早期量子论和量子力学基础
量子力学的基本原理
1.简介量子力学的历史和发展量子力学是现代物理学的重要分支，它描述了微观世界中粒子的行为和相互作用。
以下是量子力学历史和发展的简介：•早期量子理论的兴起：在20世纪初，科学家们通过研究辐射现象和黑体辐射问题，开始怀疑经典物理学的适用性。
麦克斯∙普朗克的量子假设和爱因斯坦的光电效应理论为量子理论的发展奠定了基础。
•波粒二象性的提出：在这个阶段，德国物理学家路易斯∙德布罗意提出了物质粒子（如电子）也具有波动性的假设，即波粒二象性。
这一假设通过实验证明，如电子衍射实验，为量子力学奠定了基础。
•薛定谔方程的建立：奥地利物理学家埃尔温∙薛定谔于1926年提出了著名的薛定谔方程，用于描述微观粒子的运动和行为。
这个方程成功地解释了氢原子的能级和谱线，奠定了量子力学的数学基础。
•不确定性原理的发现：德国物理学家瓦尔特∙海森堡于1927年提出了著名的不确定性原理，指出在测量过程中，无法同时准确确定粒子的位置和动量。
这一原理挑战了经典物理学的确定性观念，成为量子力学的核心概念之一。
•量子力学的完备性和广泛应用：随着时间的推移，量子力学逐渐发展成为一个完善的理论体系，并在许多领域得到广泛应用。
它解释了原子和分子的结构、核物理现象、固体物理、粒子物理学等多个领域的现象，并为现代科技的发展提供了基础。
量子力学的历史和发展是科学进步的重要里程碑，对我们理解微观世界的行为和深入探索宇宙的奥秘具有重要意义。
2.波粒二象性和不确定性原理的解释在量子力学中，波粒二象性和不确定性原理是两个核心概念，对我们理解微观世界的行为提出了挑战，下面是它们的解释：•波粒二象性：根据波粒二象性的理论，微观粒子（如电子、光子等）既可以表现出粒子的特性，也可以表现出波的特性。
这意味着微观粒子既可以像粒子一样具有局部位置和动量，也可以像波一样展现出干涉和衍射的现象。
这种波粒二象性的解释可以通过德布罗意的波动假设来理解。
根据德布罗意的假设，微观粒子具有与其动量相对应的波长，这与光波的性质相似。
(完整版)南华物理练习第13章答案
第十三章 早期量子论和量子力学基础练 习 一一. 选择题1. 内壁为黑色的空腔开一小孔，这小孔可视为绝对黑体，是因为它（ B ） (A) 吸收了辐射在它上面的全部可见光； (B) 吸收了辐射在它上面的全部能量； (C) 不辐射能量； (D) 只吸收不辐射能量。
2. 一绝对黑体在温度T 1 = 1450K 时，辐射峰值所对应的波长为λ1，当温度降为725K 时，辐射峰值所对应的波长为λ2，则λ1/λ2为（ D ） (A)2； (B) 2/1； (C) 2 ； (D) 1/2 。
3. 一般认为光子有以下性质（ A ）(1) 不论在真空中或介质中的光速都是c ；(2) 它的静止质量为零；(3) 它的动量为h ν/c 2； (4) 它的动能就是它的总能量；(5) 它有动量和能量，但没有质量。
以上结论正确的是 （ A ）(A) （2）（4）； (B) （3）（4）（5）； (C) （2）（4）（5）； (D) （1）（2）（3）。
4. 已知某单色光照射到一金属表面产生了光电效应，若此金属的逸出电势是U 0（使电子从金属逸出需做功eU 0），则此单色光的波长λ必须满足：（A ） (A) 0hc eU λ≤； (B) 0hc eU λ≥； (C) 0eU hc λ≤； (D) 0eU hcλ≥。
二. 填空题1. 用辐射高温计测得炉壁小孔的辐射出射度为22.8W/cm 2，则炉内的温度为 1.416×103K 。
2. 设太阳表面的温度为5800K ，直径为13.9×108m ，如果认为太阳的辐射是常数，表面积保持不变，则太阳在一年内辐射的能量为 1.228×1034 J ，太阳在一年内由于辐射而损失的质量为1.3647×1017 kg 。
3. 汞的红限频率为1.09×1015Hz ，现用λ=2000Å的单色光照射，汞放出光电子的最大初速度0v =57.7310 m/s ⨯ ，截止电压U a = 1.7V 。
第十三章早期量子论和量子力学基础2
鲁斯卡：电子物理领域的基础研究工作，设计出世界 上第一台电子显微镜，1986年诺贝尔物理学奖。
三、微观粒子的波粒二象性
少女？ 老妇？
两种图象不会 同时出现在你 的视觉中。
例2 试估算热中子的得布罗意波长 (中子的质量 mn=1.67×10-27㎏)。 解：热中子是指在室温下(T=300K)与周围处于热
(2)弱电子束入射 电子几乎是一个一个地通过双缝，衍射图样不是电子相互作用
的结果。
底片上出现一个一个的点子显示出电子具有粒子性。开始时 底片上的点子无规分布，随着电子增多，逐渐形成衍射图样，衍 射图样来源于“一个电子”具有的波动性。
一个电子重复许多次相同实验表现出的统计结果。
(3)概率波的干涉结果。
实物粒子的能量 E 和动量 p 与它相应的波动频率 和波长λ
的关系与光子一样
E mc2
p mv
h
h
这种和实物粒子相联系的波通常称为德布罗意波, 或叫物质波。
具有静止质量m0的实物粒子以速度v 运动，则和该粒子相联系 的平面单色波的波长为：
h h h
p mv m0v
1
v2 c2
德布罗意公式
例3 氢原子中的电子的轨道运动速度为106m/s，求电 子速度的不确定度。
—— 玻尔轨道角动量量子化条件
二、德布罗意波的实验验证
1 、戴维孙—革末的电子衍射实验
德布罗意波是1924年提出的，1927年 便得到了验证。戴维孙—革末看到电子 的德布罗意波波长与 X 射线的波长相近， 因此想到可用与 X 射线衍射相同的方法 验证。
I 2d sin k
U
电流出现了周期性变化
➢ 实验结果的解释
按德布罗意假设，电子加速后的波长满足
量子力学三大理论基础
量子力学三大理论基础量子力学是描述微观世界中粒子运动规律的理论体系，其发展史可追溯到20世纪初。
在量子力学的研究中，有三大理论基础是至关重要的，它们分别是波粒二象性、不确定性原理和量子叠加原理。
波粒二象性波粒二象性是最早提出的量子力学的基础概念，指的是微观粒子既具有粒子的特征，如位置和能量，又具有波动的特征，如干涉和衍射。
这个概念首次被德国物理学家德布罗意提出，他认为粒子也像波一样存在一种波动。
之后的实验证实了电子、中子等粒子都具有波动性质，确立了波粒二象性的观念。
波粒二象性的概念不仅揭示了微观世界的新规律，也为量子力学的发展提供了坚实的基础。
通过波粒二象性，我们可以更好地理解微观世界中粒子的行为，例如解释干涉实验结果和电子双缝干涉现象等。
不确定性原理不确定性原理是由著名的物理学家海森堡提出的，其核心思想是在同一时刻无法确定一个粒子的位置和动量。
简单来说，当我们对一个粒子的位置进行测量时，其动量将变得不确定，反之亦然。
这个原理的提出打破了牛顿力学中确定性的观念，揭示了微观世界的一种新奇特性。
不确定性原理的发现对于我们理解和描述微观粒子的行为起到了至关重要的作用。
它不仅给出了一种全新的解释，也为量子力学的进一步发展奠定了基础。
量子叠加原理量子叠加原理是量子力学中的另一个重要基本原理，它表明一个量子系统可以处于多个态的叠加态。
换句话说，在某些情况下，一个粒子不仅可以处于A态或B态，还可以同时处于A态和B态的叠加态。
这种叠加态的出现在经典力学中是难以想象的，但在量子力学中却是一种普遍现象。
量子叠加原理为我们提供了一种全新的量子态描述方式，丰富了我们对于微观粒子行为的认识。
通过对叠加态的研究，科学家们不断深化对量子力学的理解，推动了量子技术和量子计算等领域的发展。
总结以上所述的波粒二象性、不确定性原理和量子叠加原理构成了量子力学的三大理论基础。
这三个基本概念为我们揭示了微观世界中粒子行为的规律，为科学家们探索更深奥的量子世界提供了宝贵的线索。
程守洙《普通物理学》(第6版)(下册)-第13章 早期量子论和量子力学基础-复习笔记【圣才出品】
第13章 早期量子论和量子力学基础13.1 复习笔记一、热辐射 普朗克的能量子假设1．热辐射现象任何固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射，物体向四周所发射的能量称为辐射能．2．基尔霍夫辐射定律（1）辐射相关的物理量单色辐出度M辐出度M （T ）单色吸收比和单色反射比（2）黑体黑体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1．（3）基尔霍夫提出的重要定律在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收比的比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐出度，即式中，表示黑体的单色辐出度，基尔霍夫定律表明，吸收能力强的物体辐射能力也较强．3．黑体辐射实验定律（1）斯特藩-玻尔兹曼定律：黑体的总辐出度随温度的升高而增大，且满足式中，为斯特藩常量，数值上等于．σ（2）维恩位移定律：黑体单色辐出度的峰值波长与温度成反比，即bT =m λ式中，b 是维恩常量，数值上等于．4．普朗克的能量子假设（1）普朗克能量子假设：辐射黑体分子、原子的振动可以看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能．但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不像经典物理所允许的具有任意值．相应的能量是某一最小能量的整数倍ε，其中n 为正整数，称为量子数．这个假设称为普朗克能量子假设．对于频率为v 的谐振子，最小能量为ε＝hv （h 为普朗克常量）（2）普朗克公式式中，c 是光速，k 是玻耳兹曼常量，h 是普朗克常量，h ＝6.6260693（11）×10－34 J·s.二、光电效应 爱因斯坦的光子理论1．光电效应的实验规律（1）实验原理图13-1-1 光电效应实验图如图13-1-1所示，K 为光阴极，A 为阳极，在光照射下阴极可能释放电子，称为光电子．在两极间加上电势差U ，U 不同则形成不同大小的电流由电流计读出，称为光电流．光电流为0时外加电势差的绝对值称为遏止电势差．（2）实验规律①饱和电流单位时间内，受光照的金属板释放出来的电子数和入射光的强度成正比．②遏止电势差光电子从金属板逸出时具有一定动能，最大初动能等于电子的电荷量和遏止电势差的乘积，与入射光的强度无关．③遏止频率（红限）光电子从金属表面逸出时的最大初动能与入射光的频率成线性关系．当入射光频率小于时，不会产生光电效应．0 ④弛豫时间从入射光开始照射直到金属释放出电子，无论光多微弱，几乎都是瞬时的，弛豫时间不超过．910s 图13-1-2 光电效应的伏安特性曲线图13-1-3遏止电势差与频率的关系2．光的波动说的缺陷按照光的经典电磁理论，金属在光的照射下，金属中的电子将从入射光中吸收能量，从而逸出金属表面．逸出时的初动能应决定于光振动的振幅，即决定于光的强度．因而按照光的经典电磁理论，光电子的初动能应随入射光的强度而增加．但实验结果是，任何金属所释出的光电子的最大初动能都随入射光的频率线性地上升，而与入射光的强度无关．3．爱因斯坦的光子理论把光当成以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子，每一个光子的能量为光电效应解释如下：当金属中一个自由电子从入射光中吸收一个光子后，可获得能量．如果此能量大于金属表面逸出功A ，这个电子逸出，否则不逸出，与光强无关．光强只决定光子数的多少，决定光电流的大小．根据能量守恒定律，可以得到爱因斯坦光电效应方程式中，是入射光的频率，m 和分别是出射光电子的质量和速度．νmv 4．光的波粒二象性光子的动质量m φ可由相对论的质-能关系式得到m φ的量值应是有限的，视光子的能量而定，而光子的静质量m φ0＝0．光子的动量为动量和能量是描述粒子性的，而频率和波长则是描述波动性的．光的这种双重性质称为光的波粒二象性.三、康普顿效应1．康普顿效应在散射光中，除有与入射线波长相同的射线外，同时还有波长的射线．这种0λ0λλ>改变波长的散射称为康普顿效应．实验结果表明：（1）波长的偏移Δλ＝λ－λ0随散射角φ（散射线与入射线之间的夹角）而异；当散射角增大时，波长的偏移也随之增加，而且随着散射角的增大，原波长的谱线强度减小，而新波长的谱线强度增大；（2）在同一散射角下，对于所有散射物质，波长的偏移Δλ都相同，但原波长的谱线强度随散射物质的原子序数的增大而增加，新波长的谱线强度随之减小．2．光子理论的解释将光子当作能量为、动量为的粒子，与电子发生弹性碰撞，根据动量守恒和能量守恒（电子动能应考虑狭义相对论修正），得到康普顿公式式中，称为康普顿波长．四、氢原子光谱 玻尔的氢原子理论1．氢原子光谱的规律性氢原子发光频率满足以下里德伯方程式中，是波数，k ＝1,2,3,…，n ＝k ＋1,k ＋2,k ＋3,…，R 是里德伯常量，其大小为ν%2．玻尔的氢原子理论玻尔理论的基本假设：（1）定态假设：原子系统只能处在一系列不连续的能量状态，在这些状态电子不辐射也不吸收电磁波．（2）频率条件：当原子从一个能量为的定态跃迁到另一个能量为的定态时，会n E k E 发射或吸收一个频率为的光子．kn ν（3）量子化条件：电子绕核作圆周运动，其稳定状态的角动量L 需满足。
第十三章 早期量子论和量子力学基础
14
练习13-19．在氢原子中，处于 3d 量子态的电子的四个 量子数 (n, l , m l , ms ) 可能的取值为：
(A)
(3,1,1,
( 2,1,2,
1 )（B） (1,0,1, 1 ) 2 2
（C）
1 ) 2
（D） (3,2,0,
1 ) 2
√
1 2
练习13-20．在主量子数 n 3 ，自旋磁量子数 中，能够填充的最多电子数是 。
2
dV 1
。填：相同
光电效应——光的粒子性 康普顿散射——光的粒子性 戴维孙-革末实验——电子波动性 施特恩-格拉赫实验——电子自旋
（8）势阱
2 概率图的峰值个数 n： 概率最大的个数，位置 （9）填充电子遵守两个原理 泡利（Pauli）不相容原理， 能量最小化原理。 3
势阱宽 a 与物质波波长 ：a n
﹏
代入数据得：
E 2.56 eV
上式用氢原子能量表示：
13.6 13.6 Em E2 ( 2 ) ( 2 ) 2.56 m 2
2
13.6 eV
m2 16.2
m 4 Em 0.85 eV
基 态
7
练习13-23 基态的氢原子被外来单色光激发后，仅观察 到三条可见光谱线。求（1）外来光的波长；（2） 被观察到的三条谱线的波长。
(a x a)
那么粒子在 x 5a 6 处出现的概率密度为：
(A) 1 (2a )
√
(B) 1 a
(C) 1
2a
(D) 1 a
11
例 试确定处于基态氦原子中电子的量子数。 解：氦原子有两个电子。 据能量最小原理，两电子处于1s态，即n=1，则：
2早期的量子论观点 量子力学的建立
例1. 利用玻尔-索末菲量子化条件，求 （1）一维谐振子能量； （2）在均匀磁场中做圆周运动的电子轨道的可能半径。 e M 9 1024 J/T 已知外磁场 B 10 T，玻尔磁子 ，试计算 2m 动能的量子间隔，并与T 4 K 及T 100 K 热运动能量比较。 解：（1）谐振子运动方程为 x A cos t ，所以
§1-3
量子力学的建立
一、海森伯的矩阵力学 二、薛定谔的波动力学
§1-3
量子力学的建立
量子力学理论是在1923—1927年这段时间中建立起来的。两个 彼此等价的理论—矩阵力学与波动力学，几乎同时被提出来。
一、海森伯的矩阵力学
矩阵力学是在对Bohr的旧量子论的批判中产生的。 海森伯等人，一方面继承了早期量子论中合理的内核，如分立 能级、定态、量子跃迁、频率条件等概念；另一方面，又摒弃了一 些没有实验根据的传统概念，如绝对精确轨道的概念。 矩阵力学的实质： 从物理上可观测量出发，赋予每个物理量以一个矩阵，它们的 代数运算规则与经典物理量不相同，遵守乘法不可对易的代数。量 子体系的各力学量（矩阵）之间的关系（矩阵方程），形式上与经 典力学相似，但运算规则不同。 矩阵力学成功地解决了谐振子、转子、氢原子等分立能级、光 谱线频率、强度等问题。
如果考虑到原子核的运动，修正值为
RH 1.0967751107 m1
7 1 与实验结果 RH 1.0967758 10 m 符合得相当好。
后来，索末菲将玻尔的量子化条件推广到多自由度体系的周期 运动中去，提出了推广的量子化条件
pdq nh
q 是广义坐标，p 是广义动量。回路积分是沿运动轨道积分一圈， n 是正整数，称为量子数。
程守洙《普通物理学》(第5版)辅导系列-课后习题-第13章 早期量子论和量子力学基础【圣才出品】
第13章 早期量子论和量子力学基础13-1 估测星球表面温度的方法之一是：将星球看成黑体，测量它的辐射峰值波长λm ，利用维恩位移定律便可估计其表面温度。
如果测得北极星和天狼星的λm 分别为0.35 μm 和0.29 μm，试计算它们的表面温度。
解：根据维恩位移定律，可知与黑体辐射本领极大值相对应的波长与绝对温度T 的乘积为一常数。
则北极星表面温度：天狼星表面温度：。
13-2 在加热黑体过程中，其单色辐出度的峰值波长是由0.69 μm 变化到0.50μm，求总辐出度改变为原来的多少倍?解：设加热前后黑体的温度分别为T 1、T 2，其单色辐出度的峰值波长分别为、，则根据维恩位移定律，可得黑体温度之比为：根据斯特藩-玻尔兹曼定律，可得总辐出度之比为：因此，总辐出度变为原来的3.63倍。
13-3 假设太阳表面温度为5 800 K ，太阳半径为6.96×108 m 。
如果认为太阳的辐射是稳定的，求太阳在1年内由于辐射，它的质量减小了多少?解：由斯特藩一玻尔兹曼定律，太阳通过其表面辐射出的总功率为：太阳在一年内辐射出的总能量为。
由狭义相对论质能关系，可得太阳在一年内的质量亏损：*13-4 黑体的温度T 1＝6000 K ，问λ1＝0.35 μm 和λ2＝0.70 μm 的单色辐出度之比等于多少?当温度上升到T 2＝7000 K 时，λ1的单色辐出度增加到原来的多少倍?解：（1）利用普朗克单色辐出度公式：可得时，和的单色辐出度之比：而因此，单色辐出度之比：。
（2）当黑体温度上升到时，的单色辐出度：与温度为T 1时，黑体的单色辐出度的比值：解得：代入上式可得：。
*13-5 假定太阳和地球都可以看成黑体，如太阳表面温度T S ＝6 000 K ，地球表面各处温度相同，试求地球的表面温度（已知太阳的半径R S ＝6.96×105 km ，太阳到地球的距离r ＝1.496×108 km ）。
量子力学简史
量子力学的建立与发展历程具有重要历史意义，可以归纳为以下四个阶段：
早期量子论阶段：在这一阶段，科学家们开始发现原子并非固体不可压缩的小球体，而是具有空间结构。
19世纪末，一系列实验和观察表明原子具有离散能级，并且能发生辐射和吸收。
这些发现为后来的量子力学奠定了基础。
旧量子论阶段：在这一阶段，科学家们开始用量子化概念来解释原子结构和原子光谱的规律性。
这些努力为后来的量子力学框架的形成提供了启示和参考。
量子力学的建立阶段：这一阶段开始于20世纪初，科学家们提出了许多重要的量子力学原理，如波粒二象性、不确定性原理、哈密顿表述和薛定谔方程等。
这些原理为量子力学的发展奠定了坚实的基础。
量子力学的发展与完善阶段：在这一阶段，科学家们不断探索和研究量子力学的各种应用，包括半导体物理、超导现象、核物理、粒子物理等。
这些应用不断推动着量子力学的发展和完善。
总之，量子力学的发展历程是一个充满挑战与突破的历史过程。
科学家们通过不懈的努力和深入的研究，逐步建立起一套完整的量子力学理论体系，为现代物理学的发展奠定了坚实的基础。
量子理论的诞生和发展从量子论到量子力学
发展历程
量子理论的起源可以追溯到20世纪初，当时科学家们开始研究电子、光子等 微观粒子的性质。在经典物理学中，这些微观粒子被视为连续的波动，但随着实 验技术的发展，人们发现微观粒子的行为越来越像粒子，具有不连续性和不可预 测性。这促使了量子论的诞生。
1900年，普朗克提出了著名的普朗克公式，成功解释了黑体辐射实验数据， 标志着量子论的开端。之后，爱因斯坦、玻尔、德布罗意等人不断完善和拓展量 子理论，提出了光子概念、波粒二象性、不确定性原理等重要观点。到了20世纪 30年代，海森堡、薛定谔等人建立了量子力学，实现了对微观世界的更准确描述。
量子力学的பைடு நூலகம்立与科技创新的评价体系：纪念普朗克创立量子论100周年
在21世纪的开端，我们迎来了物理学的一个重要里程碑——量子力学诞生 100周年。自普朗克于1900年提出量子这一概念以来，量子力学的发展改变了我 们对自然世界的理解，并引领了无数科技创新。本次演示将回顾量子力学的建立 过程，探讨科技创新评价体系，并展望量子力学的未来发展。
一、量子力学的建立
20世纪初，随着普朗克、爱因斯坦、玻尔等众多科学家的努力，量子力学逐 渐建立起来。这一理论突破了经典物理学的限制，为我们揭示了一个全新的微观 世界。
量子力学的基本原理包括不确定性原理、量子态叠加原理以及量子纠缠等。 这些概念在物理学、化学、医学等领域有着广泛的应用。例如，量子计算机的研 制和量子通信技术的发展，都离不开对量子力学基本原理的深入理解和研究。
量子理论的应用范围广泛，它在各个领域都发挥了不可或缺的作用。在物理 学中，量子理论不仅成功解释了许多经典理论无法解释的现象，还为新材料的研 发和精密测量提供了理论基础。在化学领域，量子理论帮助研究者们更好地理解 分子的结构和性质，为材料的设计和合成提供了指导。在生物学中，量子理论为 研究细胞代谢、光合作用等复杂系统提供了新的视角和方法。
第十三章 早期量子论和量子力学基础2
（3）角动量量子化条件：电子绕核作圆周运动时 角动量是量子化的，取值为：
h L mvn rn n n 2
n = 1，2，3 … 量子数
三、氢原子轨道半径和能量的计算
经典理论结合Bohr 理论
vn
rn -e m
mp +e
En
• 氢原子的半径和玻尔半径
0h 2 r1 a0 0.053nm 2 me
可以证明：只有处于束缚态的电子才可能吸收光子，自由 电子不能吸收光子。
例1 波长为 0 0.02nm 的X射线与静止的自 由电子碰撞，现在从和入射方向成 90 角的方向去 观察散射辐射。求： (1) 散射X射线的波长；(2)反冲 电子的 能量；(3)反冲电子的动量。 解： (1) 散射后X射线波 长的改变为：
• X 射线光子与原子“内层电子”的弹性碰撞
内层电子与核结合较为紧密（keV)，他认为碰撞实际上可以 看作是发生在光子与质量很大的整个原子间的碰撞—光子基 本上不失去能量—保持原性质不变。
• X 射线光子与原子“外层电子”的弹性碰撞
外层电子与核结合较弱（几个eV）—与 X 光子相比，这些 电子近似看成为 “静止” 的 “自由”电子。
2d sin 1.65 A
0
2 、电子多晶薄膜的衍射实验（G.P.汤姆孙实验）
金多晶 薄膜
电子束
在此之后，人们陆续用实验证实了原子，分子，中子，质 子也具有波动性。
实物粒子波动性的一个重要应用就是电子显微镜，其分辨 本领比普通光学仪器要高几千倍，如我国制造的电子显微镜， 其放大率高达８０万倍,其分辨本领达 1.44Å,可分辨到单个原子 的尺度，为研究分子结构提供了有力武器。
• 康普顿散射的实验装置
简述量子力学的发展历程
简述量子力学的发展历程
量子力学是一门研究物质微观结构和微观现象的学科，它的发展历程可以分为以下几个阶段：
一、经典力学时期：19世纪末至20世纪初，德布罗意等人提出波粒二象性假说，但经典力学无法解释实验结果。
二、早期量子力学阶段：20世纪初至20世纪中期，普朗克、爱因斯坦、玻尔等人提出量子假设、波动力学和矩阵力学等理论，奠定了量子力学基础。
三、中期量子力学阶段：20世纪中期至70年代，狄拉克、费曼等人提出了量子场论和路径积分等新理论，丰富了量子物理学。
四、现代量子力学阶段：20世纪70年代至今，量子力学被应用于计算机、通信、生物学等领域，涌现出量子力学的多种应用。
总之，量子力学的发展历程不仅是一场物理学的革命，也是人类认识世界、理解自然规律的一次壮举。
高二物理竞赛早期的量子论和量子力学基础课件
2022/3/14
39
爱因斯坦光子理论的证实
1 2由m vm 2hA0,1 2m vm 2eUa
eU a hA0
Ua
h
e
A0 e
实验 U a： K U 0
斜率： K h e
截距：U0 A0 e
* 1914~1916年，密立根 光电效应实验
2022/3/14
40
五、光的波粒二象性
光子能量 Emc2h
2022/3/14
44
例2 已知：如图OP，OQ，PQ。求：A，h。
1 2
பைடு நூலகம்mv
2
解：
h 1mv2 A
2
O
即1： m v2 hA 2
P
Q
S
OP A OP h
OQ
2022/3/14
45
§13-3 康普顿效应
康普顿，美国著名物理学家、 “康普顿效应”的发现者。 与英国的威尔逊一起分享了 1927年度诺贝尔物理学奖。
象称为光电效应 。逸出的电子称为光电子。
2022/3/14
25
一、光电效应实验 实验一： 入射光强度和频率不变
1.增加电压U，光电流随之 增加，直至饱和。
2.电压U = 0时，光电流 I = 0。
3.当反向电压U=Ua时，光 电流 I = 0。
2022/3/14
光
K- A
G V
26
I IH
Ua
0
2022/3/14
12
(1)瑞利-金斯定律
M 0， T c3 4T
c3 2ck
c—光速k，—玻耳兹曼常数
问题：“紫外灾难”——长波符合，短波 不符合，需修正。
当 0时M ， 0
量子力学的发展简史
量子力学的发展简史量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。
旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。
1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。
1905年，爱因斯坦引进光量子(光子)的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。
其后，他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热问题。
1913年，玻尔在卢瑟福原有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。
按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，在轨道上运动时候电子既不吸收能量，也不放出能量。
原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。
这个理论虽然有许多成功之处，但对于进一步解释实验现象还有许多困难。
在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于1923年提出了物质波这一概念。
认为一切微观粒子均伴随着一个波，这就是所谓的德布罗意波。
德布罗意的物质波方程：E=ħω，p=h/λ，其中ħ＝h/2π，可以由E=p²/2m 得到λ＝√(h²/2mE)。
由于微观粒子具有波粒二象性，微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律，描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。
当粒子的大小由微观过渡到宏观时，它所遵循的规律也由量子力学过渡到经典力学。
量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上。
在量子力学中，粒子的状态用波函数描述，它是坐标和时间的复函数。
为了描写微观粒子状态随时间变化的规律，就需要找出波函数所满足的运动方程。
量子力学发展简史.ppt
3. 固体比热的研究
1906年，爱因斯坦将普朗克的量子假说应用于 固体比热，解释了固体比热的温度特性并且得 到定量结果。然而，这一次跟光电效应一样， 也未引起物理界的注意。不过，比热问题很快 就得到了能斯特的低温实验所证实。量子理论 应用于比热问题获得成功，引起了人们的关注， 有些物理学家相继投入这方面的研究。在这样 的形式下，能斯特积极活动，得到比利时化学 工业巨头索尔威的资助，促使有历史意义的第 一届索尔威国际物理会议的召开，讨论的主题 就是《辐射理论和量子》，这次会议在宣传量 子理论上起了很好的作用。
3.矩阵力学的创立
矩阵力学的创立者海森伯1924年到哥本哈根跟玻尔和克拉末斯合 作研究光色散理论。在研究中，他认识到不仅描写电子运动的偶 极的振幅的傅里叶分量的绝对值平方决定相应辐射的强度，而且 振幅本身的位相也是有观察意义的。海森伯由这里出发，假设电 子运动的偶极和多极电矩辐射的经典公式在量子理论中仍然有效。 然后运用玻尔的对应原理，用定态能量差决定的跃迁频率来改写 经典理论中电矩的傅里叶展开式。这样，海森伯就不再需要电子 轨道等经典概念代之以频率和振幅的二维数集。他当时并不知道 这就是矩阵运算，于是就向玻恩请教有没有发表价值。玻恩经过 几天思索才发现海森伯用来表示观察量的二维数集正是线性代数 中的矩阵，此后，海森伯的新理论就叫《矩阵力学》。 玻恩着手 运用矩阵方法为新理论建立一套严密的数学基础。与数学家约丹 联名发表了《论量子力学》一文，首次给矩阵力学以严格的表述。 接着，玻恩、约丹、海森伯三人合作，系统地论述了本征值问题、 定态微扰和含时间的定态微扰，导出了动量和角动量守定律，以 及强度公式和选择定则，从而奠定了量子力学的基础。
三 .关于量子力学完备性的争论
玻恩、海森伯等人提出了量子力学的诠释之后，遭到了爱因斯坦 和薛定谔等人的批评，他们不同意对方提出的波函数的几率解释、 测不准原理和互补原理，双方展开了一场长达半个世纪的大论战， 许多理论物理学家、实验物理学家和哲学家卷入了这场论战，至 今还未告结束。 正是由于以爱因斯坦为代表的EPR一派和以玻尔 为代表的哥本哈根学派的长期争论，才使得量子力学越来越完备， 很多问题得到了系统性的研究。 1965年，贝尔在定域隐参量理论 的基础上提出了一个著名的关系，人称贝尔不等式，于是有可能 对隐参量理论进行实际的实验检验，从而判断哥本哈根学派对量 子力学的解释是否正确。从70年代开始，各国物理学家先后完成 了十几项检验贝尔不等式的实验。这些实验大多数都明显地违反 了贝尔不等式，而与量子力学理论预言的相符。但也不能就此对 爱因斯坦和玻尔的争论作出最后裁决。目前这场论战还在进行之 中，没有得出最后的结论。
第18章 早期量子论和量子力学基础讲解
对于频率为ν 的谐振子最小能量为
能量
h
经典 量子
普朗克量子假设
振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到 另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻 尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体的 单色辐出度，即普朗克公式。
能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统 的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创 了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能 量子，对建立量子理论作出了卓越贡献，获1918 年诺贝尔物理学奖。
可见由普朗克公式可推导得出维恩位移定律。
§18-2光电效应 爱因斯坦的光子理论
1. 光电效应的实验规律
光电效应 当波长较短的 可见光或紫外光照射到 某些金属表面上时 , 金属 中的电子就会从光中吸 取能量而从金属表面逸 出的现象。 金属板释放的电子 称为光电子 , 光电子在 电场作用下在回路中 形成光电流。
M 1 (T ) M 2 (T ) M 0 (T ) a1 (T ) a 2 (T )
即好的吸收体也是好的辐射体。
3. 黑体辐射实验规律
不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作 黑体。
研究黑体辐射的规 律是了解一般物体热 辐射性质的基础。
黑体模型
黑体辐射实验规律
P
第五篇 量子物理
第十八章 早期量子论和量子力学基础
§18-1 热辐射
普朗克的量子假设
1. 热辐射现象
固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的 电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而 发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特 征仅与温度有关。 固体在温度升高时颜色的变化
800K
1000K
3 ( n 1) x
T
13-0 早期量子论和量子力学基础
上页 下页 返回 退出
选择进入下一节 §13-0 教学基本要求 §13-1 热辐射 普朗克的能量子假设 §13-2 光电效应 爱因斯坦的光子理论 §13-3 康普顿效应 §13-4 氢原子光谱 波尔的氢原子理论 §13-5 德布罗意波 微观粒子的波粒二象性 §13-6 不确定关系 §13-7 波函数及其统计诠释 薛定谔方程 §13-8 一维定态薛定谔方程的应用 §13-9 量子力学中的氢原子问题 §13-10 电子的自旋 原子的电子壳层结构
上页 下页 返回 退出
上页 下页 返回 退出
本章目录 §13-0 教学基本要求 §13-1 热辐射 普朗克的能量子假设 §13-2 光电效应 爱因斯坦的光子理论 §13-3 康普顿效应 §13-4 氢原子光谱 波尔的氢原子理论 §13-5 德布罗意波 微观粒子的波粒二象性 §13-6 不确定关系 §13-7 波函数及其统计诠释 薛定谔方程 §13-8 一维定态薛定谔方程的应用 §13-9 量子力学中的氢原子问题 §13-10 电子的自旋 原子的电子壳层结构
上页 下页 返回 退出
பைடு நூலகம்
§13-0 教学基本要求
一 理解黑体辐射、光电效应、康普顿效应和 氢原子光谱等的实验规律，经典理论解释的困难和 早期量子论的解释.
二 理解戴维孙-革末实验规律，德布罗意的 物质波假设.理解物质波的波粒二象性和不确定关系.
三 理解波函数及其概率解释，理解薛定谔方 程及其对一维无限深势阱、一维势垒和遂道效应的 量子力学描述.
第一章 量子力学基础1.1 从经典力学到早期量子论
克常数(h=6.626×10-34 J· s)，这一创造性的工作使他 成为量子理论的奠基者，在物理学发展史上具有划时代的意 义。他第一次提出辐射能量的不连续性，著名科学家爱因斯 坦接受并补充了这一理论，以此发展自己的相对论，玻尔也 曾用这一理论解释原子结构。量子假说使普朗克获得1918年 诺贝尔物理奖。
验公式（后被J.R.Rydberg表示成如下的波数形式）,并正确地推断 该式可推广之(式中n1、n2均为正整数):
~ 1 1 R( 2 2 ) n1 n2
1
20 世纪初， F.Paschen(1908 年 ) 、 F.S.Brackett (1922 年 ) 、 H.A.Pfund (1924年)等在红外区, Lyman (1916年)在远紫外区发 现的几组谱线，都可用下列一般公式表示:
光电效应是光照在金属表面上，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。
光电子的动能显然来自光能. 按照经典波动理论, 光能取决于光强度即振幅平方,与频率无关. 显然, 经典波动理论完全不能解释光电效应的实验事实.
e
2 2 4
~ h E2 E1 hc / hc
4 1 1 1 1 E E me ~ 2 1 2 3 2 R 2 2 2 hc 8 0 h c n1 n2 n n 2 1
此式与氢原子光谱的经验公式完全相符，R即为Rydberg（里德 堡）常数。
由Bohr模型, 结合经典力学运动定律, 可解出Rydberg
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
黑体辐射实验规律
大学物理：潘国卫主讲
实验曲线
M 0 (T ) /(W cm 2 m 1 )
0
1
2
3
4
5
/ m
绝对黑体的辐出度按波长分布曲线
黑体辐射实验规律
大学物理：潘国卫主讲
根据实验得出黑体辐射的两条定律： （1） 斯特藩-玻耳兹曼定律 黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正 比：
7 2
太阳辐射的总功率
2 PS M 0 4RS 6.87 107 W m 2 4 (6.96 108 )2
4.2 1026W
这功率分布在以太阳为中心、以日地距离为 半径的球面上，故地球表面单位面积接受到的辐 射功率 26 4 . 2 10 W PS 3 2 4d 2 PE 1 . 49 10 W / m 4 (1.496 1011 m )2
黑体辐射实验规律
大学物理：潘国卫主讲
由于地球到太阳的距离远大于地球半径，可将地 球看成半径为RE的圆盘，故地球接受到太阳的辐 射能功率
2 RE PE PE 1.50 10 3W m 2 (6.37 106 m )2
1.90 1017W
大学物理：潘国卫主讲
4. 普朗克量子假设
问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式
M 0 (T ) f ( , T )
维恩经验公式
C2 T
M 0 (T ) C1 e
5
这个公式与实验曲线波长短处符合得很好，但 在波长很长处与实验曲线相差较大。
普朗克量子假设
大学物理：潘国卫主讲
瑞利--金斯经验公式
1. 热辐射现象
固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长 的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发 而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的 特征仅与温度有关。 固体在温度升高时颜色的变化
800K
Байду номын сангаас
1000K
1200K
1400K
物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。
大学物理：潘国卫主讲
M 0 (T ) C3 T
4
这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近， 但在短波区，按此公式， M 0 将随波长趋向于零而 趋向无穷大的荒谬结果，即“紫外灾难”。 维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学 的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果 不符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐 射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。
大学物理：潘国卫主讲
纳米材料
大学物理：潘国卫主讲
微观结构
大学物理：潘国卫主讲
第二十章电磁辐射的量子性
十九世纪末、二十世纪初经典物理学理论已经确立。但仍然 有两个实验现象无法很好解释。 ①热辐射实验； ②迈克尔孙--莫雷实验
量子理论的诞生
相对论的诞生
§20-1 热辐射
普朗克的量子假设
大学物理：潘国卫主讲
M 0 (T ) T
斯特藩常数
4
8 2 4
5.67 10 W/(m K )
热辐射的功率随着温度的升高而迅速增加。
黑体辐射实验规律
大学物理：潘国卫主讲
（2） 维恩位移定律
对于给定温度T ，黑体的单色辐出度M 0 有一 最大值,其对应波长为 m 。
T m b
b 2.897 10 m K
2. 基尔霍夫辐射定律
单色辐出度：单位时间内，温度为T 的物体单 位面积上发射的波长在 到 d 范围内的辐 射能量 d M 与波长间隔 d 的比值，用 M (T ) 表示。
d M M (T ) d
单色辐出度 M (T ) 与物体的 温度和辐射波长有关。
基尔霍夫
解
根据维恩位移定律 mT b
T
b m
2.897103 m K 490109 m
5.9 10 K
3
根据斯特藩-玻尔滋蔓定律可求出辐出度， 即单位表面积上的发射功率
黑体辐射实验规律
大学物理：潘国卫主讲
M 0 T 4 5.67 10 8W m 2 K 4 (5.9 10 3 K )4 6.87 10 W / m
普朗克量子假设
大学物理：潘国卫主讲
即好的吸收体也是好的辐射体。
大学物理：潘国卫主讲
3. 黑体辐射实验规律
不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看 作黑体。
研究黑体辐射的 规律是了解一般物体 热辐射性质的基础。
黑体模型
黑体辐射实验规律
大学物理：潘国卫主讲
P
L2
A
L1
B1
B2
B1PB2为分光系统 C为热电偶
C
A为黑体
测定黑体辐出度的实验简图
基尔霍夫辐射定律
大学物理：潘国卫主讲
辐射出射度:单位时间内，从物体单位面积上
所发射的各种波长的总辐射能，称为物体的辐
射出射度，简称辐出度。
M (T ) 0 M (T ) d
辐出度只是物体温度的函数。
基尔霍夫辐射定律
大学物理：潘国卫主讲
单色吸收比和单色反射比:被物体吸收的能量 与入射能量之比称为吸收比,在波长 到 d 范围内的吸收比称为单色吸收比,用 a (T ) 表 示;反射的能量与入射能量之比称为反射比,波 长 到 d 范围内的反射比称为单色反射比, 用r (T )表示。
绝对黑体:若物体在任何温度下,对任何波长的 辐射能的吸收比都等于1,则称该物体为绝对黑 体,简称黑体。
基尔霍夫辐射定律
大学物理：潘国卫主讲
基尔霍夫辐射定律: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,并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐出度。
M 1 (T ) M 2 (T ) M 0 (T ) a1 (T ) a 2 (T )
热辐射的峰值波长随着温度的增加而向着 短波方向移动。
3
黑体辐射实验规律
大学物理：潘国卫主讲
例题19-1 实验测得太阳辐射波谱的 m 490nm，若把太 阳视为黑体，试计算（1）太阳每单位表面积上所发射的功 率，（2）地球表面阳光直射的单位面积上接受到的辐射功 率，（3）地球每秒内接受的太阳辐射能。（已知太阳半径 RS=6.96×108m,地球半径RE=6。37×106m,地球到太阳的距 离d=1.496×1011m.)