量子力学课件完整版(适合初学者)

Maxwell方程组的建立-把光和电磁现象建立在牢固的基础上；
统计力学的建立。
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一些实验事实就与经典理论发生矛盾或 者无法理解。
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20世纪初物理学界遇到的几个难题
1 两朵乌云（W.Thomson) ①电动力学中的“以太”：人们无法通过实 验测出以太本身的运动速度
②物体的比热：观察到的物体比热总是低 于经典物理学中能量均分定理给出的值。
②当电子从能级En变化到Em时，将伴随着能量的吸收或发射，能量的形式是电磁 波。能量的大小为E =hυ = En－Em
③由此，提出了产生电磁波的量子论观点，即电磁波源于原子中电子能态的跃迁。
从而，电子就不会掉到原子核里，原子的寿命就会很长。
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能量量子化概念对难题的解释
黑体辐射 从能量量子化假设出发，可以推导出同实验观测极为吻 合的黑体辐射公式，即Planck公式
E kT E Ee dE 0

kT ( E e
kT
E kT
e 0 0
dE )
E kT dE 0 e
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而对于Planck假设的能量分布几率，则为
e

nh kT


e
n0
nh kT
从而
E nh e
n0
nh kT
这面临着两个问题： 1、信号电磁波所覆盖的区域包括大量的 元件，每个元件的工作状态有随机性，但 器件的响应具有统计性； 2、构成元件的材料的体积属于原子团物 理的范畴，即每个粒子含有有限个原子 （102－109个原子）。这时的统计平均具 有显著的涨落，必须考虑量子效应。
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量子力学
第一章 绪论
南京工业大学理学院 吴高建
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1.1 经典物理学的困难
19世纪末，物理学界建立了牛顿力 学、电动力学、热力学与统计物理， 统称为经典物理学。其中的两个结论 为 1、能量永远是连续的。 2、电磁波（包括光）是这样产生的： 带电体做加速运动时，会向外辐射电 磁波。
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经典物理学的成就
牛顿力学-支配天体和力学对象的运动； 杨氏衍射实验-确定了光的波动性；
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1.2 光的波粒二象性
对光电效应的解释是爱因斯坦于 1905年 做出的，他也因此获得诺贝尔奖。其中， 他对光子的能量E是如此假定的
E h
爱因斯坦方程 h
1 2
mv W
2
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光子的能量与动量
并用υ= c / λ和狭义相对论中的公式 p =E/c推出光子的动量p为 p=h/λ，E=hν. υ－频率， λ－波长， h－普朗克常数
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Rayleigh–Jeans公式
kT
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能量量子化概念对难题的解释
对光电效应的解释 如果电子处于分立能级且入射光的能量也是量子化的，那么只有当光子的 能量（E =hυ）大于电子的能级差，即E =hυ > En－Em时，光电子才会产生。 如果入射光的强度足够强，但频率υ足够小，光电子是无法产生的。
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光的波粒二象性
波粒二象性，又称为波动粒子两重性，是指物体，小到光子、电子、原子， 大到子弹、足球、地球，都既有波动性，又有粒子性。
频率为υ的单色光波是由能量为E =hυ 的一个个粒子组成的，这样的粒子被称
为光子，或光量子。 光子的粒子性－光电效应； 光子的波动性－光的衍射和干涉。

e
n0
nh kT
h
d
dx n 0 n0 1 d x 1 x h (1 e ) (1 e ) dx
h kT
e
nx
e
nx
h (e
1)
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于是，用电动力学和统计力学导出的公式
E(,T ) 2 c
2
kT（Rayleigh–Jeans）
nh n
n 0 ,1 , 2 ,
所以，辐射的平均能量可如此计算得：
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在E E dE 能量范围内， 经典的能量分布几率
e
E kT
dE
0 e

E kT
dE
（玻尔兹曼几率分布）
E kT dE 0 e
E kT
所以对于连续分布的辐射平均能量为
Light beam
metal
electric current
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能量量子化的假设
造成以上难题的原因是经典物理学认为能量永远是连续的。
如果能量是量子化的，即原子吸收或发射电磁波，只能以“量子”的方式进 行，那末上述问题都能得到很好的解释。
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能量量子化概念对难题的解释
原子寿命
①原子中的电子只能处于一系列分立的能级之中。即E1, E2, ……. En。
量子力学
为什么要学习量子力学和统计物理学？
1960年代，著名微波电子学家Pirls曾说，量 子力学、统计物理学是高度抽象的科学，不需 要所有的人都懂得这种理论物理科学。 然而，在1990年代，随着高技术科学的发展， 要求我们必须掌握理论物理学，包括量子力学 和统计物理学。例如：微电子器件的集成度越 来越高，组成器件的每一个元件的体积越来越 小。目前，元件的尺寸可以达到nm级。
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2 原子的稳定性问题－原子塌缩 按照经典理论，电子将掉到原子核里，原子的寿命约为1 纳秒。 3 黑体辐射问题－紫外灾难 按照经典理论，黑体向外辐射电磁波的能量E与频率 关系为 的

E ( )
8 kT c
3
E

2
υ
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4.光电效应的解释 光照射到金属材料上，会产生光电子。但产生条件与光的 频率有关，与光的强度无关。
E ( )
c 1 e
c 2 / T
3
1
c 2 / T
E ( ) c 1 e
3
E ( ) 8 kT
2
/c
3
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普朗克（Planck）大胆假设：无论是黑体辐射 也好，还是固体中原子振动也好，它们都是以 分立的能量 nh 显示，即能量模式是不连续 的。
2
应改为
E(,T )
2h c
2
3
(e
h kT
1)
这就是Planck假设下的辐射本领，它与 实验完全符合。
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当
kT hc
E( , T )
（高频区）
2hc
5 2
e
hc kT
Wein公式
当 k T h （低频区） c
E( , T )