量子力学基础1课件.ppt
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- 量子力学 基础 课件
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1、绪言绪言:早期量子论的发展早期量子论的发展 19世纪后期世纪后期,经典物理学以经典力学、经典物理学以经典力学、电磁场理论和经典统计力学为主要支柱,电磁场理论和经典统计力学为主要支柱,达达到了完整、系统和成熟的阶段。到了完整、系统和成熟的阶段。19世纪末,物理学一系列新发现,表现世纪末,物理学一系列新发现,表现出与经典物理理论的尖锐矛盾经典物理出与经典物理理论的尖锐矛盾经典物理学体系面临一场新的危机!学体系面临一场新的危机!第十三章第十三章 量子力学基础量子力学基础I 1899年年开尔文开尔文在欧洲科学家新年聚会的贺词中说:在欧洲科学家新年聚会的贺词中说:物理学晴朗的天空上,物理学晴朗的天空上,
2、飘着几朵令人不安的乌云飘着几朵令人不安的乌云 黑体辐射黑体辐射迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验莫雷实验光电效应光电效应氢原子光谱氢原子光谱 康普顿康普顿效应效应量子力学量子力学狭义相对论狭义相对论一一 热辐射热辐射13-1 热辐射热辐射 普朗克量子假说普朗克量子假说 固体或液体,在任何温度下固体或液体,在任何温度下都在发射各种波长的电磁波,这都在发射各种波长的电磁波,这种由于物体中的分子、原子受到种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征仅与辐射。所辐射电磁波的特征仅与温度有关。温度有关。固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的
3、变化1400K800K1000K1200K1.1.热辐射现象热辐射现象辐射能辐射能2 2 平衡热辐射平衡热辐射3 3 描述热辐射的物理量描述热辐射的物理量1 1)单色辐出度)单色辐出度 M ddEM ,dMd间间隔隔,辐辐射射能能 单位时间内,从物体表单位时间内,从物体表面单位面积上辐射出的单面单位面积上辐射出的单位波长间隔内的能量位波长间隔内的能量物体可辐射能量也可吸收能量,当辐射和吸收的能物体可辐射能量也可吸收能量,当辐射和吸收的能量恰相等时称为量恰相等时称为热平衡热平衡。此时物体温度恒定不变。此时物体温度恒定不变。辐射能辐射能 d 辐射能辐射能2 2)辐出度)辐出度 M(T)dTMTM0
4、),()(单位时间内,从物体表面单位单位时间内,从物体表面单位面积上发出的所有波长的电磁波的面积上发出的所有波长的电磁波的总能总能量量实验表明在相同的温度下,物体不同,颜色不同实验表明在相同的温度下,物体不同,颜色不同的表面,总辐射出射度是不同的,辐射本领大的的表面,总辐射出射度是不同的,辐射本领大的物体,吸收本领也大。物体,吸收本领也大。3 3)单色吸收比)单色吸收比 和单色反射比和单色反射比)(Ta)(T 对不透明物体:对不透明物体:1)()(TrTa入射总能量入射总能量吸收能量吸收能量吸收比吸收比 入射总能量入射总能量反射能量反射能量反射比反射比 能完全吸收各种波长电磁能完全吸收各种波长
5、电磁波而无反射和透射的物体波而无反射和透射的物体二二 绝对黑体和黑体辐射的基本规律绝对黑体和黑体辐射的基本规律1 1 绝对黑体绝对黑体1)(Ta白天从远处看建筑物的窗口。白天从远处看建筑物的窗口。金属冶炼炉上的小孔。金属冶炼炉上的小孔。实实例例黑体模型:不透明材料制成的小孔空腔。黑体模型:不透明材料制成的小孔空腔。2 2 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 在平衡辐射的条件下,物体的单色辐出度和单在平衡辐射的条件下,物体的单色辐出度和单色吸收系数之比是一个与温度和频率有关的普适量色吸收系数之比是一个与温度和频率有关的普适量,而该普适量就是绝对黑体的单色辐出度。,而该普适量就是绝对黑体的单色辐出度。1)(
6、)()()()(02211TMTaTMTaTM 3.3.黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律1).黑体辐出度的实验测定:黑体辐出度的实验测定:测定黑体辐出度的实验简图测定黑体辐出度的实验简图PL2B2AL1B1CA为黑体为黑体B B1 1、P P、B B2 2为分光系统为分光系统C C为热电偶为热电偶1700K1500K1300K1100K)/()(120mcmWTM0 1 2 3 4 5 m/绝对黑体的辐出度按波长分布曲线绝对黑体的辐出度按波长分布曲线2).实验曲线实验曲线 黑体的单色辐出度黑体的单色辐出度M 0(T)在温度一定时随在温度一定时随波长波长 的变化的变化实验实验规律规律3).实
7、验定律实验定律MM 0 0(T)(T)2200K2000K1800K1600K维恩位移律维恩位移律T m=b b=2.89775610-3 mK斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律M(T)=T 4=5.6710-8 W/m2K4 m 每一曲线下的面积等于黑体在一定温度下的总辐出度每一曲线下的面积等于黑体在一定温度下的总辐出度 每一曲线上,每一曲线上,有一峰值峰值波长有一峰值峰值波长)T(M0 m T,向短波方向移动向短波方向移动。m 热辐射规律的应用热辐射规律的应用测高温、遥感、红外追踪。测高温、遥感、红外追踪。测太阳及恒星表面的温度:测太阳及恒星表面的温度:太阳光谱太阳光谱 490nm,T
8、=5900km 地球表面(地球表面(300k),10 m,大大气吸收极少,故可应用红外遥感技术,通气吸收极少,故可应用红外遥感技术,通过卫星进行地球资源、地质勘探。过卫星进行地球资源、地质勘探。m T m=b b=2.89775610-3 mK12)(520kThcehcTM三三 普朗克量子假说普朗克量子假说与实验结果与实验结果惊人地符合惊人地符合普朗克常数:普朗克常数:h=6.626075510-34 Js2 瑞利瑞利金斯公式金斯公式 (1900-1905)(1900-1905)1 维恩公式维恩公式 (1893)(1893)TCeCTM2051)(TCTM43)(0M 3 3 普朗克公式普朗
9、克公式 (1900)(1900)维恩线瑞利金斯线普朗克线实验结果紫外灾难紫外灾难问题:如何从理论上找到符合实验曲线的函数式问题:如何从理论上找到符合实验曲线的函数式),()(TfTMBTCBeCTM251)(这个公式与实验曲线波长短处符合得很好,但这个公式与实验曲线波长短处符合得很好,但在波长很长处与实验曲线相差较大。在波长很长处与实验曲线相差较大。M 维恩线瑞利金斯线普朗克线实验结果TCTMB43)(这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近,这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近,但在短波区,按此公式,但在短波区,按此公式,将随波长趋向于零将随波长趋向于零而趋向无穷大的荒谬结果,即而趋向无穷大
10、的荒谬结果,即“紫外灾难紫外灾难”。0M 维恩公式和瑞利维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学的金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果,都与实验结果不方法来研究热辐射所得的结果,都与实验结果不符,明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射符,明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实验是物理学晴朗天空中实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。一朵令人不安的乌云。M 维恩线瑞利金斯线普朗克线实验结果 为了解决上述困难,普朗克利用内为了解决上述困难,普朗克利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利的瑞利-金斯公式衔接金斯公式衔接 起来,提出
11、了一个新起来,提出了一个新的公式:的公式:11252kThcBehcMsJh34106260755.6普朗克常数普朗克常数 这一公式称为这一公式称为普朗克公式。普朗克公式。它与它与实验结果符合得很好。实验结果符合得很好。o实验值/m)(0TM维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线12345678普朗克公式还可以用频率表示为:普朗克公式还可以用频率表示为:112)(23kThBechTM 普朗克得到上述公式后意识到,如果仅普朗克得到上述公式后意识到,如果仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式,其价值仅是一个侥幸揣测出来的内插公式,其价值只能是有限的。必须寻找这个公式的理论根
12、只能是有限的。必须寻找这个公式的理论根据。他经过深入研究后发现:必须使谐振子据。他经过深入研究后发现:必须使谐振子的能量取分立值,才能得到上述普朗克公式。的能量取分立值,才能得到上述普朗克公式。能量子假说:能量子假说:1.1.辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子,这些谐辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子,这些谐振子可以发射和吸收辐射能。振子可以发射和吸收辐射能。2.2.这些谐振子的能量不能连续变化,不能象经典物理这些谐振子的能量不能连续变化,不能象经典物理学所允许的可具有任意值。只能取一些分立值,这些学所允许的可具有任意值。只能取一些分立值,这些分立值是某一最小能量分立值是某一最小能量(称为
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