大學(xué)物理課件

1、早期量子論,量子力學(xué),相對(duì)論量子力學(xué),,,普朗克能量量子化假說(shuō)愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)康普頓效應(yīng)玻爾的氫原子理論,,德布羅意實(shí)物粒子波粒二象性薛定諤方程波恩的物質(zhì)波統(tǒng)計(jì)解釋海森伯的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系,,狄拉克把量子力學(xué)與狹義相對(duì)論相結(jié)合,,第十二章,量子力學(xué)基礎(chǔ),物體在任何溫度下都向外輻射電磁波,熱輻射,12-1 黑體輻射,平衡熱輻射,物體具有穩(wěn)定溫度,發(fā)射電磁輻射能量,吸收電磁輻射能量,相等,一、 黑體、黑體輻射,如果一個(gè)物體能全部吸收

2、投射在它上面的輻射而無(wú)反射，這種物體稱為黑體。,黑體模型,黑體,,單位時(shí)間物體單位表面積發(fā)射的各種波長(zhǎng)的總輻射能,單色輻出度,單位時(shí)間內(nèi),從物體表面單位面積上發(fā)出的，波長(zhǎng)在λ附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射能.,輻射出射度(輻出度),,,,,絕對(duì)黑體的單色輻出度按波長(zhǎng)分布曲線,,,,,,,,0 1 2 3 4 5 6,,λ,,,,,1700K,15

3、00K,1300K,,1100K,二、 斯忒藩（Stefan)——玻爾茲曼定律 維恩（Wien)位移定律,每條曲線下的面積等于絕對(duì)黑體在一定溫度下的輻射出射度,斯忒藩常數(shù),1 、斯忒藩（Stefan)——玻爾茲曼定律,維恩位移定律:,維恩位移定律指出：當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度升高時(shí)，單色輻出度最大值向短波方向移動(dòng)。,2 、 維恩（Wien)位移定律,λ,例 假設(shè)太陽(yáng)表面的特性和黑體等效，測(cè)得太陽(yáng),表面單色輻出度的最大值所

4、對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為465nm。,試估計(jì)太陽(yáng)表面的溫度和單位面積上的輻射功率,解：,,三 、 普朗克的量子假說(shuō) 普朗克公式,瑞利(Rayleigh)--金斯(Jeans)經(jīng)驗(yàn)公式,維恩(Wien)經(jīng)驗(yàn)公式,問(wèn)題：如何從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)的函數(shù)式 ？,1.經(jīng)典理論的困難,,,o,λ,,,,,,,,,,,1 2 3 5 6 8 9,4,7,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

5、,,,,,,實(shí)驗(yàn)值,,,,,o,λ,,,,,,,,,,,1 2 3 5 6 8 9,4,7,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,實(shí)驗(yàn)值,,,,,,維恩,,,,,,,,o,λ,,,,,,,,,,,1 2 3 5 6 8 9,4,7,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,實(shí)驗(yàn)值,,,,瑞利--金斯,,,,,o,λ,,,,,,,,,,,1 2 3

6、 5 6 8 9,4,7,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,實(shí)驗(yàn)值,,,,,,維恩,,,,瑞利--金斯,,,2.普朗克量子假說(shuō),能量子假說(shuō) (1)組成黑體壁的分子、原子可看作是帶電的線性諧振子，可以吸收和輻射電磁波。,“我試圖將h?納入經(jīng)典理論的范圍，但一切這樣的嘗試都失敗了，這個(gè)量非常頑固”.后來(lái)他又說(shuō)：,“在好幾年內(nèi)我花費(fèi)了很大的勞動(dòng)，徒勞地去嘗試如何將作用量子引入到經(jīng)典理論中去。我的一些同

7、事把這看成是悲劇。但我有自已的看法，因?yàn)槲覐倪@種深入剖析中獲得了極大的好處，起初我只是傾向于認(rèn)為，而現(xiàn)在是確切地知道作用量子 將在物理中發(fā)揮出巨大作用”。,事實(shí)上正是這一理論導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生，普朗克也成為了量子力學(xué)的開(kāi)山鼻祖，1918年因此而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。,振子在輻射或吸收能量 時(shí)，從一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)。,在能量子假說(shuō)基礎(chǔ)上，普朗克得到了黑體輻射公式：,這一公式稱為普朗克公式,它和實(shí)驗(yàn)符合得很好。,c ——光速,k

8、——玻爾茲曼恒量,e ——自然對(duì)數(shù)的底,o,λ,M.V.普朗克 研究輻射的量子理論，發(fā)現(xiàn)基本量子，提出能量量子化的假設(shè),1918諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,光電效應(yīng) 光照射到金屬表面時(shí)，有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。,光電子 逸出的電子。,光電子由K飛向A，回路中形成光電流。,12-2 光電效應(yīng) 光的波粒二象性,光電效應(yīng)伏安特性曲線,1、單位時(shí)間內(nèi)從陰極逸出的光電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度成正比。,2、存在遏

9、止電勢(shì)差,實(shí)驗(yàn)指出：遏止電壓和入射光頻率有線性關(guān)系，即：,,結(jié)論：光電子初動(dòng)能和入射光頻率成正比， 與入射光光強(qiáng)無(wú)關(guān)。,,3、存在截止頻率（紅限）,對(duì)于給定的金屬，當(dāng)照射光頻率 小于某一數(shù)值（稱為紅限）時(shí)，無(wú)論照射光多強(qiáng)都不會(huì)產(chǎn)生光電效 應(yīng)。,結(jié)論：光電效應(yīng)的產(chǎn)生幾乎無(wú)需時(shí)間的累積,因?yàn)槌鮿?dòng)能大于零，因而產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件是：,稱為紅限（截止頻率）,4 . 光電效應(yīng)瞬時(shí)響應(yīng)性質(zhì),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論光強(qiáng)如何

10、微弱，從光照射到光電子出現(xiàn)只需要 的時(shí)間。,1. 按經(jīng)典理論光電子的初動(dòng)能應(yīng)決定于 入射光的光強(qiáng)，而不決定于光的頻率。,經(jīng)典電磁波理論的缺陷,3. 無(wú)法解釋光電效應(yīng)的產(chǎn)生幾乎無(wú)須 時(shí)間的積累。,2. 無(wú)法解釋紅限的存在。,二、光量子（光子） 愛(ài)因斯坦方程,——愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程,愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)：,3. 從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率 成線性關(guān)系。,愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋：,2.

11、 電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出， 所以無(wú)須時(shí)間的累積。,1. 光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以 光電流也大。,4.從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得到 紅限頻率：,因?yàn)椋?由于光子速度恒為c，所以光子的“靜止質(zhì)量”為零.,光子質(zhì)量:,光子的動(dòng)量：,光子能量:,三、光的波粒二象性,1922-1933年間康普頓（A.H.Compton）觀察X射線通過(guò)物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射的波長(zhǎng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。,1927

12、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),,12-3 康普頓效應(yīng),康普頓實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,調(diào)節(jié)C對(duì)A的方位，可使不同方向的散射線進(jìn)入光譜儀。,康普頓實(shí)驗(yàn)指出,,改變波長(zhǎng)的散射,,康普頓散射,康普頓效應(yīng),(2)當(dāng)散射角?增加時(shí)，波長(zhǎng)改變也隨著增加.,(1)散射光中除了和入射光波長(zhǎng) 相同的射線之外，還出現(xiàn)一種波長(zhǎng) 大于 的新的射線。,(3)在同一散射角下，所有散射物質(zhì)的波長(zhǎng)改變都相同。,石墨的康普頓效應(yīng),,,,,,,,,φ=0

13、,O,,(a),(b),(c),(d),o,相,對(duì),強(qiáng),度,,（A）,0.700,0.750,λ,波長(zhǎng),石墨的康普頓效應(yīng),,,,,,,,,,,,,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,φ=0,φ=45,O,O,,,(a),(b),(c),(d),相,對(duì),強(qiáng),度,,（A）,0.700,0.750,λ,波長(zhǎng),石墨的康普頓效應(yīng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,.,.,.

14、,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,φ=0,φ=45,φ=90,O,O,O,,,,(a),(b),(c),(d),相,對(duì),強(qiáng),度,,（A）,0.700,0.750,λ,波長(zhǎng),石墨的康普頓效應(yīng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

15、,,,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,,,.,.,.,.,.,.,.,.,,,,φ=0,φ=45,φ=90,φ=135,O,O,O,O,,,,,(a),

16、(b),(c),(d),o,（A）,0.700,0.750,λ,波長(zhǎng),經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)遇到的困難,根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過(guò)散射物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。,,無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。,,,光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋,光子理論認(rèn)為康普頓效應(yīng)是高能光子和低能自由電子作彈性碰撞的結(jié)果，具體解釋如下：,若光子和散射物外層電子（相當(dāng)于自由電子）相

17、碰撞，光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，因此波長(zhǎng)變長(zhǎng)，頻率變低。,,,若光子和被原子核束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞時(shí)，就相當(dāng)于和整個(gè)原子相碰撞，由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，碰撞過(guò)程中光子傳遞給原子的能量很少， 碰撞前后光子能量幾乎不變，故在散射光中仍然保留有波長(zhǎng)?0的成分。,因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。,,康普頓效應(yīng)的定量分析,,（1）碰撞前,（2）碰撞后,（3）動(dòng)量守恒,光子在自由電子上的散

18、射,由能量守恒:,由動(dòng)量守恒:,能量守恒:,動(dòng)量守恒:,最后得到：,康普頓散射 公式,此式說(shuō)明：波長(zhǎng)改變與散射物質(zhì)無(wú)關(guān)，僅決定于散射角；波長(zhǎng)改變隨散射角增大而增加。,由能量守恒:,由動(dòng)量守恒:,電子的康普頓波長(zhǎng),其值為,Å,我國(guó)物理學(xué)家吳有訓(xùn)在與康普頓共同研究中還發(fā)現(xiàn)：,隨著原子序數(shù)的增加，波長(zhǎng)不變的散度增加，而波長(zhǎng)改變的散射強(qiáng)度減少．這是因?yàn)楫?dāng)原子序數(shù)增加時(shí)，內(nèi)層電子數(shù)相對(duì)增加，而外層電子數(shù)相對(duì)減少,思

19、考題：波長(zhǎng)為0.05nm的X射線與自由電子碰撞，在與入射線60°方向觀察散射的X射線，求（1）散射X射線的波長(zhǎng)；（2）反沖電子的動(dòng)能。,解：,（1） 由康普頓效應(yīng)公式得,故散射X射線的波長(zhǎng)為,（2） 由能量守恒，反沖電子的動(dòng)能為,12-4 氫原子的玻爾理論,一、氫原子光譜的規(guī)律性,譜線是線狀分立的,光譜公式,R=4/B 里德伯常數(shù) 1.0967758×107m-1,巴耳末公式,廣義巴耳末公式,（1）氫原子

20、光譜是分立的線狀光譜，各條譜線具有確定的波長(zhǎng)；（2）每一譜線的波數(shù)可用兩個(gè)光譜項(xiàng)之差表示；（3）前項(xiàng)保持定值，后項(xiàng)改變，就給出同一譜線系的各條譜線的波長(zhǎng)。,(4 ) 改變前項(xiàng),就給出不同的譜系。,n>k=1,2,3,..,結(jié)論:,氫原子光譜規(guī)律如下：,原子不再是物質(zhì)組成的最小單位,二、 經(jīng)典原子模型的困難,1.盧瑟福原子模型,2.經(jīng)典理論的困難,注意：經(jīng)典理論解釋不了H原子光譜,按1911年盧瑟福提出的原子的行星模型--

21、電子繞原子核（10-12m）高速旋轉(zhuǎn),對(duì)此經(jīng)典物理勢(shì)必得出如下結(jié)論：,1）原子是”短命“的,,,,,,,電子繞核運(yùn)動(dòng)是加速運(yùn)動(dòng)必向外輻射能量，電子軌道半徑越來(lái)越小，直到掉到原子核與正電荷中和，這個(gè)過(guò)程時(shí)間<10-10秒，因此不可能有穩(wěn)定的原子存在。,2）原子光譜是連續(xù)光譜,因電磁波頻率?? r-3/2，半徑的連續(xù)變化，必導(dǎo)致產(chǎn)生連續(xù)光譜。,三、 玻爾的氫原子理論,玻爾理論的基本假設(shè),1、定態(tài)假設(shè),原子系統(tǒng)存在一系列不連續(xù)的能

22、量狀態(tài)，處于這些狀態(tài)的原子中的電子只能在一定的軌道上繞核作圓周運(yùn)動(dòng)，不輻射能量也不吸收能量。這些狀態(tài)為原子的穩(wěn)定狀態(tài)，簡(jiǎn)稱定態(tài)，相應(yīng)的能量只能是不連續(xù)的值 E1、E2、E3...。,,2、頻率假設(shè),,當(dāng)原子從一個(gè)較大的能量En的穩(wěn)定狀態(tài)躍遷到另一較低能量Ek的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，原子輻射一個(gè)光子，光子的頻率：,反之，當(dāng)原子在較低能量Ek的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，吸收了一個(gè)能量為h?的光子，則可躍遷到較大能量En的穩(wěn)定狀態(tài)。,,,3、軌道角動(dòng)量量子化假設(shè),其

23、中n為正整數(shù)，稱為軌道量子數(shù)。,,原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)的軌道角動(dòng)量只能取h/2?的整數(shù)。,（1）電子軌道半徑的量子化,,n=1、2、3、4…...,結(jié)論：電子軌道是量子化的。,玻爾氫原子理論,,n=1、2、3、4…...,注意：?n=1的軌道r1稱為玻爾半徑。,?量子數(shù)為n的軌道半徑,,,,(2) 能量量子化和原子能級(jí),n=1、2、3、4…,結(jié)論：能量是量子化的。,注意：這種不連續(xù)的能量稱為能級(jí),?n=1,n >1 的各定態(tài)稱為受

24、激態(tài)。,當(dāng)n =1時(shí)為氫原子的最低能級(jí)，稱為基態(tài)能級(jí)。,，稱為電離態(tài),氫原子從基態(tài)變成電離態(tài)所需的氫原子的電離能為：,當(dāng)n=1時(shí)，稱為基態(tài),（3）導(dǎo)出里德伯常數(shù),將En代入頻率條件,,與里德伯公式對(duì)照：,計(jì)算值：,,里德伯常數(shù),,實(shí)驗(yàn)值：,,玻爾理論的成功與局限,成功：解釋 了H光譜，爾后有人推廣到類H原子（ ）也獲得成功（只要將電量換成Ze（Z為原序數(shù)）。他的定態(tài)躍 遷的思想至

25、今仍是正確的。并且它是導(dǎo)致新理論的跳板。1922年獲諾貝爾獎(jiǎng)。,局限：只能解釋H及類H原子，也解釋不了原子 的精細(xì)結(jié)構(gòu)。,原因：它是半經(jīng)典半量子理論的產(chǎn)物。還應(yīng)用了 經(jīng)典物理的軌道和坐標(biāo)的概念.,1. 把電子看作是一經(jīng)典粒子，推導(dǎo)中應(yīng)用了牛頓定律，使用了軌道的概念， 所以玻爾理論不是徹底的量子論。,2 .角動(dòng)量量子化的假設(shè)以及電子在穩(wěn)定軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)不輻射電磁波的是十分生硬的。,3. 不

26、能預(yù)言光譜線的強(qiáng)度。,他是盧瑟福的學(xué)生，在其影響下具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，勤奮好學(xué)，平易近人，后來(lái)很多的科學(xué)家都紛紛來(lái)到他身邊工作。當(dāng)有人問(wèn)他，為什么能吸引那么多科學(xué)家來(lái)到他身邊工作時(shí)，他回答說(shuō)：“因?yàn)槲也慌略谇嗄昝媲氨┞蹲砸训挠薮馈?。這種坦率和實(shí)事求是的態(tài)度是使當(dāng)時(shí)他領(lǐng)導(dǎo)的哥本哈根理論研究所永遠(yuǎn)充滿活力，興旺發(fā)達(dá)的原因。愛(ài)因斯坦評(píng)價(jià)說(shuō)：“作為一個(gè)科學(xué)的思想家玻爾具有那么驚人的吸引力；在于他具有大膽和謙遜兩種品德難得的結(jié)合”,玻爾其人：,例

27、：試計(jì)算氫原子中巴耳末系的最短波長(zhǎng)和最長(zhǎng)波長(zhǎng)各是多少？,解：,根據(jù)巴耳末系的波長(zhǎng)公式，其最長(zhǎng)波長(zhǎng)應(yīng)是n=3?n=2躍遷的光子，即,最短波長(zhǎng)應(yīng)是n=??n=2躍遷的光子，即,例：（1）將一個(gè)氫原子從基態(tài)激發(fā)到n=4的激發(fā)態(tài)需要多少能量？（2）處于n=4的激發(fā)態(tài)的氫原子可發(fā)出多少條譜線？其中多少條可見(jiàn)光譜線，其光波波長(zhǎng)各多少？,解：,（1）使一個(gè)氫原子從基態(tài)激發(fā)到n=4 激發(fā)態(tài)需提供能量為,（2）在某一瞬時(shí)，一個(gè)氫原子只能發(fā)射與某一譜線相應(yīng)

28、的一定頻率的一個(gè)光子，在一段時(shí)間內(nèi)可以發(fā)出的譜線躍遷如圖所示，共有6條譜線。,,,,,,,,,,,由圖可知，可見(jiàn)光的譜線為n=4和n=3躍遷到n=2的兩條，輻射出光子相應(yīng)的波數(shù)和波長(zhǎng)為：,12-5 德布羅意波 實(shí)物粒子的波粒二象性,一、德布羅意假設(shè),德布羅意提出了物質(zhì)波的假設(shè)： 一切實(shí)物粒子(如電子、質(zhì)子、中子)都與光子一樣,具有波粒二象性。,運(yùn)動(dòng)的實(shí)物粒子的能量E、動(dòng)量p與它相關(guān)聯(lián)的波的頻率? 和波長(zhǎng)?之間滿足如下

29、關(guān)系：,德布羅意公式(或假設(shè)),與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(或物質(zhì)波),例1 一質(zhì)量m0=0.05kg的子彈，v=300m/s，求 其物質(zhì)波的波長(zhǎng)。,解：,即4.4?10-24Å,代入h、e、m0值：,,解：,例2 一原靜止的電子被電場(chǎng)加速到速度v（v??c），加速電壓為U，則速度為v的電子的De Bröglie波波長(zhǎng)為多大？,L.V.德布羅意 電子波動(dòng)性的理論研究,1929諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

30、,二、德布羅意波的實(shí)驗(yàn)證明(電子衍射實(shí)驗(yàn)),1927年戴維孫和革末用加速后的電子投射到晶體上進(jìn)行電子衍射實(shí)驗(yàn)。,衍射最大值：,電子的波長(zhǎng)：,一切微觀粒子都具有波粒二象性。,實(shí)驗(yàn)表明電流極大值正好滿足此式,1927 年湯姆遜（G·P·Thomson）以600伏慢電子（?=0.5Å）射向鋁箔，也得到了像X射線衍射一樣的衍射，再次發(fā)現(xiàn)了電子的波動(dòng)性。,1937年戴維遜與GP湯姆遜共獲當(dāng)年諾貝爾獎(jiǎng),（G

31、3;P·Thomson為電子發(fā)現(xiàn)人J·J·Thmson的兒子）,爾后又發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子、中子的衍射,C.J.戴維孫 通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)電子的衍射作用,1937諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),三、德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋,1926年，德國(guó)物理學(xué)家玻恩 (Born , 1882--1972) 提出了概率波，認(rèn)為個(gè)別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性，但是大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。,M.玻恩 對(duì)量子力學(xué)的基礎(chǔ)

32、研究，特別是量子力學(xué)中波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋,1954諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),微觀粒子的空間位置要由概率波來(lái)描述，概率波只能給出粒子在各處出現(xiàn)的概率。任意時(shí)刻不具有確定的位置和確定的動(dòng)量。,12-6 不確定關(guān)系(Uncertainty Relation),電子具有波粒二象性，也可產(chǎn)生類似波的單縫衍射的圖樣，若電子波長(zhǎng)為?，則讓電子進(jìn)行單縫衍射則應(yīng)滿足：,明紋,暗紋,1)位置的不確定程度,用單縫來(lái)確定電子在穿過(guò)單縫時(shí)的位置,電子在單縫的何處

33、通過(guò)是不確定的!只知是在寬為a的的縫中通過(guò).,我們來(lái)研究電子在單縫隙位置的位置和動(dòng)量的不確定程度,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2)單縫處電子的動(dòng)量的不確定程度,先強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：電子衍射是電子自身的波粒二象性結(jié)果，不能歸于外部的原因，即不是外界作用的結(jié)果。,如有人認(rèn)為衍射是電子與單縫的作用，即電子與單縫材料中的原子碰撞的結(jié)果，碰撞后電子的動(dòng)量大小與方向均發(fā)

34、生改變，但實(shí)驗(yàn)告訴我們衍射的花樣與單縫材料無(wú)關(guān)，只決定于電子的波長(zhǎng)與縫寬a，可見(jiàn)不能歸結(jié)于外部作用。,顯然，電子通過(guò)單縫不與單縫材料作用，因此通過(guò)單縫后，其動(dòng)量大小p不變。但不同的電子要到達(dá)屏上不同的點(diǎn)。故各電子的動(dòng)量方向有不同。,單縫處，衍射角為θ的電子在X軸上存在動(dòng)量的分量,,,,,,,,,,,pa,pb,pd,pe,pc,其衍射角分別為：,即處在單縫處電子動(dòng)量在X軸上的分量有不確定值,···

35、3;··,,,X,X方向電子的位置不確定量為：,電子大部分都到達(dá)中央明紋處.,研究正負(fù)一級(jí)暗紋間的電子。這部分電子在單縫處的動(dòng)量在X軸上的分量值為：,為一級(jí)暗紋的衍射角,,由單縫暗紋條件：,,為一級(jí)暗紋的衍射角,到達(dá)正負(fù)一級(jí)暗紋間的電子在單縫處的動(dòng)量在X軸上的分量的不確定量為,考慮到在兩個(gè)一級(jí)極小值之外還有電子出現(xiàn)，所以：,經(jīng)嚴(yán)格證明此式應(yīng)為：,這就是著名的海森伯不確定關(guān)系式,設(shè)有一個(gè)動(dòng)量為p，質(zhì)量為m的粒子，能量

36、,考慮到E的增量：,能量與時(shí)間不確定關(guān)系式,即：,,,能量與時(shí)間不確定關(guān)系,不確定關(guān)系式的理解,1. 用經(jīng)典物理學(xué)量——?jiǎng)恿?、坐?biāo)來(lái)描寫微觀粒子行為時(shí)將會(huì)受到一定的限制 。,3. 不確定關(guān)系指出了使用經(jīng)典物理理論的限度.,2. 不確定關(guān)系是微觀粒子波粒二象性所決定的，不能理解為儀器的精度達(dá)不到。,W.海森堡 創(chuàng)立量子力學(xué)，并導(dǎo)致氫的同素異形的發(fā)現(xiàn),1932諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),,,,所以坐標(biāo)及動(dòng)量可以同時(shí)確定,1. 宏觀粒子的動(dòng)量及坐標(biāo)

37、能否同時(shí)確定？,電子的動(dòng)量是不確定的，應(yīng)該用量子力學(xué)來(lái)處理。,2. 微觀粒子的動(dòng)量及坐標(biāo)是否永遠(yuǎn)不能同時(shí)確定？,例3 電子射線管中的電子束中的電子速度一般為 105m/s，設(shè)測(cè)得速度的精度為1/10000，即 ?v=10m/s，求電子位置的不確定量。,解：,可以用位置、動(dòng)量描述,,結(jié)論：能否用經(jīng)典方法來(lái)描述某一問(wèn)題，關(guān)鍵在于由不確定關(guān)系所加限制能否被忽略。,單色平面簡(jiǎn)諧波波動(dòng)方程,1 、波函數(shù),描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的概率波的數(shù)學(xué)

38、式子,12-7 薛定諤方程,一、波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋,自由粒子的物質(zhì)波波函數(shù),2 、概率密度,,波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)詮釋（波恩Born）,,,,,?代表什么？看電子的單縫衍射：,1）大量電子的一次性行為：,極大值,極小值,中間值,較多電子到達(dá),較少電子到達(dá),介于二者之間,波強(qiáng)度大，,大,小,波強(qiáng)度小，,波強(qiáng)介于二者之間,粒子的觀點(diǎn),波動(dòng)的觀點(diǎn),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2）一個(gè)

39、粒子多次重復(fù)性行為,極大值,極小值,中間值,較多電子到達(dá),較少電子到達(dá),介于二者之間,波強(qiáng)度大，,大,小,波強(qiáng)度小，,波強(qiáng)介于二者之間,粒子的觀點(diǎn),波動(dòng)的觀點(diǎn),,則波函數(shù)模的平方表征了t 時(shí)刻，在空間(x,y,z)處出現(xiàn)粒子的概率密度,通常比例系數(shù)取1:,,物質(zhì)波與經(jīng)典波的本質(zhì)區(qū)別,經(jīng)典波的波函數(shù)是實(shí)數(shù)，具有物理意義，可測(cè)量。,可測(cè)量，具有物理意義,1)物質(zhì)波是復(fù)函數(shù)，本身無(wú)具體的物理意義， 一般是不可測(cè)量的。,2)物質(zhì)波是概

40、率波。,等價(jià),對(duì)于經(jīng)典波,,3 、波函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化條件與歸一化條件,1）波函數(shù)具有有限性,在空間是有限函數(shù),2）波函數(shù)是連續(xù)的,3）波函數(shù)是單值的,粒子在空間出現(xiàn)的幾率只可能是一個(gè)值,4）滿足歸一化條件,,（歸一化條件）,因?yàn)榱Ｗ釉谌臻g出現(xiàn)是必然事件,（Narmulisation）,波函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件：?jiǎn)沃?、有限和連續(xù),微觀粒子遵循的是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而不是經(jīng)典的 決定性規(guī)律。,牛頓說(shuō)：只要給出了初始條件，下一時(shí)刻粒

41、 子的軌跡是已知的，決定性的。,量子力學(xué)說(shuō)：波函數(shù)不給出粒子在什么時(shí)刻一定到達(dá)某點(diǎn)，只給出到達(dá)各點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分布；即只知道|?|2大的地方粒子出現(xiàn)的可能性大，|?|2小的地方幾率小。一個(gè)粒子下一時(shí)刻出現(xiàn)在什么地方，走什么路徑是不知道的（非決定性的）,解：利用歸一化條件,例：求波函數(shù)歸一化常數(shù)和概率密度。,這就是一維自由粒子（含時(shí)間）薛定諤方程,對(duì)于非相對(duì)論粒子,一維自由粒子的波函數(shù),1、薛定諤方程,二、薛定諤方程,在外力場(chǎng)中粒子的總能

42、量為：,一維薛定諤方程,三維薛定諤方程,拉普拉斯算符,哈密頓量算符,薛定諤方程,如勢(shì)能函數(shù)不是時(shí)間的函數(shù),代入薛定諤方程得：,用分離變量法將波函數(shù)寫為：,2、定態(tài)薛定諤方程,粒子在空間出現(xiàn)的幾率密度,幾率密度與時(shí)間無(wú)關(guān)，波函數(shù)描述的是定態(tài),定態(tài)薛定諤方程,粒子在一維勢(shì)場(chǎng)中,E.薛定諤 量子力學(xué)的廣泛發(fā)展,1933諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),質(zhì)量為m的粒子在外力場(chǎng)中作一維運(yùn)動(dòng),勢(shì)能函數(shù)為：,當(dāng) x a 時(shí)，,三、一維無(wú)限深勢(shì)阱,方程的通解為：,由

43、邊界條件,粒子的能量,一維無(wú)限深勢(shì)阱中的粒子,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,四、一維勢(shì)壘、隧道效應(yīng),一維方勢(shì)壘是指粒子受到勢(shì)能為,的作用，稱為一維方勢(shì)壘。,入射波,反射波,透射波,透射系數(shù),當(dāng)U0 -E=5eV 時(shí)，勢(shì)壘的寬度約50nm 以上時(shí)，透射系數(shù)會(huì)小六個(gè)數(shù)量級(jí)以上。隧道效應(yīng)在實(shí)際上已經(jīng)沒(méi)有意義了。量子概念過(guò)渡到經(jīng)典了。,掃描隧道顯微鏡STM (Scanning tunneling mi

44、croscopy),原理： 電子穿過(guò)金屬表面的勢(shì)壘形成隧道電流,隧道電流I與樣品和針尖間距離a的關(guān)系,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,樣品表面,隧道電流,掃描探針,,,,計(jì)算機(jī),,放大器,,,樣品,探針,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),,,,,顯示器,掃描隧道顯微鏡示意圖,48個(gè)Fe原子形成“量子圍欄”，圍欄中的電子形成駐波.,12-8 氫原子的量子理論,氫原子由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成，質(zhì)子質(zhì)量是電子質(zhì)量的1837倍，可近似

45、認(rèn)為質(zhì)子靜止，電子受質(zhì)子庫(kù)侖電場(chǎng)作用而繞核運(yùn)動(dòng)。,電子勢(shì)能函數(shù),電子的定態(tài)薛定諤方程為,一、氫原子的薛定諤方程,二、氫原子的量子化特征：,1 主量子數(shù)n,主量子數(shù)決定著氫原子的能量，E與n的依賴關(guān)系與波爾理論相同。,2 角量子數(shù)l,角動(dòng)量有確定值，為,角動(dòng)量是量子化的，叫軌道角動(dòng)量。習(xí)慣用小寫字母表示電子具有某一軌道角動(dòng)量的量子態(tài)，,3 磁量子數(shù)ml,不但具有確定的能量和角動(dòng)量的大小，而且具有確定的Lz(角動(dòng)量在軸方向的分量),角

46、動(dòng)量的分量也只能取分立值。,4 電子自旋,自旋量子數(shù),1921年，斯特恩（O.Stern）和蓋拉赫（W.Gerlach）發(fā)現(xiàn)一些處于S 態(tài)的原子射線束，在非均勻磁場(chǎng)中一束分為兩束。,1925年，烏侖貝克 ( G.E.Uhlenbeck )和高德斯密特(S.A.Goudsmit)提出： 除軌道運(yùn)動(dòng)外，電子還存在一種自旋運(yùn)動(dòng)。 電子具有自旋角動(dòng)量和相應(yīng)的自旋磁矩。,自旋角動(dòng)量,自旋角動(dòng)量的空間取向是量子化的，在外磁場(chǎng)方向

47、投影,電子自旋及空間量子化,“自旋”不是宏觀物體的“自轉(zhuǎn)”只能說(shuō)電子自旋是電子的一種內(nèi)部運(yùn)動(dòng),三、 多電子原子系統(tǒng),多電子的原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用(n ,l ,ml ,,ms)四個(gè)量子數(shù)表征：,（1）主量子數(shù)n，可取n=1,2,3,4,… 決定原子中電子能量的主要部分。,（2）角量子數(shù)l，可取l=0,1,2,…(n-1) 確定電子軌道角動(dòng)量的值。,nl表示電子態(tài),如 1s 2p,（3）磁量

48、子數(shù)ml，可取ml=0,± 1 ,± 2,…±l 決定電子軌道角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向的分量。,（4）自旋磁量子數(shù)ms，只取ms= ±1/2 確定電子自旋角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向的分量。,“原子內(nèi)電子按一定殼層排列”主量子數(shù)n相同的電子組成一個(gè)主殼層。n=1,2,3,4,…,的殼層依次叫K,L,M,N,…殼層。每一殼層上，對(duì)應(yīng)l=0,1,2,3,…可分成s,p,

49、d,f…分殼層。,（1）泡利(W.Pauli)不相容原理,在同一原子中，不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的四個(gè)量子數(shù)（即處于完全相同的狀態(tài)）。,各殼層所可能有的最多電子數(shù):,當(dāng)n給定，l 的可取值為0,1,2,…,n-1共n個(gè);,當(dāng)l給定，ml的可取值為0,±1,±2,…,±l共2l+1個(gè);,當(dāng)n,l,ml 給定，ms的可取值為±1/2共2個(gè).,給定主量子數(shù)為n的殼層上，可能有的最多電子數(shù)