量子物理基础2014.pptx

1、量子物理基础,Quantum Physics,物理学仍然存在危机，,十九世纪末，物理学建立了比较完整理论 经典力学 经典电动力学 分子动理论 统计力学 经典电磁理论 光的波动学说,迈克耳孙莫雷实验 狭义相对论,黑体辐射 量子物理,1900年4月27日，在伦敦的大不列颠皇家研究所的星期五晚间演讲会上，开尔文勋爵做了题为19世纪热和光的动力学理论上空的乌云的演讲。,1nm100nm：1nm109 m,至大和至小理论结合的物理学大蟒,问题：如何制造一张木桌子？,1990年,美国IBM公司阿尔马登研究中心（Almaden Research Center）的科学家使用STM（扫描隧道显微镜）把35个氙原

2、子移动到各自的位置,组成了“IBM”三个字母,这三个字母加起来不到3纳米长.,比如：粒子,质子由三个夸克组成,五夸克态（pentaquark）,比如：能量,宏观物体：能量连续,微观粒子：能量分立, 微观粒子的波粒两相性, 微观粒子的波粒两相性,电子衍射图,Neutrons, A Zeilinger et al. Reviews of Modern Physics, 1988, 60: 1067-1073,He atoms: O Carnal and J Mlynek, Phys. Rev. Lett. 1991, 66: 2689-2692, 微观粒子的波粒两相性,布克球 （Buckyball

3、）, 量子的隧穿效应, Schrdinger 猫,Einstein would say: “God does not play dice”； Neils Bohr would respond saying “It is not your business to tell God what to do.”, 量子纠缠,自旋是微观粒子的固有属性,量子通讯,192419261928年,图书推荐 量子物理史话，曹开元，辽宁教育出版社,第十一章 量子物理基础,11.1 黑体辐射11.2 光电效应11.3 康普顿效应11.4 波粒二象性11.5 不确定关系11.6 薛定谔方程11.7 薛定谔方程的应用11

4、.8 氢原子中的电子11.9 电子自旋,习题P323：11-5, 11-7, 11-11,研究热辐射的原因 冶金学：依据炉内热辐射的强度分布来判断炉内的温度,以此来把握炼钢的时机。,11-1 黑体辐射（Blank body radiation）,不同温度的白炽灯灯丝及其辐射的能谱。左图灯丝温度较低，辐射的能量集中在可见光谱的长波段，灯丝看起来是红色的；右图灯丝温度较高，辐射的能量包括全部可见光谱，灯丝发出“白炽”光。,天文学：依据辐射强度分布来判断星体表面的温度。,1859年, 基尔霍夫（G. R. Kirchhoff）证明, 黑体与热辐射达到平衡时, 辐射能量密度随频率变化曲线的形状与位置只

5、与黑体的绝对温度T 有关, 而与空腔的形状及组成的物质没有关系.,黑体辐射研究的发展,1893年,维恩 (W.Wien) 发现黑体辐射的位移律.,辐射能量密度经验公式为：,维恩经验公式： 高频部分公式符合很好,低频部分有显著的偏差.,在任何温度下，黑体辐出度的峰值波长与绝对温度T 成反比,19001905年,瑞利（J.W.S. Rayleigh）,金斯（J.H. Jeans）,经典动力学和统计物理学,低频部分与实验符合很好.随频率增大而与实验值的差距越来越大,当时 ,引起发散.这就是有名的“紫外灾难”.,1900年10月19日, 普朗克（Planck）,1900年12月14日,普朗克给出了这个

6、公式的证明.,“I tried immediately to weld the elementary quantum of action somehow in the framework of classical theory. But in the face of all such attempts this constant showed itself to be obdurate My futile attempts to put the elementary quantum of action into the classical theory continued for a numb

7、er of years and theory cost me a great deal of effort. ”,黑体辐射的应用,正常人群左右手腕部热图,腱鞘炎左右手腕部热图,腱鞘囊肿左右手腕部热图,红外热像仪,热辐射规律在现代科学技术上的应用极为广泛，它是遥感、红外跟踪、红外热像等技术的物理基础。,红外热像仪,11-2 光电效应 (photoelectric effect),Heinrich Hertz,1887年,11-2 光电效应 (Photoelectric effect),一、实验规律饱和电流与光强成正比表明单位时间逸出的光电子数与光强成正比.遏止电压与光强无关表明光电子的最大动能与

8、光强无关.,11-2 光电效应 (Photoelectric effect),按照经典电磁理论,光电子能量应与入射光强和照射时间有关,而与入射光频率无关.因此,经典理论无法解释上述实验结果.,一、实验规律截止频率的存在表明入射光频率低于某一值(截止频率)时,光电效应不会发生.弛豫时间非常短表明无论入射光强多么微弱,几乎在开始照射的同时就产生光电流.,11-2 光电效应 (Photoelectric effect),爱因斯坦光量子假说 Annal der physik, 17, 132 (1905)1.电磁辐射实际上是以速度c 运动的局限于空间某一个范围中的光量子.这就是说,在空间传播的光束是由

9、成千上万个光量子构成的.2.光量子的能量为 , 为光的频率。3.光量子有“整体性”,一个光子只能整个地被电子吸收和放出,当电子在钠金属表面时,逸出功,截止频率,描述光子的物理量,描述波的物理量,例题1： 一个光源发出光能的功率为0.01W，发出的光的波长为560nm.试估计此光源每秒钟发出的光子数？ 如果一个人站在离光源100m的地方，这个人一只眼的入射光瞳的直径为4mm，则每秒钟进入这个人一只眼睛的光子数？,（1016个光子）,（2800000个光子）,光电管,光电倍增管,光电倍增管内装有若干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。,光电效应的应用,光电池用于车库门的

10、自动开启.,光电池在医学中的应用,细菌对光的吸收导致光电池接收到的光子数目减少,光电流降低.,电影胶片上的光学声轨与条形码类似,但更详细。声轨调制与所记录声音频率相同的光的强度.由光电池转成电流,经放大后驱动扬声器发声.,1923年，美国物理学家康普顿(A.H.Comptom)在观察X射线被物质散射时，发现散射光线中含有波长发生了变化的成分。,一.实验装置,11-3 康普顿效应,A.H. Compton, Phys. Rev. 22 409 (1923),经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率。,二.实验结果,在散射 x 射线中除有与入射波长相同的射线外，还有波长比入射波长更长的射

11、线 ，两者的波长差与散射角有关。,三.经典理论的困难,（1）物理模型,四.量子解释,电子,（2）理论分析,康普顿公式,康普顿波长,散射光子能量减小,（4）讨论,若 则 ,所以可见光观察不到康普顿效应.,与 的关系与物质无关，是光子与近自由电子间的相互作用.,散射中 的散射光是因光子与金属中的紧束缚电子（原子核）的作用，此时原子核的质量远大于光子质量，光子只改变运动方向，不改变速度大小。,康普顿公式,（5）物理意义,验证了光子假设的正确性。,微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律.,康普顿公式,11-4 波粒二象性 (wave-particle dualism),实验表明:光同时具有波动性和粒子性

12、,即波粒二象性,L.V.de Broglie (1892-1987) 法国物理学家。1929年因发现电子波动性获诺贝尔物理学奖。,1924年德布罗意提出既然波动具有粒子性，实物粒子也应具有波动性。能量为E、动量为 p 的粒子的频率和波长为,11.4.1 粒子的波粒二象性,德布罗意波长,1927年戴维孙,革末和汤姆孙获得电子在晶体上的衍射图样,实验证实电子具有波动性.,电子束在单晶上的衍射图样,戴维逊的电子衍射实验装置原理图,低能电子束射向镍晶体的(111)面,1927年戴维孙,革末和汤姆孙获得电子在晶体上的衍射图样,实验证实电子具有波动性.,1937年,戴维孙和汤姆孙因用晶体对电子衍射所作出的

13、实验发现获诺贝尔物理学奖.,汤姆孙的高速电子衍射实验原理图,电子束在多晶上的衍射图样,电子衍射实验,例题：计算（1）电子经过100V电压加速后的德布罗意波长;（2）一个质量为0.01kg,速度为 300m/s 的子弹的德布罗意波长.,解: (1),(2),电子显微镜由于电子的波长(0.1- 0.01 nm) 远小于可见光的波长, 因此电子显微镜的分辨能力可达0.1 nm.,鲁斯卡(E. Ruska, 1906-1988)德国物理学家. 1986年因设计了第一台电子显微镜获诺贝尔物理学奖.,1931年鲁斯卡和克诺尔(M. Knoll, 1897-1969)研制了第一台电子显微镜.,土耳其独居蜂的

14、幼虫,扫描电子显微镜,电子显微镜由于电子的波长(0.1- 0.01 nm) 远小于可见光的波长, 因此电子显微镜的分辨能力可达0.1 nm.,全息电子显微镜（Holography Electron Microscope）,电子双缝干涉实验示意图,11.4.2 电子双缝干涉实验,最美丽的物理实验之首,11.4.2 电子双缝干涉实验,单电子双缝干涉实验,怎样理解微观粒子既是粒子又是波?,11.4.2 电子双缝干涉实验,7个电子,屏上出现的电子说明电子的粒子性,20000,70000,100,3000,随着电子数目的增多在屏上逐渐形成了衍射图样,单电子干涉实验,正确理解微观粒子的波粒二象性,微观粒子

15、在某些条件下表现出粒子性,在另一些条件下表现出波动性.两种性质虽寓于同一体中,却不能同时表现出来.,光电效应,光子的能量,动量满足,微观粒子也具有波动-微粒两相性,德布罗意波长,康普顿效应,小结,扫描隧穿显微镜(Scanning Tunnelling Microscope, STM),1981年德国物理学家宾尼 (G. Binnig, 1947-) 和瑞士物理学家罗雷尔 (H. Rohrer, 1933-) 利用隧道效应研制成扫描隧穿显微镜. 并因此获得1986年诺贝尔物理学奖.,扫描隧穿显微镜原理图.,红细胞的STM扫描像,在金属铜(111)晶面上构建铁原子围栏,金属铜(111)晶面上的铁“原子”,解（1）,例：波长 的X射线与静止的自由电子作弹性碰撞, 在与入射角成 角的方向上观察, 问（1）散射波长的改变量 为多少？（2）反冲电子得到多少动能？（3）在碰撞中，光子的能量损失了多少？,（2） 反冲电子的动能,（3） 光子损失的能量反冲电子的动能,