体辐出度的峰值波长与绝对 温度T成反比
实验先于理论：电子的发现
理论先于实验：π介子和中微子的发现
量子力学的发展和建立也有其理论和实验基 础的.
1895年，伦琴发现X射线。1896年，放射性现象。 1897年，电子的发现。 1893－1900年，黑体辐射。 1900.12.19，Planck提出了能量子假说，由此开创了 量子力学。 1905年，爱因斯坦提出了光量子假说，狭义相对论。 1908年，原子光谱的并合原理。
原子、分子
激光、光纤
量子力学
凝聚态
信
晶体管、集成电路
息 产
业
超导
光、电磁场
原子核、核子
量子场论
核能、放射性
能
相对论
源
规范场、标准模型
大
量子引力
超对称性、弦论
统 一
天体、宇宙起源
大 爆
炸
黑洞
量子力学
纳米技术 量子信息学
宏观量子态
MEMS 微电子机械系统 纳米材料
量子点, 量子线
量子密码
量子计ห้องสมุดไป่ตู้机
量子搬运
一些物理概念的扩展：粒子等
质子由 三个夸 克组成
经典现象和量子现象的不同
★ 微观粒子的波粒两相性
★ 打枪与电子衍射 ★ 能量 ★ 量子的隧道效应
E
U0
2
3 1
经典现象和量子现象的不同 ★ Schrödinger猫
经典现象和量子现象的不同
★ 量子纠缠
量子通讯
自旋是微观粒子的固有属性
物理学是以实验为基础的科学,物理学的发 展必须是两条腿走路,一个是实验,一个是理论.
第十二章 量子物理基础
§12.1 黑体辐射 §12.2 光电效应 §12.3 康普顿效应 §12.4 波粒二象性 §12.5 不确定关系 §12.6 薛定谔方程 §12.7 薛定谔方程的应用 §12.8 氢原子中的电子 §12.9 电子自旋
宇观：0.5光秒－150亿光年
宏 遥观：用遥感技术能测的范围 观 宏观：0.1mm－1000m
显微观：1μm－100μm :细胞 病毒，细菌，大分子等
介 观
1nm－100nm：1nm＝10－9 m
微观：1Å －10Å (Å= 10－10 m)
（小分子、原子）
微 费米观：1fm = 10－15 m
观
（原子核）
亚费米观： <10－16 m （夸克、电子层次）
Gravity Electromagnetic
量子力学的应用
量子力学、相对论和基因双螺旋结构是20世纪 最重要的三大科学发现。量子力学占有特殊的位 置。没有量子力学的指导，就不会认识化学键， 不会有高效的化学合成和化学工业，就不会认识 能带结构，不会发现半导体晶体管，集成电路和 激光，不会有今天的信息技术和工业，也不会形 成今天全球化的经济结构调整和信息革命。量子 力学使我们得以了解分子、原子、核子、夸克、 轻子的性质和各种物态的结构，是最有预见力和 精确的理论。他不仅是微观世界的理论，而且是 宏观相干量子态的理论。量子力学直到今天仍有 丰富的生命力。
量子矩阵力学 （1925）
不确定性关系 （1927）
波动力学，并 证明矩阵力学 和波动力学是
等价的。 （1926）
量子力学的 统计解释
电子的相对论方程
（1928）
支撑了整个世界的两个原理
布埃
喇伦
格费
斯
德
勒
拜
狄 薛康 拉 定普 克 谔顿
海 泡森 利堡
波 恩
波 尔
普 朗 克
居 里 夫 人
洛 仑 兹
爱郎 因之 斯万 坦
Strong
Weak
强相互作用：1 电磁相互作用：10-2 弱相互作用： 10-13 万有引力： 10-38
至大和至小理论结合的物理学大蟒
事实上,量子力学的规律不仅支配着微观 世界,也支配着宏观世界.在这种意义上,所 有物理学都是量子物理学,经典理论乃是它 的一种近似.
宏观量子效应：量子霍尔效应 玻色凝聚 宏观量子态等
1909年，大角度散射，散射试验。
1911年，原子的有核模型。 1913年，丹麦的玻尔原子理论。 1916年，广义相对论，密立根实验。
1924－1926－1928年
de Broglie Pauli Hesenberg Schrödinger Dirac Born
物质波假说 （1923）
Pauli不相容原理 （1924）