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大学物理 近代物理基础 量子物理(极力推荐)PPT课件_图文

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第一章 量子物理基础 引言 量子理论的诞生 §1 黑体辐射和普朗克的能量子假说 一. 基本概念 1. 热辐射 定义 分子的热运动使物体辐射电磁波 基本性质 温度 发射的能量 电磁波 的短波成分 例如:加热铁块 平衡热辐射 物体辐射的能量等于在同 一时间内所吸收的能量 . 2. 辐射能量按波长的分布—单色辐出度M 单位时间内从物体单位表面发出的波长在 附近单位波长间隔内的电磁波的能量。 3. 总辐出度 M(T) M(T)M(T)d 0 二. 黑体和黑体辐射的基本规律 1. 黑体 能完全吸收各种波长电磁波而无反射的 物体M 最大且只与温度有关而和材料 及表面状态无关 . 2. 维恩设计的黑体 3. 斯特藩-玻耳兹曼定律 M(T)=T 4 = 5.6710-8 W/m2K4 4.维恩位移律 m = b/T b = 2.897756×10-3 m·K 5.理论与实验的对比 三. 经典物理学遇到的困难 . 四. 普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 1.“振子”的概念(1900年以前) ? 物体----------振子 ? 经典理论:振子的能量取“连续值” 2. 普朗克假定(1900) 能量 物体发射或吸收电磁辐射: = h h = 6.6260755×10 -34 J·s 3. 普朗克公式 经典 量子 M T2c5 2heh/c 1kT 1 在全波段与实验结果惊人符合 . §2 光电效应和爱因斯坦的光量子论 一. 光电效应的实验规律 1.光电效应 光电效应 光电子 2.实验装置 . 3. 实验规律 ? Uc= K - U0 Uc(V) 2.0 与入射光强无关 Cs Na C a 光电子的最大初动能为 1.0 0.0 ecU eK U 0 4.0 6.0 8.0 10.0 (1014Hz) ? 只有当入射光频率 v大于一定的频率v0时, 才会产生光电效应 e(K U 0)K e U K 0 Ke 0 0 称为截止频率或红限频率 . ? 光电效应是瞬时发生的 驰豫时间不超过10-9s ·饱和光电流强度 im 与入射光强 I成正比 im 2 im 1 -U c . 二.经典物理学所遇到的困难 按照光的经典电磁理论: ? 光波的强度与频率无关,电子吸收的能 量也与频率无关,更不存在截止频率! ? 光波的能量分布在波面上,阴极电子积 累能量克服逸出功需要一段时间,光电 效应不可能瞬时发生! 三.爱因斯坦的光量子论 1.普朗克假定是不协调的 只涉及发射或吸收,未涉及辐射在空间的传播。 . 2.爱因斯坦光量子假设(1905) ? 电磁辐射由以光速c运动的局限于空间某 一小范围的光量子(光子)组成, = h ? 光量子具有“整体性” 3. 对光电效应的解释 1 2mum 2 h A 当 <A/h时,不发生光电效应。 红限频率 0 A h 四.光电效应的意义 . §3 光的波粒二象性 康普顿散射 一.光的波粒二象性 1. 近代认为光具有波粒二象性 · 在有些情况下,光突出显示出波动性; 而在另一些情况下,则突出显示出粒子性。 ·粒子不是经典粒子, 波也不是经典波 2. 基本关系式 粒子性:能量 ,动量P 波动性:波长 ,频率 h p h n . 二 . 康普顿散射 1. 康普顿研究X射线在石墨上的散射 2. 实验规律 准直系统 0 h (1cos) 入射光 0 m0c 石墨 散射体 λc h m0c 0.0242 6?3 散射光 器探 测 电子的Compton波长 3. 康普顿效应的特点 . 三 . 康普顿效应验证了光的量子性 1. 经典电磁理论的困难 2. 康普顿的解释 ? X射线光子与“静止”的“自由电子”弹性 碰 ? 碰撞撞过程中能量与动量守恒 h n hh0 n 0 0 mh0cn2mhvmc2 e 波长偏移0m h 0c(1co)s c m h c 0 n0 3. 康普顿散射实验的意义 . §4 实物粒子的波动性 光(波)具有粒子性 实物粒子具有波动性 一. 德布罗意假设 实物粒子具有波动性。并且 h , phn 与粒子相联系的波称为概率波 或德布罗意波 . 二.实验验证 ? 电子通过金多晶薄膜的衍射实验 (汤姆逊1927) ? 电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验 (约恩逊1961) . 例题1:m=0.01kg,v=300m/s的子弹 h pm h 6 .0 6 .0 3 1 1 3 0 3 0 4 0 2 .2 1 1 3 0m 4 h极其微小 宏观物体的波长小得实验 难以测量 “宏观物体只表现出粒子性” ? 对波粒二象性的理解 (1) 粒子性 ? “原子性”或“整体性” ? 不是经典的粒子,抛弃了“轨道”概 念 . (2) 波动性 ? “弥散性”“可叠加性”“干涉”“衍 射 ? 具”有“频偏率振”和波矢 ? 不是经典的波 不代表实在的物理量的波动 . 三.波函数和概率波 1.玻恩假定 (r ,t) 概率振幅 (r ,t)2 * (r ,t) (r ,t) 概率 2.自由粒子平面波波函数 z 经典的平面波为 ei(k0rt) 波面 由图 利用 ei(krt) ,p k k r0 p r x y 得 i (pr t) (r,t)A e . (r,t)A ie(prt) , (r,t)2常数 在空间各点发现自由粒子的概率相同 3. 用电子双缝衍射实验说明概率波的含义 (1)入射强电子流 (2)入射弱电子流 ? 概率波的干涉结果 4. 波函数满足的条件 ? 自然条件:单值、有限和连续 ? 归一化条件 r,t2dV1 (全空间 ) . 例题3:将波函数 归一化



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