大学物理-第十二章量子基础

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1、第十二章量子力学基础BasicConceptsAboutQuantumMechanics量子力学是二十世纪初诞生并发展起来的研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章之一，我们会看到物理大厦在狂风暴雨下轰然坍塌，却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。我们会看到最革命的思潮席卷大地，带来了让人惊骇的电闪雷鸣，同时却又展现出震撼人心的美丽。★迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。★1895年伦琴(W

2、ilhelmKonradRontgen)发现了X射线。★1896年贝克勒尔(AntoineHerniBecquerel)发现了铀元素的放射现象。★1897年居里夫妇(Marie&PierreCurie)研究了放射性，并发现了更多的放射性元素：钍、钋、镭。★1897年J.J.汤姆逊(JosephJohnThomson)在研究了阴极射线后认为它是一种带负电的粒子流—电子被发现。★1899年卢瑟福(ErnestRutherford)发现元素嬗变现象。★经典物理的无能为力—19世纪末MaxPlanckA.EinsteinHeisenbergN.BohrP.

3、A.M.DiracdeBroglieWolfgangPauliSchrodingerJ.J.Thomson量子力学和一些将永远闪耀着光辉的名字：量子力学的建立，是人类认识自然的进一步深化，它从发生发展到现在的一个世纪里，经历了无数事实的检验，是我们认识和改造自然的不可缺少的工具。量子力学所涉及的规律极为普遍，它已深入到物理学的各个领域，在化学、药学、生物学的研究中有着越来越广泛的应用。本章将对量子力学基本概念做简单介绍：1913年，玻尔在普朗克和爱因斯坦量子概念的基础上创造性地将量子概念应用到卢瑟福的原子模型，成功地解释了氢光谱。玻尔理论称为旧量子理论

4、。1923年，德布罗意提出“物质的波粒二象性”为薛定谔建立波动力学方程打下基础。1926年玻恩提出波函数的统计解释。1927年，海森伯提出了不确定原理…。新量子理论逐渐形成。量子理论应用举例。一、氢原子光谱的规律性光谱学是研究物质结构和组分的技术学科之一。处于聚集状态的物质，如灯泡中的灯丝或高压下的气体加热到白炽后其辐射光谱为连续谱。而灼热低压蒸气或气体中的原子或分子相隔甚远，相互作用弱，它们的发射谱是线状谱。第一节玻尔的氢原子结构理论氢原子光谱(Hydrogenspectrum)HHHH656.3nm486.1434.1410.2氢原子光谱可

5、见光区域内的一组光谱线。1885年，瑞士中学教师巴耳末(Balmer)发现了适合氢原子光谱一个线系的经验公式：氢原子光谱的规律性其中为波数，R称为里德伯常量(Rydbergconstant)，其实验值为R=1.0967758×107m-1，以瑞典数学家和物理学家里德伯名字命名。而这一组光谱线叫做巴耳末系。除此以外，在氢原子光谱的紫外和红外部分还有可表示为相同规律的莱曼(Lyman)系和帕邢(Paschen)系：而且后来还发现有相同规律的其它线系，如红外部分的布拉开(Brackett)系(k=4)和普丰德(Pfund)系(k=5)。氢原子的光谱系还可进一

6、步概括成简单公式：即氢原子光谱各线系的波数为两光谱项T(k)和T(n)之差(n≥k+1)。而且其它原子光谱也有相同的一些规律。原子发光，一定带有原子结构的信息。而上述光谱规律又如何解释呢，又带有了怎样的原子结构信息？当时关于原子结构的模型是由汤姆逊(J.J.Thomson)的“西瓜模型”发展而来的卢瑟福(EnerstRutherford)的核式模型。但卢瑟福的核式模型有致命缺陷：绕核运动的电子有加速度，根据经典理论它要不断地发射连续谱的能量；同时由于能量的丧失，轨道收缩而落向原子核，最后导致原子崩溃。其寿命不到10-8s，即这样的原子模型不可能是一个稳

7、定系统。原子结构模型1897年汤姆逊发现电子，1904年提出了原子的“西瓜模型”，也可叫做“果冻葡萄干”模型。占原子绝大部分质量的、带正电荷的“果冻”占据了原子的体积，带负电的电子犹如镶嵌其中的“葡萄干”。但这一模型无法解释卢瑟福散射——粒子的大角散射：(Alphaparticles=He++)卢瑟福核式模型1911年卢瑟福提出。原子的中心有一个带正电荷的核，它的质量几乎等于原子的全部质量，电子在它的周围沿着不同的轨道运转，就像行星环绕太阳运转一样。EnerstRutherford二、玻尔的氢原子理论N.Bohr1913年，丹麦物理学家玻尔（Niel

8、sBohr，1885—1962）在卢瑟福模型的基础上，抛弃了部分经典理论的概念，引入普朗克和爱