第一章 量子力学的诞生.ppt

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1、第一章量子力学的诞生绪言2005年是光的量子理论诞生100周年------世界物理年“爱因斯坦之光”于2005年4月19日晚7点30分“照”过济南12010杨国晖1.什么是量子力学研究微观粒子（原子、分子、基本粒子等）运动规律的科学用STM所做的“量子围栏”48个铁原子排列在铜表面证明电子的波动性第一章量子力学的诞生22010杨国晖2.量子力学与经典力学的关系1）近代物理学的两大支柱相对论和量子力学相对论：①狭义相对论：局限于惯性参考系的理论两个基本原理：相对性原理和光速不变原理②广义相对论推广到一般参考系和包括引力场在内的理论标志相对论效

2、应的特征量是光速C32010杨国晖2）物质世界的层次与量子力学①宏观、低速物体（>10-6m，布朗颗粒）----牛顿力学②微观物体（原子尺度~10-10m=1Å）----量子力学③介观物体（分子团簇~10-7~10-9m）----量子力学效应明显纳米技术④标志量子效应的特征量h~Planck常数量纲=[能量]·[时间]=[动量]·[长度]=[角动量]42010杨国晖3.量子力学发展的动力1）十九世纪末经典物理学的成功2）经典物理学上空所漂浮的两朵乌云①电动力学中的“以太”问题②物体的比热容3）旧量子论的形成(冲破经典－－量子假说)1900P

3、lanck振子能量量子化1905Einstein电磁辐射能量量子化1913N.Bohr原子能量量子化52010杨国晖4）量子力学诞生1923deBroglie电子具有波动性1926-27Davisson,G.P.Thomson电子衍射实验1925Heisenberg矩阵力学1926Schroedinger波动方程1928Dirac相对论波动方程62010杨国晖5）量子力学的进一步发展（应用、发展）量子力学原子、分子、原子核、固体量子电动力学(QED)电磁场量子场论原子核和粒子量子化学，量子生物进一步认识的问题．．．．72010杨国晖4

4、.本课程的主要教学内容：量子理论的基本概念量子力学解决问题的基本思路和方法5.研究对象的特点：1)微观：对象线度小,活动范围小2)粒子除了具有粒子性,还具有明显的波动性3)粒子的能量,角动量等物理量取值分立完全脱离了经典物理的模式82010杨国晖6.为何学习量子力学1）继续学习的需要2）近代物理学的支柱3）现代自然科学的基础92010杨国晖7.如何学好量子力学1)自觉摆脱经典的束缚注重实验事实2)处理好形象与抽象的关系3)对应关系新理论是在原有的理论基础上发展起来的，所以在极限情况下可以回到原有的理论，但量子范围内的很多概念找不到经典的对应

5、，是一个全新的领域。102010杨国晖§1.1黑体辐射与Planck能量子假设1、黑体：在任何温度下能够全部吸收其上的所有频率的电磁波的物体。维恩设计的黑体---空腔上的小孔其理想模型是开有小孔的空腔（见下图）112010杨国晖近似黑体：向远处观察打开的窗子时看不见窗子里的任何东西，可以近似地认为是黑体。为啥研究黑体？1859年基耳霍夫证明：平衡态时黑体辐射只依赖于物体的温度，与构成黑体的材料形状无关。实验和理论均证明：在各种材料中，黑体的光谱辐射度(单位时间内从物体单位表面吸收和发出的电磁波能量)最大.辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强

6、。122010杨国晖两个基本概念：单位体积,频率在范围内的能量，用表示。当空腔与内部的辐射场处于平衡，即腔壁单位面积所发射出的能量和它所吸收的能量相等时，此时腔内的场称为平衡辐射场。①平衡辐射场：②电磁波能量密度：132010杨国晖2、Rayleigh-Jeans公式（1900，1905）在热平衡态下的辐射场被认识以后，人们想知道辐射能量密度与频率之间有什么关系。但非常遗憾的是，上述公式在低频范围与实验结果不符。1896年,W.Wien(Germany,1864-1928)根据热力学理论再加上几个基本假设首先得出了空腔辐射中的一个半经验公式

7、，即142010杨国晖J.Rayleigh(UK,1842-1919)和J.H.Jeans(UK,1877-1946)把空腔内的辐射场看作光子气体处理了这个问题（处理方法同热统中的电子气）。光子的自旋量子数为1。自旋在动量方向的投影可取两个可能值，相当于左、右旋偏振。152010杨国晖代入得频率范围在内的态密度为将德布罗意关系和光子的能量动量关系根据热统理论，体积V内，在动量范围内，光子的量子态数为162010杨国晖把每个量子态看作一种振动方式，由能量均分定理，每一种振动方式的平均能量为kT，则能量密度为其中c1和c2是两个参数，且这就是R

8、ayleigh-Jeans公式。对整个频率范围积分，得全波段的能量密度为这显然是发散的,与实验尖锐矛盾,关键是高频范围与实验不符，称之为“紫外灾难”172010杨国晖由经典理论导