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本课件由黑体辐射、光电效应与康普顿散射等实验引出光的量子性,说明德布罗意波与不确定关系,建立一维势阱、势垒与氢原子的量子图像,介绍薛定谔方程与波函数的统计解释,最后按泡利不相容原理给出原子电子的壳层排布。
量子物理基础第十八章量子物理B量子物理C
一.描述热辐射的基本物理量1.单色辐出度M(T)§18-1热辐射定义:物体表面单位面积单位时间内所发射、波长在——+d范围内的辐射能dM与波长间隔之比,即
3.单色吸收率和单色反射率单色反射率单色吸收率单色透射率不透明时当时,则称为绝对黑体
三.绝对黑体的辐射定律1.黑体模型绝对黑体:开小孔的腔体外壳热电偶保温层加热线圈腔体腔芯热屏蔽套管
2.黑体单色辐出度实验曲线MB(T)随连续变化,每条曲线有一峰值曲线随T的升高而提高,即MB随T升高而增大随T的升高,峰值波长m减小规律:
3.黑体的辐射定律1879年德国物理学家斯特藩实验得到,1884年玻耳兹曼由光的电磁理论和热力学证实有如下结果:(1)斯特藩-玻耳兹曼定律=5.6705110-8W/m2·K4——-斯特藩常数
(2)维恩位移定律b=2.89775610-3mK1893年德国物理学家维恩根据电磁理论和热力学理论得到4.经典物理学所遇到的困难19世纪末,物理学最引人注目的课题之一:从理论上导出与实验相符的黑体单色辐出度表达式
瑞利-金斯公式——根据经典的能量均分原理导出只适用于长波段——“紫外灾难”瑞利-金斯线维恩线经典物理学的推导均与实验不符
四.普朗克公式1.普朗克的经验公式该结果与实验结果惊人地相符德国物理学家普朗克综合维恩和瑞利-金斯公式,提出C1和C2分别为第一和第二辐射常数
2.普朗克的能量子假设1900年普朗克提出能量子假设:腔壁中带电谐振子的能量以及它们吸收或辐射的能量都是量子化的;频率为的振子能量只能取h的整数倍h称为能量子——普朗克常数
——普朗克公式由能量子假设,普朗克从理论上导出公式
[例1]弹性系数k=15N/m的弹簧,一端悬挂上质量为1kg的小球,其振幅为0.01m,求(1)按普朗克能量量子化假设,与弹簧相联系的量子数n为多大?(2)如量子数n改变一个单位,求能量的改变值与总能量的比值解:弹簧、小球系统具有能量
由普朗克假设而当n变化一个单位时实验仪器无法分辨,看到的将是一片连续区域——不显量子效应
例2 天文学上常用斯特藩-玻耳兹曼定
所以恒星辐射的总功率不考虑吸收有
(外)光电效应:金属在光的照射下发射电子的现象§18-2光电效应一.光电效应的实验规律光强较强光强较弱饱和电流截止电压
饱和电流与入射光强成正比实验规律——单位时间内,阴极溢出的光电子数与入射光强成正比加反向电压至Ua(截止电压)时光电流为零——光电子溢出时有最大初动能能量关系满足
截止电压和入射光频率成线性关系:与金属有关的恒量:与金属无关的普适恒量——最大动能与入射光频率成线性关系,而与入射光强无关
光电子是即时发射的,无论光强如何,弛豫时间不超过10-9s——存在截止频率(红限)——红限
二.光波动理论的缺陷波动说认为:金属中电子吸收光能逸出,其初动能决定于光振动振幅,即由光强决定实验结果初动能与入射光频率相关,而与入射光强无关
电子吸收光波能量只有到一定量值时,才会从金属中逸出光电子是即时发射的光强能量足够,光电效应对各种频率的光都会发生存在截止频率(红限)
三.爱因斯坦光子理论1905年爱因斯坦提出光子假说:一束光就是一束以光速运动的粒子流,这些粒子称为光子。频率为的光的每一光子具有能量h1.光电效应方程一个电子吸收一个光子,由能量守恒有光子能量逸出功——光电效应方程
对比可得2.光电效应的解释光强大光子数多单位时间内释放的光电子数多光电流大
光电子动能与光频率成线性关系A/h才产生光电效应,即存在截止频率(红限)结论:光是粒子流光子能量一次地被一个电子吸收,不需要积累能量的时间爱因斯坦1921年获诺贝尔物理学奖
[例3]波长为2500A、强度为2W/m2的紫外光照射钾,钾的逸出功为2.21eV,求(1)所发射的电子的最大动能;(2)每秒从钾表面单位面积所发射的最大电子数解:应用爱因斯坦方程
每个光子的能量因每个光子最多只能释放一个电子故每秒从钾表面单位面积所发射的最大电子数
一.康普顿实验§18-3康普顿效应1923年美国物理学家康普顿研究x射线通过物质时的散射现象发现:散射线中除了有与入射波长0相同的射线外,还有>0的射线康普顿1927年获诺贝尔物理学奖——康普顿效应
探测器石墨光阑入射光散射光x射线管实验装置康普顿效应
实验结果:=-0随散射角增大而增大,与0及散射物质无关对轻元素,新波长的谱线强度较强;对重元素,新波长的谱线强度较弱增大,原波长谱线强度下降,新波长谱线强度增大
三.理论推导光子与静止自由电子碰撞:前光子:能量动量电子:后光子:电子:
动量守恒x方向y方向消去(1)能量守恒
平方(2)(2)-(1)
两边同除以或——电子的康普顿波长其中——仅与相关
[例4]单色x射线被电子散射而改变波长。问(1)波长的改变量与原波长有没有关系?(2)光子能量的改变值与光子原来能量有没有关系?解:——与原波长无关康普顿散射的一个重要特点
光子能量改变量(光子损失的能量)
由有——入射光子能量(h0)越高,散射损失的能量越高(h)也是电子获得的反冲动能量子物理B
一.氢原子光谱的实验规律§18-4氢原子光谱玻尔的氢原子理论6563A4861A4341A4102A3646A量子物理B
1885年瑞士的巴耳末用经验公式表示出氢原子的前四条可见光谱:用波数(波长的倒数)表示:——巴耳末公式
1889年瑞典物理学家里德伯提出一个普遍方程R=1.096776107m-1——里德伯公式——里德伯常量的整数不同的k对应不同的谱系;当k一定时,每一n值对应于一条谱线
k=1,n=2,3,…莱曼系,紫外区k=2,n=3,4,…巴尔末系k=3,n=4,5,…帕邢系,红外区k=4,n=5,6,…布拉开系,红外区k=5,n=6,7,…普芳德系,红外区k=6,n=7,8,…哈菲莱系,红外区
1890年里德伯,里兹等人发现碱金属原子光谱有类似的规律里兹并合原理反映了原子的内在规律——里兹并合原理
二.玻尔的氢原子理论1897年英国物理学家汤姆逊通过阴极射线实验发现了电子1904年汤姆逊提出原子的“嵌梅布丁”模型:每个电子分布在正电荷组成的球中,并绕平衡位置震荡
1907年卢瑟福等人通过粒子对原子核的散射实验否定了汤姆逊模型离中心越近散射角越大卢瑟福:“这几乎就如你用15英寸炮弹射向一张手纸,结果它反回来击中了你一样不可思议”
1911年卢瑟福提出原子核模型:原子是由带正电的原子核和核外作轨道运动的电子组成
1.经典物理的困难原子的稳定性:电子绕核转动具有加速度发射电磁波能量减少作螺旋运动落入原子核不稳定原子光谱的分立性:发射电磁波的频率等于电子绕核转动的频率电子作螺旋运动的频率连续变化光谱为连续光谱。
2.玻尔理论的基本假设1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核模型基础上,结合普朗克量子假设和原子光谱的分立性,提出假设:定态假设:原子系统只能处在一系列具有不连续能量的稳定状态(定态)。定态时核外电子在一定的轨道上作圆周运动,但不发射电磁波
3.氢原子轨道半径和能量的计算(1)轨道半径根据牛顿定律和库仑定律有而可得——量子化
r1=0.52910-10m时:——玻尔半径(2)能量氢原子的能量等于电势能和电子的动能之和
由有——量子化量子化的能量称为能级
电子轨道能级基态激发态
-13.6-3.39-1.510En/eV-0.85
4.里德伯公式的推导氢原子从高能级En跃迁到低能级Ek时,氢原子的发光频率为波数为
其中——与实验结果符合得很好5.玻尔理论的缺陷以经典理论为基础,其定态时不发出辐射的假设又与经典理论相抵触量子化条件没有适当的理论解释玻尔理论只能求出谱线频率,对强度宽度和偏振等都无法处理
一.德布罗意波§18-5微观粒子的波粒二象性类比:1924年法国年轻的博士德布罗意提出设想:实物粒子与光一样也具有波粒二象性
与实物粒子相联系的波称为德布罗意波(物质波)——德布罗意公式或1929年德布罗意获诺贝尔物理学奖
1927年美国的戴维孙和革末实验证实了实物粒子波动性二.实物粒子波动性实验观察到在晶体表面电子的衍射现象与x射线的衍射现象相类似电子枪探测器镍单晶加速电极——电子具有波动性
同年,小汤姆逊的电子束穿过多晶薄膜后的衍射实验,得到了与x射线实验极其相似的衍射图样戴维孙和小汤姆逊同获1937年诺贝尔物理学奖x-射线电子大量实验证实除电子外,中子、质子以及原子、分子等都具有波动性,且符合德布罗意公式——一切微观粒子都具有波动性
[例5]静止的电子经电场加速,加速电势差为U,速度V<<C。求德布罗意波长解:
德布罗意波的统计解释1926年德
经典力学:运动物体具有完全确定的位置、动量、能量、角动量等§18-6不确定性关系微观粒子:由于波动性,粒子以一定的概率在空间出现——粒子在任一时刻不具有确定的位置同样,动量、能量和角动量等也是不确定的
考虑其它高次衍射条纹有——粗略估算结果1927年德国物理学家海森伯由量子力学得到位置与动量不确定量之间的关系
同样能量与时间之间也有如下的不确定性关系:1932年海森伯获诺贝尔物理学奖
说明:不确定性关系说明微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量;粒子位置的不确定量越小,动量的不确定量就越大,反之亦然不确定性关系仅是波粒二象性及其统计关系的必然结果,而不是测量仪器对粒子的干扰,也不是仪器的误差所致
[例6]设电子在原子中运动的速度为106m/s,原子的线度约为10-10m,求原子中电子速度的不确定量解:原子中的电子位置的不确定量由不确定性关系
v与v在数量级上相当,因此讨论原子中电子的速度没有实际的意义
一.波函数沿x方向传播的平面波波动方程为§18-7波函数薛定谔方程上式为下面复数形式的实数部分为区别一般的波,奥地利物理学家薛定谔提出用物质波波函数描述微观粒子的运动状态
对能量为E、动量为p的自由粒子,其平面物质波波函数为自由粒子在三维空间运动时有
二.波函数的物理意义*——的共轭复数与光波类比,波函数的强度为由玻恩的概率波概念,粒子出现在体积元dV内的概率为——概率密度
在整个空间总能找到粒子,应有——波函数的归一化条件三.波函数的标准条件单值:某时刻粒子出现在某点的概率唯一有限:粒子出现的概率应有限连续:不应出现突变(可导)
四.薛定谔方程1.一般薛定谔方程自由粒子:设自由粒子沿x方向运动,波函数为
——一维运动自由粒子的含时薛定谔方程又
——势场中一维运动粒子的含时薛定谔方程推广到三维空间——拉普拉斯算符
——一般的薛定谔方程引入能量算符——哈密顿算符则有
两边同除以得两边等于同一常数时上式才能成立(1)(2)
(1)的解为E具有能量量纲(2)为或——定态薛定谔方程
五.求解波函数的方法及解决的几个问题1.求波函数的步骤:由体系的势能写出薛定谔方程解方程得一般解根据标准条件和归一化条件确定有关常数项
2.求粒子出现概率极大、极小的位置求概率密度函数判断令,解出x=xm
3.求粒子在某区域内出现的概率计算求概率密度函数量子物理C
设粒子作一维运动,势能函数为§18-8一维无限深势阱阱外须有
阱内令其通解为C和为待定常数
根据波函数的连续、单值的条件有
由归一化条件可得
除端点(x=0,x=a)外,阱内n=0称为节点。基态无节点,第一激发态有一个节点,第n激发态有n个节点
[例7]设质量为m的微观粒子处在宽度为a的一维无限深势阱中,试求:粒子在0xa/4区间中出现的几率,并对n=1和n=的情况算出概率值。在哪些量子态上,a/4处的概率密度最大?解:已知
粒子出现在0xa/4区间中的几率为时时
处最大时有
一.一维势垒隧道效应粒子在x方向运动,势能分布为§18-9一维势垒谐振子
薛定谔方程为2区1区3区
令考虑的情况则
在粒子总能量低于势垒壁高时,粒子有一定的概率穿过势垒讨论:——隧道效应
贯穿势垒的概率(贯穿系数)为:势垒加宽(a增大)或增高(U0增大),则T减小
二.谐振子一维谐振子的势能为其中薛定谔方程为
可解得最小能量为(1/2)h讨论:线性谐振子的能量是量子化的能级均匀分布,能隙为h
一.氢原子的薛定谔方程氢原子中,电子的势能函数为§18-10氢原子的量子力学处理方法薛定谔方程为:
转换到球极坐标系中得极坐标形式为:
二.量子化条件和量子数1.能量量子化和主量子数与玻尔所得结果完全一致——主量子数由(3)可得氢原子能量为
2.角动量量子化和角量子数对一定的n值,l有n个可能取值由(1)(2)可得电子绕核运动的角动量量子化条件——角量子数
3.角动量空间量子化和磁量子数对一定的l值,ml有(2l+1)个可能取值由(1)(2)可得ml应满足——磁量子数ml决定电子绕核运动角动量在空间的取向Lz,有
一.施特恩-格拉赫实验§18-11电子的自旋1921年施特恩和格拉赫为验证电子角动量空间量子化而进行的实验无磁场有磁场原子源
实验发现:不加磁场时底板上呈现一条正对狭缝的原子沉积;加磁场时底板上呈现上下两条原子沉积矛盾:角量子数为l时,角动量在空间的取向有(2l+1)种可能
二.电子的自旋为解释上述实验结果,1925年乌伦贝克和古兹密特提出电子自旋假说:电子除轨道运动外,还存在自旋运动。电子自旋角动量S在空间任一方向上的投影Sz只能取两个值
——自旋磁量子数——与电子轨道角动量相似由量子力学可得,自旋角动量为——自旋量子数s只能取一个值即
三.四个量子数原子中电子的状态由四个量子数决定主量子数n(n=1,2,)大体上决定电子的能量角量子数l(l=0,1,2,,n-1)决定电子的轨道角动量的大小
磁量子数ml(ml=0,1,2,,l)决定电子轨道角动量在外磁场中的取向。自旋磁量子数ms(ms=1/2)决定电子自旋角动量在外磁场中的取向
对多电子原子,其内部电子的分布由下面两条原理决定:§18-12原子的壳层结构泡利不相容原理:在一个原子中不能有两个或两个以上的电子处在完全相同的量子态,即不能具有相同的四个量子数能量最小原理:原子系统处于正常状态时,每个电子趋向占有最低的能级
根据泡利不相容原理,原子中具有相同主量子数n的电子数最多为1916年柯塞耳提出原子壳层结构:n相同的电子组成一个壳层,对应n=1,2,3,的壳层分别用K, L, M,N, O, P,来表示
l相同的电子组成支壳层,对应l=0,1,2,的支壳层分别用s,p,d,f,g,h,来表示例如:K壳层上可能有2个电子(s电子),表示为1s2L壳层、s分层上可能有2个电子,表示为2s2
L壳层、p分层上可能有6个电子,表示为2p6即L壳层最多可有(2+6)=8个电子即:3s2、3p6、3d10——M壳层最多可有18个电子
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