學(xué)到量子力學(xué)過渡時期的三個重.ppt

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量 子 力 學(xué)基 礎(chǔ),,? 從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過渡時期的三個重大問題的提出,第十八章 量子力學(xué)基礎(chǔ),18-1 從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理概述,? 提綱,? 物理學(xué)的分支及近年來發(fā)展的總趨勢,18-2 熱輻射 普朗克能量子假說,? 熱輻射,??斯忒藩Stefan)?-玻耳茲曼定律,??維恩位移定律,? 絕對黑體的熱輻射規(guī)律,? 經(jīng)典物理遇到的困難,? 普朗克能量子假說,18-3 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng),? 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律及經(jīng)典理論的困難,? 愛因斯坦的光子學(xué)說,??光子的能量、動量和質(zhì)量,作業(yè):18-3,18-7,18-14,,18-1 從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理概述,? 物理學(xué)的分支及近年來發(fā)展的總趨勢,,近年來的發(fā)展：,* 粒子物理 高能加速器產(chǎn)生新粒子，已發(fā)現(xiàn)300種。 麥克斯韋理論、狄拉克量子電動力學(xué)、重整化方法。,* 天體物理 運(yùn)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和理論對宇宙各種星球 進(jìn)行觀測和研究，從而得出相應(yīng)的天文規(guī)律的學(xué)科。應(yīng) 用經(jīng)典、量子、廣義相對論、等離子體物理和粒子物理。,** 太陽中微子短缺問題,** 引力波存在的問題,** 物體的速度能否超過光速的問題,* 生物物理有機(jī)體遺傳程序的研究,** 有機(jī)體遺傳程序的研究（須運(yùn)用量子力學(xué)、統(tǒng)計 物理、X射線、電子能譜 和核磁共振技術(shù)等）。,** 非平衡熱力學(xué)及統(tǒng)計物理,,物理學(xué)發(fā)展的總趨向：,* 學(xué)科之間的大綜合。,* 相互滲透結(jié)合成邊緣學(xué)科。,生物物理、生物化學(xué)、物理化學(xué)、量子化學(xué) 量子電子學(xué)、量子統(tǒng)計力學(xué)、固體量子論。,二十世紀(jì)物理學(xué)中兩個重要的概念：場和對稱性,? 從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過渡時期的三個重大問題的提出,?? 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)。,?? 黑體輻射問題，即所謂“紫外災(zāi)難”。,?? 原子的穩(wěn)定性和大小。,,18-2 熱輻射 普朗克能量子假說,實(shí)驗(yàn)表明：一切物體是以電磁波的形式向外輻射能量。,輻射的能量與溫度有關(guān)，稱之為熱輻射。,輻射和吸收的能量恰相等時稱為熱平衡。此時溫度恒定不變。,單色輻出度,單位時間、單位表面積、 上所輻射出的，單位波長 間隔中的能量。,輻射出射度,單位時間、單位表面積、 上所輻射出的各種波長 電磁波的能量。,,吸收比,反射比,? 絕對黑體的熱輻射規(guī)律,對于任意溫度、或波長，絕對黑體的吸收比都恒為1,用不透明材料制成一空心容器， 壁上開一小孔，可看成絕對黑體,對于非透明物體,,基爾霍夫定律：,這一普適函數(shù)就是絕對黑體的單色輻出度M0(?,T),絕對黑體的輻射出射度,在熱平衡下，任何物體的單色輻出度 與吸收比之比，是個普適函數(shù)。,,,?? 斯忒藩(Stefan)?-玻耳茲曼定律,??維恩位移定律,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)絕對黑體的 溫度升高時，單色輻出度 最大值?m 向短波方向移動。,,? 經(jīng)典物理遇到的困難,?? 瑞利和瓊斯用 能量均分定理 電磁理論得出：,只適于長波，有所謂的 “紫外災(zāi)難”。,?? 維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出：,,? 普朗克能量子假說,* 輻射物體中包含大量諧振子的能量是取特定的分立值,* 存在著能量的最小單元（能量子?=h?); h=6.626?10-34焦耳。,* 振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量,從理論上推出：,分別是玻爾茲曼常數(shù)和光速。,普朗克假說不僅圓滿地解釋了絕對黑體的輻射問題， 還解釋了固體的比熱問題等等。它成為現(xiàn)代理論的 重要組成部分。,,? 普朗克能量子假說,普朗克的理論結(jié)果,,18-3 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng),? 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律及經(jīng)典理論的困難,??飽和光電流強(qiáng)度與 入射光強(qiáng)度成正比。,或者說：單位時間內(nèi)從 金屬表面逸出的光電子 數(shù)目與入射光強(qiáng)成正比,相同頻率，不同入射光強(qiáng)度,但實(shí)際不一定!,,相同入射光強(qiáng)度，不同頻率,?? 光電子的初動能與入射光強(qiáng)度 無關(guān)，而與入射光的頻率有關(guān)。,截止電壓的大小反映 光電子初動能的大小,截止電壓與入射光頻率有線性關(guān)系,,?? 光電效應(yīng)具有瞬時性，或說響應(yīng)速度很快，10-9秒。,第三個實(shí)驗(yàn)事實(shí)：,* 經(jīng)典認(rèn)為光強(qiáng)越大，飽和電流應(yīng)該大，光電子的 初動能也該大。但實(shí)驗(yàn)上飽和電流不僅與光強(qiáng)有 關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動能也與頻率有關(guān)。,經(jīng)典理論的困難：,* 只要頻率高于紅限，既使光強(qiáng)很弱也有光電流； 頻率低于紅限時，無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。 而經(jīng)典認(rèn)為有無光電效應(yīng)不應(yīng)與頻率有關(guān)。,* 瞬時性。經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收 能量要時間，即需能量的積累過程。,,? 愛因斯坦的光子學(xué)說,愛因斯坦在能量子假說 的基礎(chǔ)上提出光子理論：,認(rèn)為光不僅在與物質(zhì)相互 作用時（發(fā)射和吸收）， 具有粒子性，而且在傳播 過程中也有粒子性。,一個頻率為 的光子具有能量,它的能流密度： 不僅取決于單位 面積上的光子數(shù) n ，還決定于頻率。,由能量守恒可得出： 一個電子逸出金屬表面后的最大動能：,只與金屬性質(zhì)有關(guān) 與光的頻率無關(guān)。 A 稱為逸出功。,由此，可解釋飽和光電流強(qiáng)度 與光強(qiáng)成正比；可以解釋截止 電壓與頻率成線性關(guān)系以及紅 限頻率的存在。,,??光子的能量、動量和質(zhì)量,密立根1916年的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了光子論的正確性，并求得 h=6.57?10-34 焦耳?秒。光的波動性（p） 和粒子性（?） 是通過普朗克常數(shù)聯(lián)系在一起的。,相對論質(zhì)能關(guān)系：,光子的質(zhì)量：,所以，光子的靜止質(zhì)量為零。,因?yàn)椋?光子的動量：,