大学物理学(下册)第15章量子物理基础

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1、第15章量子物理基础本章内容15.1量子理论的诞生15.2光的波粒二象性15.3实物粒子的波粒二象性15.4不确定关系15.5波函数薛定谔方程15.6一维无限深势阱和势垒15.7氢原子的量子力学简介15.8多电子原子中的电子分布量子物理简介：力学电磁学热学相对论量子论时间t关键概念的发展1600170018001900物理学经典物理现代物理力学热学电磁学光学相对论量子论非线性15.1量子理论的诞生一切物质中的原子、分子因热激发而向外辐射电磁波。实验证明,不同温度下物体能发出不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射。15.1.1黑体辐射1.热辐射现象物

2、体以电磁波的形式向外发射能量——辐射。物体向外辐射的能量——辐射能。由物体的温度所决定的辐射——热辐射。说明：任何物体在任何温度下都要辐射电磁波。热辐射具有：①温度特性；②频率特性。物体向外辐射能量，也会自外界吸收能量，如果单位时间内物体向外辐射的能量大于吸收的能量，则物体温度要降低，反之升高，若两者相等则温度不变，此时物体达到热辐射平衡。物体此时的辐射状态可用温度T来表示。2.热辐射平衡15.1.2黑体辐射规律1.辐射能温度为T的物体，在单位时间内，从单位面积上所辐射出的、在波长附近单位波长间隔内的能量。称为单色辐射出射度或单色辐出度。单位：T温度为T的物体，在单位时间内

3、，从单位面积上所辐射出的各种波长的电磁波的能量总和。称为辐射出射度或辐出度。单位：02468101221210468可见光区太阳钨丝太阳和钨丝的单色辐出度曲线2.斯特藩—玻尔兹曼定律①.该定律是斯特藩于1879年由实验发现的，1884年玻尔兹曼从经典热力学理论出发也导出同样的结论；②.该定律仅适用于黑体；③.σ称为斯特藩—玻尔兹曼恒量。黑体的辐出度与其绝对温度的四次方成正比，即：说明：3.维恩位移定律说明：该定律是从经典热力学得到的，上式在短波部分与实验曲线符合比较好，由此1911年获诺贝尔物理学奖；黑体温度升高时，曲线的峰值所对应的波长m向短波方向移动。由维恩位移定律：（

4、1）温度为室温（20℃）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：由斯特藩—玻尔兹曼定律：例1由维恩位移定律：太阳可近似看成一黑体，实验测得太阳单色辐出度的峰值波长为465nm，计算太阳的表面温度和单位面积上发射的功率。解：由斯特藩—玻尔兹曼定律：对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法测定。例215.1.3能量子假设19世纪末，许多物理学家企图用经典理论建立黑体辐射的单色辐出度随波长的变化规律，并对黑体辐射的实验曲线作出解释。但是都未能成功，其中较有影响的有两个：一个是1893年维恩用热力学理论给出的维恩曲线，维恩曲线在短波部分与实验曲线符合

5、比较好，但长波部分有偏离；另一个是1900年由瑞利和金斯两人按照经典电磁理论和统计理论得出的瑞利—金斯曲线，该曲线在长波部分与实验曲线符合的很好，但在短波部分出现错误，这一错误被称为——紫外灾难。维恩曲线瑞利-金斯曲线实验曲线1900年德国物理学家普朗克为了得到与实验曲线相一致的公式，在维恩公式和瑞利—金斯公式之间用内插法建立一个普遍公式，提出了一个与经典物理学概念截然不同的“能量子”假设：能量是分立的，不是连续的。普朗克（1858-1947），量子论的奠基人，1900年12月14日他在德国物理学会上，宣读了以《关于正常光谱中能量分布定律的理论》为题的论文，提出了能量的量子化

6、假设，并导出黑体辐射的能量的分布公式，劳厄称这一天是“量子论的诞生日”。1.普朗克量子假设其中h为普朗克常数。①.构成黑体的分子、原子可看成是谐振子，谐振子可发射、吸收电磁波能量；②.谐振子的最小能量单元称为能量子，能量子的能量与振子的频率成正比，即④.谐振子和周围电磁场交换能量时，辐射或吸收的能量也是量子化的，此时可认为谐振子是在上述能级之间跃迁。③.谐振子可能具有的能量是不连续的，只能取一些分立值，其量值是能量子的整数倍，即：其中n称为量子数谐振子的能量谐振子和外界交换能量根据经典统计理论和上述能量子假设，普朗克导出了温度为T的黑体的辐射公式：普朗克公式的理论曲线实验值普

7、朗克在1900年10月19日的德国物理学会上说：“即使这个辐射公式能证明是绝对精确的，但是如果仅仅是一个侥幸猜测出来的内插公式，那么它的价值也是有限的。”普朗克由于提出了能量子假设和黑体辐射公式，为此获1918年诺贝尔物理学奖。普朗克量子假设不仅圆满地解释了黑体的辐射规律，也解决了在经典热力学中固体比热与实验不符的问题。普朗克提出的全新概念——能量量子化，已成为现代物理理论的重要概念。2.普朗克理论与经典理论不同经典理论的基本观点普朗克能量子假设（1）电磁波辐射来源于带电粒子的振动，电磁波频率与带电粒子