量子力学的诞生(1)资料.ppt

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1、量子力学的诞生(1)1、20世纪初之前的物理学的成就a.机械运动——牛顿力学b.热运动——热力学和统计物理学c.电磁现象——麦克斯韦方程组d.光学现象——波动光学一、经典物理学的困难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固体比热量子力学狭义相对论2、世纪之交实验物理学对理论物理学的挑战（1）迈克耳逊—莫雷实验1887年，阿尔贝特·迈克尔逊和爱德华·莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了测量以太速度的实验。但结果一无所获，从而证明了以太不存在，说明了光

2、速在真空中的不变性。十八十九世纪时，人们认为“真空”中存在着一种无所不在的物体称为“以太”，光波应该通过以太传播。（2）固体比热固体的低温热容量，根据杜隆—泊替定律，能量均分定理，每一个分子在每一个自由度上的平均能量为：因此固体的定容mol比热为：　3R与温度Ｔ无关。实验：仅在室温以上成立，低温时CV(T)下降，与T有关。ＢｋＴ２（3）黑体辐射绝对黑体的空腔模型一个物体能全部吸收入射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为绝对黑体。在一定温度下，当空腔与内部的辐射处于平衡时，腔壁单位面积所发出的辐射能量与其吸收的辐射能量相等，实验测出平衡时辐射能量

3、密度按波长分布的曲线，其形状和位置只与黑体的温度有关与空腔材料或形状无关。维恩（Wien）由热力学的讨论，加上一些特殊的假设得出一个分布公式，维恩公式：即随着温度升高，热辐射峰值向短波高频方向移动。瑞利（Rayleigh）和金斯（Jeans）根据经典电动力学和统计物理学也得到一个黑体辐射能量分布公式，瑞利—金斯公式：可以看出这个公式对高频无效，因为此时能量密度趋于无限大，这就是著名的紫外灾难。o实验值/μm维恩线瑞利--金斯线紫外灾难普朗克线12345678普朗克公式（4）光电效应光的照射下，金属中的电子吸收光能而逸出金属表面的现象称为光电效应

4、。爱因斯坦于1905年提出光量子（光子）理论，成功解释光电效应。OOOOOOVGAKBOOm光电效应实验装置图由光电效应得到四条规律：(a)单位时间内逸出的光电子数与入射光的强度成正比：(b)光电子的初动能W随入射光的频率ν线性增加，而与入射光的强度无关：上述四点中，(a)可以用经典的理论解释，(b)(c)(d)却无法用经典理论解释。(c)只有当入射光频率大于一定的频率0才会产生光电效应(d)光电效应是瞬时发生的：驰豫时间不超过10-9s,根据经典的电磁波理论能量的积累时间大约为80s（5）光谱实验和原子模型a)氢原子谱线巴耳末系赖曼系0.

5、80.60.40.2波长mm可见光紫外线布拉开系帕邢系mm5.04.03.02.01.0红外线普芳德系R称为氢原子的里德伯常量谱线的波长的倒数称为波数ln~巴尔末公式：ln~1R()k21n21R1.09677610m17n>k,n,k取整数从1885年至1924年科学家们先后在可见光、紫外和红外区发现了氢原子的光谱线系列，并得到普遍的实验规律。里兹并合原理：光谱中有也为可能的谱线。，或线，则，经典的电磁理论认为若体系发出频率为的谱线，则也可以发射其谐波而实验上并没有观测到。b)卢瑟福原子模型：1911年卢瑟福根据alpha粒子散射实验提出了原

6、子有核模型。原子的质量几乎集中于带正电的原子核，而核的半径只占整个原子半径的万分之一至十万分之一；带负电的电子散布在核的外围。卢瑟福的原子有核模型成功地解释了a粒子散射实验。然而，根据经典的电磁学理论，绕核运动的电子不断辐射电磁波，轨道半经随能量消耗而连续变小，最终应落到原子核中来，另外，其光谱应是连续变化的带状光谱，而实验所得到的是分立谱。？二、早期量子论（1900——1924）1、普朗克公式和普朗克假设普朗克用插值方法试图调和维恩公式和瑞利—金斯公式，得到：表示为或用λ普朗克发现。要解释上列公式，需要作三个假设：(1)辐射黑体中分子和原子的

7、振动可视为线性谐振子，这些线性谐振子可以发射和吸收辐射能。这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态下，谐振子的能量不能取任意值，只能是某一最小能量的整数倍：(2)谐振子吸收或发射的能量正比于(3)吸收或发射频率为的电磁辐射，只能以的常数倍2、爱因斯坦公式爱因斯坦从普朗克的能量子假设中得到启发,他假定光在空间传播时,也具有粒子性,想象一束光是一束以c运动的粒子流,这些粒子称为光量子,现在称为光子,每一光子的能量为hv,光的能流密度决定于单位时间内通过该单位面积的光子数。.光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。.电子只要吸收一个

8、光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积。.根据光子理论,光电效应可解释如下:当金属中一个自由电子从入射光中吸收一个光子后,就获得能量，如果大于电