清华大学大学物理-近代物理课件

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1、清华大学大学物理-近代物理1.1黑体辐射黑体辐射 1.2光电效应（自学）光电效应（自学） 1.3光子、光的二象性光子、光的二象性1.4 康普顿效应康普顿效应1.5 实物粒子的波动性实物粒子的波动性1.6 概率波与概率幅概率波与概率幅1.7不确定关系不确定关系 第一章第一章 波粒二象性波粒二象性 清华大学大学物理-近代物理 1.1 黑体辐射黑体辐射 1. 热辐射热辐射（heat radiation） 与温度有关与温度有关的的电磁辐射，电磁辐射，称为称为热辐射。热辐射。这种这种温度不变温度不变的热辐射称之为的热辐射称之为平衡热辐射。平衡热辐射。2. 平衡热辐射平衡热辐射则物体的温度恒定。则物体的温

2、度恒定。加热一物体，加热一物体，若物体所吸收的能量等于在若物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，同一时间内辐射的能量， 3. 光谱辐出度（单色辐出度）光谱辐出度（单色辐出度）M M 单位时间内，从物体单位表面发出的频单位时间内，从物体单位表面发出的频率率在在 附近单位频率间隔内附近单位频率间隔内的电磁波的能量。的电磁波的能量。清华大学大学物理-近代物理4.（总）辐出度（总发射本领）（总）辐出度（总发射本领）M(T) （radiant exitance）单位：单位：w/m2（monochromatic absorptance）)()(dd)(入射入射吸收吸收 EET 0)()( dTMTM

3、5. 单色吸收比（率）单色吸收比（率） (T)清华大学大学物理-近代物理的物体，的物体，维恩设计的黑体维恩设计的黑体三三. .黑体黑体（black body） 1. 黑体：黑体：的的物物体体。即即 1 能能完全完全吸收吸收各种波长电磁波各种波长电磁波而无反射而无反射 小孔空腔小孔空腔 2. 基尔霍夫辐射定律：基尔霍夫辐射定律：黑黑体体 MMii 与材料无关与材料无关清华大学大学物理-近代物理四四. 黑体辐射谱的规律黑体辐射谱的规律1）维恩位移定律）维恩位移定律2）斯特藩）斯特藩 玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律bTm Km10898. 23 b4)(TTM 428Kw/m1067. 5 清华大学大学物

4、理-近代物理六六.普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式1.1.普朗克假设（普朗克假设（19001900年）年）普朗克认为空腔黑体的热平衡状态，是组成腔壁普朗克认为空腔黑体的热平衡状态，是组成腔壁的的带电谐振子带电谐振子不断发射和吸收电磁波的平衡状态。不断发射和吸收电磁波的平衡状态。他认为谐振子的能量他认为谐振子的能量 E只能是离散值只能是离散值, 2 , 1 nnhE 2.2.普朗克公式普朗克公式 1e2/32)( kThTMch 清华大学大学物理-近代物理1.2 光电效应光电效应 1.3 光的二象性光的二象性 光子光子实验规律：实验规律：1mi2miiU1I2

5、IcU 12II 0Uc0 CsNa Ca在频率在频率 一定时，一定时， Ii m0cUKU 存在红限频率存在红限频率。 KU00 光电转换时间光电转换时间极短极短 入射波长入射波长 0，和散射物质无关。和散射物质无关。波长的偏移波长的偏移 = 0 只与散射角只与散射角j j 有关，有关，实验规律是：实验规律是：效应才显著，效应才显著，因此要用因此要用X射线才能观察到。射线才能观察到。清华大学大学物理-近代物理 康普顿用康普顿用光子理论光子理论做了成功的解释：做了成功的解释： X射线光子与射线光子与“静止静止”的的“自由电子自由电子”弹性碰弹性碰撞撞 碰撞过程中能量与动量守恒碰撞过程中能量与动

6、量守恒二二. .康普顿效应的理论解释康普顿效应的理论解释 经典电磁理论难解释为什么有经典电磁理论难解释为什么有 0的散射，的散射， 碰碰撞撞光子把部分能量光子把部分能量传给电子传给电子外层电子束缚能外层电子束缚能 eV, 室温下室温下 kT10-2eV，），）（ 波长波长1的的X射线射线 ，其光子能量，其光子能量 104 eV，e自由电子（静止）自由电子（静止）0 hvm j jm0h 光子的能量光子的能量 散射散射X射线射线频率频率 波长波长 清华大学大学物理-近代物理2200mchcmh vmechech 00220/1/cmmv 能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒反冲电子质量反冲电子质量解

7、得：解得：)cos1 (j j ce000echp echp vm j jm0自由电子（静止）自由电子（静止）)cos1(000j j cmhcc m103101 . 91063. 6831340 cmhc = 2 .43 10-3nm（理论值）（理论值）清华大学大学物理-近代物理 这是因为光子还可与石墨中被原子核束缚这是因为光子还可与石墨中被原子核束缚 为什么康普顿散射中还有原波长为什么康普顿散射中还有原波长 0 呢呢？光子和整个原子碰撞。光子和整个原子碰撞。 内层电子束缚能内层电子束缚能103104eV，不能视为自由，不能视为自由，而应视为与原子是一个整体。而应视为与原子是一个整体。 所以

8、这相当于所以这相当于光光子子原原子子mm 即即 散射光子波长不变，散射光子波长不变，散射线中还有与原波散射线中还有与原波 在弹性碰撞中，入射光子几乎不损失能量，在弹性碰撞中，入射光子几乎不损失能量，得很紧的电子发生碰撞。得很紧的电子发生碰撞。长相同的射线。长相同的射线。清华大学大学物理-近代物理因为自由电子若吸收光子，就无法同时满足因为自由电子若吸收光子，就无法同时满足1. 为什么康普顿效应中的电子不能像光电效应为什么康普顿效应中的电子不能像光电效应 三三. 讨论几个问题讨论几个问题违反相对论！违反相对论！自由电子自由电子不可能吸收光子，不可能吸收光子，只能散射光子。只能散射光子。c v 自由

9、自由电子电子吸收吸收光子光子2200mccmh 000emechv 220/1/cmmv 2211ccvv 那样吸收光子而是散射光子？那样吸收光子而是散射光子？能量守恒和动量守恒。能量守恒和动量守恒。清华大学大学物理-近代物理2. 为什么在光电效应中不考虑动量守恒？为什么在光电效应中不考虑动量守恒？光子光子 电子系统能量仍可认为是守恒的。电子系统能量仍可认为是守恒的。在光电效应中，入射的是可见光和紫外线，在光电效应中，入射的是可见光和紫外线，光子能量低，电子与整个原子的联系不能忽略，光子能量低，电子与整个原子的联系不能忽略，原子也要参与动量交换，原子也要参与动量交换， 光子光子 电子系统动量电

10、子系统动量不守恒。不守恒。又因原子质量较大，能量交换可忽略，又因原子质量较大，能量交换可忽略，3. 为什么可见光观察不到康普顿效应？为什么可见光观察不到康普顿效应？ 因可见光光子能量不够大，原子内的因可见光光子能量不够大，原子内的电子不电子不能视为自由，能视为自由，所以可见光不能产生康普顿效应。所以可见光不能产生康普顿效应。清华大学大学物理-近代物理四四. 康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义 支持了支持了“光量子光量子”概念，进一步证实了概念，进一步证实了 首次实验证实了爱因斯坦提出的首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子光量子 证实了证实了在微观领域的单个碰撞事件中，在微观领域的单个碰撞

11、事件中， 动量和能量守恒定律仍然是成立的。动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿康普顿获得获得1927年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 p = /c = h /c = h / = h 具有动量具有动量”的假设的假设清华大学大学物理-近代物理 康普顿康普顿（A. H.Compton)美国人美国人(1892-1962）清华大学大学物理-近代物理1925 26年他用银的年他用银的X射线（射线（ 0 = 5.62nm） 五五. 吴有训对研究康普顿效应研究的贡献吴有训对研究康普顿效应研究的贡献吴有训吴有训1923年参加了发现康普顿效应的研究年参加了发现康普顿效应的研究康普顿效应作出了重要贡献。康普顿

12、效应作出了重要贡献。在同一散射角（在同一散射角（j j =120 ）测量各种波长的散射测量各种波长的散射以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重不同的元素为散射物质，为入射线，为入射线，光强度，作了大量光强度，作了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。这这对证实对证实工作，工作，清华大学大学物理-近代物理1. 与散射物质无关，仅与散射角有关。与散射物质无关，仅与散射角有关。曲线表明：曲线表明：0 II 2. 轻元素轻元素0 II 重元素重元素，。吴有训吴有训的康普的康普顿效应顿效应散射实散射实验曲线验曲线散射角散射角0120 j j清华大学大学物理-近代物理 证实了康普顿效应的普遍性证实了康

13、普顿效应的普遍性 证实了两种散射线的产生机制：证实了两种散射线的产生机制： 外层电子（自由电子）散射外层电子（自由电子）散射 0 内层电子（整个原子）散射内层电子（整个原子）散射的证据。的证据。吴有训工作的意义：吴有训工作的意义：在康普顿的一本著作在康普顿的一本著作 “ X Rays in theory and experiment ” （1935）中，有）中，有19处处引用了引用了吴有训的工作。吴有训的工作。 书中两图并列作为康普顿效应书中两图并列作为康普顿效应清华大学大学物理-近代物理20世纪世纪50年代的吴有训年代的吴有训吴有训吴有训（18971977）物理学家、教育家、物理学家、教育家

14、、中国科学院副院长，中国科学院副院长，曾任清华大学物理系曾任清华大学物理系主任、理学院院长。主任、理学院院长。1928年被叶企孙聘为年被叶企孙聘为 对证实康普顿效应对证实康普顿效应作出了重要贡献作出了重要贡献清华大学物理系教授，清华大学物理系教授，清华大学大学物理-近代物理光光( (波波) )具有粒子性，那么实物粒子具有具有粒子性，那么实物粒子具有一一. .德布罗意假设德布罗意假设波动性吗波动性吗? ?L.V. de Broglie （ 法国人，法国人，1892 1986 ）从自然界的对称性出发，从自然界的对称性出发，具有粒子性，具有粒子性，那么实物粒子也应具有波动性。那么实物粒子也应具有波动

15、性。1924.11.29德布罗意德布罗意把把题为题为“量子理论的研究量子理论的研究”的博士论文提交给了巴黎大学。的博士论文提交给了巴黎大学。6.5 实物粒子的波动性实物粒子的波动性认为认为既然光既然光( (波波) )清华大学大学物理-近代物理与粒子相联系的波称为与粒子相联系的波称为物质波物质波或或德布罗意波，德布罗意波，一个能量为一个能量为E、动量为、动量为 p 的的实物实物粒子，粒子，同时同时ph hE hp hE 他在论文中指出：他在论文中指出：关系与光子一样关系与光子一样：它的波长它的波长 、频率频率 和和 E、p的的 爱因斯坦爱因斯坦 德布罗意关系式德布罗意关系式 德布罗意波长德布罗意

16、波长 （de Broglie wavelength）也具有也具有波动波动性，性，清华大学大学物理-近代物理 物质波的概念可以成功地解释原子中令物质波的概念可以成功地解释原子中令 rnhrm v2（轨道角动量（轨道角动量 量子化条件）量子化条件）德布罗意的导师德布罗意的导师朗之万朗之万把德布罗意的论文寄给把德布罗意的论文寄给“揭开了自然界巨大帷幕的一角揭开了自然界巨大帷幕的一角”“看来疯狂，可真是站得住脚呢看来疯狂，可真是站得住脚呢” nr 2ph 稳定轨道稳定轨道波长波长论文获得了评委会的高度评价。论文获得了评委会的高度评价。人困惑的轨道量子化条件。人困惑的轨道量子化条件。了爱因斯坦，了爱因斯

17、坦，爱因斯坦称赞德布罗意的论文爱因斯坦称赞德布罗意的论文清华大学大学物理-近代物理路易路易.德布罗意德布罗意Louis.V.de Broglie法国人法国人1892 1986提出电子的波动性提出电子的波动性1929年获诺年获诺贝尔物理奖贝尔物理奖清华大学大学物理-近代物理Emhph02 eUmhph02 U=100V 时，时， =1.225经爱因斯坦推荐，物质波理论受到了关注。经爱因斯坦推荐，物质波理论受到了关注。 在论文答辩会上，佩林问：在论文答辩会上，佩林问： “这种波怎样用实验耒证实呢？这种波怎样用实验耒证实呢？” 德布罗意答道：德布罗意答道： “用电子在晶体上的衍射实验可以做到。用电子

18、在晶体上的衍射实验可以做到。”算算电子的波长：算算电子的波长：设加速电压为设加速电压为U（单位为伏特）（单位为伏特） X射线波段射线波段（电子电子v px，此情形下，坐标和动量基本此情形下，坐标和动量基本清华大学大学物理-近代物理隔壁车库内的汽车突然闯入了客厅隔壁车库内的汽车突然闯入了客厅2. 物体在有限势阱内物体在有限势阱内 该图出自伽莫夫的该图出自伽莫夫的物理世界奇遇记物理世界奇遇记这在微观世界里是这在微观世界里是可可能能发生的图象。发生的图象。该图包该图包含着两个物理内容：含着两个物理内容：1. 由不确定关系，汽车由不确定关系，汽车在车库中永远不会静止在车库中永远不会静止出的概率（见下一章）出的概率（见下一章） （车库的壁）有一定透（车库的壁）有一定透清华大学大学物理-近代物理 德国人德国人 Werner Karl Heisenberg 1901-1976 量子力学的创立量子力学的创立1932年诺贝尔物年诺贝尔物理学奖获得者理学奖获得者 海森伯海森伯