量子物理基础2014

低频部分与实 验符合很好.随频 率增大而与实验值 的差距越来越大, 当时 ,引起 发散.这就是有名 的“紫外灾难”.
M0 (, T)
T = 1600 K 实验数据点 普朗克公式 瑞利-金斯公式 维恩公式
0
2.0
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/ m
6.0
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10.0
黑体辐射研究的发展
1900年10月19日, 普朗克（Planck）
经典现象 VS 量子现象 ★ 量子纠缠
量子通讯
自旋是微观粒子的固有属性
量子物理的实验及理论基础
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。 1909年，大角度散射， 散射实验。
天文学：依据辐射强度分布来判断星体表面的温度。
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.
维恩经验公式： 高频部分公式 符合很好,低频部 分有显著的偏差.
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10.0
黑体辐射研究的发展
1900－1905年,瑞利（J.W.S. Rayleigh）,金斯（J.H. Jeans） 经典动力学和统计物理学
8 E ( , T )d 3 kT 2 d c
8h 3 d E ( , T )d c 3 e h / kT 1 h kT Wein
h kT
Rayleigh-Jeans
M0 (, T) T = 1600 K 实验数据点 普朗克公式 瑞利-金斯公式 维恩公式
1900年12月14日, 普朗克给出了这 个公式的证明.
number of years and theory cost me a great deal of effort. ”
黑体辐射的应用
热辐射规律在现代科学技术上的应 用极为广泛，它是遥感、红外跟踪、 红外热像等技术的物理基础。
红外热像仪
红外热像仪
正常人群左右手腕部热图
腱鞘炎左右手腕部热图
腱鞘囊肿左右手腕部热图
经典现象 VS 量子现象
★ 微观粒子的波粒两相性
布克球 （Buckyball） C60 molecules: M Arndt et al. Nature, 1999, 401: 680-682
C60 molecules
C60 molecules: O. Nairz et al. Am. J. Phys., 2002, 71(4), 680-682
认识我们的世界
Gravity Electromagnetic
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
Strong
Weak
认识我们的世界
至大和至小理论结合的物理学大蟒
I think I can safely say that nobody understand quantum mechanics. R. Feynman
量子物理的应用
原子、分子
激光、光纤 晶体管、集成电路 超导
信 息 产 业
量子力学
凝聚态
原子核、核子
光、电磁场 量子场论
核能、放射性
能 源
相对论来自百度文库
规范场、标准模型
量子引力
超对称性、弦论
天体、宇宙起源 黑 洞
大 统 一 大 爆 炸
量子物理的应用
MEMS 纳米技术 纳米材料 量子点,量子线 微电子机械系统
to whether, ultimately … in the great future … we can arrange the atoms the way we want...
问题：如何制造一张木桌子？
1990 年 , 美 国 IBM 公 司 阿 尔 马 登 研 究 中 心 （ Almaden
§11.7 薛定谔方程的应用
§11.8 氢原子中的电子 §11.9 电子自旋
习题
P323：11-5, 11-7, 11-11
§11-1 黑体辐射（Blank body radiation）
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内的温度, 以此来把握炼钢的时机。
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。
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.
概念的扩展
比如：粒子
基本粒子家族 质子由三个夸克组成 夸 克
轻 子
五夸克态（pentaquark）
概念的扩展
比如：能量
宏观物体：能量连续 微观粒子：能量分立
im2 im1 i
I2 ( > I1 ) I1
U0
0
U
§11-2 光电效应 (Photoelectric effect)
一、实验规律 截止频率的存在表明入射 U0 光频率低于某一值 ( 截止频 率)时,光电效应不会发生. 弛豫时间非常短表明无论 入射光强多么微弱 , 几乎在 开始照射的同时就产生光 电流.
Born
物质波假说 （1923）
Pauli不相容原理 （1924）
量子矩阵力学 （1925）
量子力学的 统计解释
电子的相对论方程
不确定性关系 （1927）
（1928）
支撑了整个世界的两个原理
The 1927 Solvay Conference was attended by some of the world’s most notable physicists who discussed the newly formulated quantum theory 布 喇 格 德 拜
埃 伦 费 斯 勒
狄 薛 康 拉 定 普 克 谔 顿
德 布 罗 意
泡 利
海 森 堡
波 恩
波 尔
普 朗 克
居 里 夫 人
洛 仑 兹
爱 因 斯 坦
郎 之 万
量子物理的应用
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。它不仅是微 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。
量子物理基础
Quantum Physics
十九世纪末，物理学建立了比较完整理论
经典力学
分子动理论
经典电动力学
统计力学
经典电磁理论 光的波动学说
物理学仍然存在危机，……
1900年4月27日，在伦敦的大不列颠皇家研究所的星期五 晚间演讲会上，开尔文勋爵做了题为《19世纪热和光的动力 学理论上空的乌云》的演讲。
能 级 图 光 谱
经典现象 VS 量子现象
★ 微观粒子的波粒两相性
经典现象 VS 量子现象
★ 微观粒子的波粒两相性
Neutrons, A Zeilinger et al. Reviews of Modern Physics, 1988, 60: 1067-1073
电子衍射图
He atoms: O Carnal and J Mlynek, Phys. Rev. Lett. 1991, 66: 2689-2692
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。
量子物理的实验及理论基础
1924－1926－1928年
de Broglie
Pauli
dinger Hesenberg Schrö
波动力学，并证 明矩阵力学和波 动力学是等价的 （1926）
Dirac
黑体辐射研究的发展
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
max T C
辐射能量密度经验公式为： E( , T ) C1 3 eC2 /T
M0 (, T) T = 1600 K 实验数据点 普朗克公式 瑞利-金斯公式 维恩公式
I(A)
U(V) -1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
0.00E+00 -0.2 0 -2.00E-11
§11-2 光电效应 (Photoelectric effect)
一、实验规律 饱和电流与光强成正比表明单位时间逸出的光电 子数与光强成正比. 遏止电压与光强无关表明光电子的最大动能与光 强无关.
迈克耳孙－莫雷实验 —— 狭义相对论 黑体辐射 ——量子物理
认识我们的世界
宇观：0.5光秒－150亿光年
遥观：用遥感技术能测的范围 宏观：0.1mm－1000m 显微观：1μm－100μm ： 细胞、病毒、细菌、大分子等
宏 观
介 观
1nm－100nm：1nm＝10－9 m
微 观
微观：1Å －10Å (Å= 10－10 m) （小分子、原子） 费米观：1fm = 10－15 m （原子核） 亚费米观： <10－16 m （夸克、电子层次）
量 子 力 学
量子密码
量子信息学
量子计算机
量子搬运 高温超导
宏观量子态
玻色凝聚
相干原子束
图书推荐
• 《量子物理史话》，曹开元，辽宁教育出版社
第十一章 量子物理基础
§11.1 黑体辐射
§11.2 光电效应
§11.3 康普顿效应 §11.4 波粒二象性 §11.5 不确定关系 §11.6 薛定谔方程
0 2.0 4.0
/ m
6.0
8.0
10.0
普朗克能量子假定
1.物质中的振子不能随便处于任意能量状态,它们只 能处于某个特定的能量状态,即只能是 h 的倍数. 2.从一个能量态到另一个能量态是一个突变的过程.
h
2 3 4
... n
“I tried immediately to weld the elementary quantum of action somehow in the framework of classical theory. But in
经典现象 VS 量子现象
★ 量子的隧穿效应
E
U0
2
3 1
经典现象 VS 量子现象
★ Schrö dinger 猫
Einstein would say: “God does not play dice”； Neils Bohr would respond saying “It is not your business to tell God what to do.”
Anyone who has not been shocked by quantum physics has not understood it. N. Bohr
改变观念，扩展思路 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
the face of all such attempts this constant showed itself to
be obdurate… My futile attempts to put the elementary quantum of action into the classical theory continued for a
§11-2 光电效应 (photoelectric effect)
1887年
Heinrich Hertz
§11-2 光电效应 (Photoelectric effect)
1.60E-10 1.40E-10 1.20E-10 1.00E-10 8.00E-11 6.00E-11 4.00E-11 2.00E-11