大学物理 量子物理

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1、15.1量子物理学的诞生——普朗克能量子假设15.2光电效应爱因斯坦光子理论15.3康普顿效应15.4氢原子光谱玻尔的氢原子理论15.6波函数一维定态薛定谔方程第15章量子物理基础本章内容：15.5微观粒子的波粒二象性不确定关系15.7氢原子的量子力学描述四个量子数15.8原子的电子壳层结构1899年开尔文在欧洲科学家新年聚会的贺词中说：物理学晴朗的天空上，飘着几朵令人不安的乌云黑体辐射迈克尔逊—莫雷实验光电效应氢原子光谱康普顿效应背景知识如果谁在第一次学习量子概念时，不觉得糊涂，那末他就一点也没有懂。－丹麦物理学家尼尔斯.玻尔所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的

2、，它们使经典物理处于十分困难境地，为摆脱这种困境，有一些思想敏锐而又不受旧观念束缚的物理学家纷纷重新思考研究，在二十世纪初期，建立起了近代物理的两大支柱------量子论和相对论，并在量子论基础上又建立起以研究原子的结构、性质及其运动规律为目的的原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起原子核物理学和基本粒子物理学，这些内容统称为量子物理学。早期量子论量子力学相对论量子力学普朗克能量量子化假说爱因斯坦光子假说康普顿效应玻尔的氢原子理论德布罗意实物粒子波粒二象性薛定谔方程波恩的物质波统计解释海森伯的测不准关系狄拉克把量子力学与狭义相对论相结合§15.1量子物理学的诞生——

3、普朗克量子假设1、热辐射:由温度决定的物体的电磁辐射。15.1.1、热辐射入射反射透射吸收辐射物体辐射电磁波的同时也吸收电磁波，且辐射本领越大，吸收本领也越大。2、辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射称为平衡热辐射。3、单色辐出度—在一定温度T下，物体表面单位面积在单位时间内发射的波长在λ~λ+dλ范围内的辐射能dMλ与波长间隔dλ的比值，即4.辐出度------温度T时，物体单位面积、单位时间内辐射出的整个波长范围内能量。描述物体在一定温度下辐射本领大小的物理量。15.1.2、黑体、黑体辐射1、绝对黑体(黑体)：能够吸收全部外来辐射而完全不发生

4、反射和透射的物体。说明：煤烟约99%黑体模型：（1895年，维恩）带有小孔的空腔3）黑体的单色辐出度仅与温度和波长有关，与材料和表面情况无关。2）与同温度其它物体热辐射相比，黑体热辐射本领最强;1）黑体是个理想模型;2、黑体辐射规律实验中将开有小孔的空腔视为黑体，使其恒温，测量单色辐出度与波长之间的关系。实验发现，在相同的温度下，不同物质的黑体会发出相同的热辐射谱，单色辐出度是温度T的函数，与黑体材料无关。由空腔辐射体的单色辐出度与波长的关系曲线可知：2）每一条曲线都有一个极大值，与其对应的波长λm称为峰值波长。实验表明：温度越高，λm越小。1）给定温度下黑体的辐射谱

5、是连续谱，但不同频率的电磁波的辐射强度是不同的。λm3）温度越高辐出度，（曲线下面积）越大，辐射本领越强。斯忒藩—玻尔兹曼定律（1879，1884年）黑体的辐出度辐出度与黑体的热力学温度T的四次方成正比。含义：对于黑体，温度越高，辐出度越大，且随T增高而迅速增大。物理意义：当黑体的温度升高时，单色辐出度峰值波长向短波方向移动。维恩位移定律（1894年）λm在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。例：（1）温度为室温（20°C）的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？（2）辐出度是多少？解：（1）由维恩位移定律

6、（2）由斯特藩-玻耳兹曼定律3、黑体辐射规律经典理论的困难瑞利-金斯按照经典电磁场理论和经典统计物理进行计算，得到瑞利金斯线。如图瑞利金斯线维恩线实验曲线维恩按照经典电磁场理论和经典统计物理进行计算，得到维恩线。如图瑞利-金斯公式在长波部分符合得较好，当波长变短，辐出度趋于无穷大。这称为“紫外灾难”。理论与实验之间的不可调和性，给物理学界带来很大困难。怎样从理论上解释黑体能谱曲线是当时热辐射理论研究的根本问题。历史的回顾：1894年起，普朗克从热力学研究中转到黑体辐射问题上，他的目标是追求熵原理与电动力学的协调一致;1897~1899年,五篇报告总题目为“不可逆辐射过

7、程”-柏林科学院；维恩公式，他很快接受，并用更系统的方法推导之;1900年2月得知维恩公式有长波段偏差显著;1900.10.7，鲁本斯夫妇(实验物理学家）访问了普朗克，并告知一重要信息：瑞利公式在长波段与实验符合得很好，普朗克当天即用内插法获得新的辐射公式，是普朗克为了凑合实验数据而猜出来的;1900.12.14，普朗克在德国赫姆霍兹研究所召开的德国物理学会会议上宣读了一篇注定要永载史册的论文：《正常光谱中能量分布律的理论》;鲁本斯当晚进行了实验，证明普朗克的新公式同实验完全相符;鲁本斯深信普朗克公式与实验曲线的精确一致绝非巧合，在这个公式中一定孕育