2早期的量子论观点 量子力学的建立.ppt

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1、§1-2早期的量子论观点一、普朗克量子论二、爱因斯坦的光量子论三、玻尔的量子论四、微观粒子的波粒二象性§1-2早期的量子论观点一、普朗克量子论普朗克公式全波段（频率）范围内与观测结果惊人符合必定蕴藏着一个非常重要，但尚未被揭示出来的科学原理每个“量子”的能量为普朗克量子假设1900年12月14日物体吸收或发射电磁波只能以“量子”（Quantum）的方式进行特点和意义能量不连续的概念与经典力学完全违背可以导出与观测极为符合的Planck公式相当长时间内未引起人们的重视为量子力学发展拉开了帷幕二、爱因斯

2、坦的光量子论每个光量子（光子）的能量光量子（光子）概念1905年辐射场就是由光量子组成光子动量和能量关系可以看出，Planck常数在微观现象中有着重要地位。能量和动量的量子化通过此常数表现出来。宏观现象能量和动量连续Planck常数在其中起重要作用的现象量子现象1．光电效应逸出电子的动能利用光子假设，爱因斯坦成功解决了光电效应问题。光照射到金属表面光子的能量可以立即被金属中的自由电子吸收只有入射光子的频率足够大（即能量足够大），才能克服金属表面的逸出功光子能量金属表面的逸出功金属的临界频率发生光电效

3、应的条件2．康普顿散射当X射线照射到晶体上时，散射光中有波长增加的成分。X射线的散射是单个光子和单个电子发生碰撞的结果。光子与电子碰撞后，把部分能量传给了电子，光子失去了部分能量，所以波长变长了。固体中自由电子热运动平均动能10-2eVX射线光子的能量104-105eV认为碰前电子静止光子与电子的碰撞满足能量和动量守恒。康普顿认为：现象原因康普顿波长理论结果和实验结果完全一致。康普顿效应说明：光子概念是正确性的微观领域中，能量及动量守恒定律依然成立与有关，这是经典物理无法理解的3．电子对湮没湮没后产

4、生两个光子，两个光子的动量大小相等，方向相反。即该过程满足能量守恒，即此结论与实验结果一致。电子对湮没正电子和负电子相遇时能够形成与氢原子相似的电子偶素，然后湮没。爱因斯坦与德拜进一步将能量不连续的概念应用于固体中原子的振动，成功地解决了低温下比热趋于0的现象。至此，Planck提出的能量不连续的概念才普遍引起物理学家的注意。于是人们开始用它来思考经典物理学碰到的其它重大疑难问题。其中最突出的就是关于原子结构与原子光谱的问题。三、玻尔的量子论1913年，玻尔原子能够、而且只能够稳定地存在于能量分立的

5、(……）一系列状态中。原子能量的任何变化，包括吸收或发射电磁辐射，都只能在两个定态之间以跃迁的方式进行。两个假定定态假设跃迁假设把原子辐射的频率与两个定态能量之差联系起来，抓住了原子光谱组合规则的本质玻尔的重要贡献光谱项最初，玻尔只考虑了电子的圆周轨道，即电子只具有一个自由度，提出了角动量量子化假设（条件）。作圆轨道运动的电子的角动量只能是的整数倍量子化假设根据以上假设，可以求出体系的分立能级。基态轨道半径（玻尔半径）基态电子的运动速率氢原子的基态能量考虑到原子核的运动，修正值里德伯常量实验结果符合

6、很好后来，索末菲将玻尔的量子化条件推广到多自由度体系的周期运动中去，提出了推广的量子化条件广义动量广义坐标量子数玻尔理论只能解决氢原子光谱的规律，对于更复杂的原子的光谱，就遇到很大困难。玻尔理论只能处理周期运动，而不能处理非束缚态（如散射）问题。从理论体系上讲，能量量子化等概念与经典力学是不相容的，多少带有人为的性质，它们的物理本质还不清楚。玻尔的量子论的意义首次打开了认识原子结构的大门，取得了很大成功。玻尔的量子论的局限性和存在的问题四、微观粒子的波粒二象性1．德布罗意假设（1）微观实物粒子也具有

7、波粒二象性。（2）自由粒子的能量和动量物质波假设1924年11月27日，德布罗意（3）物质波不是通常的波，它产生于任何运动的物体，能在真空中传播，因此它不是机械波，也不是电磁波。年老的物理学家对此嗤之以鼻，但三、四年后被实验证实。2．德布罗意波公式（平面波）能量和动量都是常量，所以频率和波长都不变（即平面波）。如果波沿单位矢量的方向传播，则自由粒子写成复数形式，有（德布罗意波公式）量子力学中描写自由粒子的平面波必须用复数形式而不用实数形式，原因在下一章说明。例1．质量为100g的一块石头以100cm

8、/s的速度飞行，其德布罗意波长是对于宏观物体，其物质波波长很小，很难显示波动性。例2．若用的150V电压加速电子，其德布罗意波长结论结论电子的德布罗意波长在数量上相当于晶体中的原子间距。观察到电子的衍射现象可以通过晶体来实现。3．实验验证电子衍射实验1927年美国物理学家戴维逊和革末用电子在晶体上做衍射实验证明了德布罗意波假设的正确性。电子的双缝衍射实验人们做了大量的实验，证实不仅是电子，而且质子、中子、原子、分子等微观粒子都具有波性。物质波的波长和粒子的动量由德布罗