量子论
量子论
h 称为能量子，
ε nh (n 1,2,3,量子数)
h 6.6310 J s 普朗克恒量
：振子的频率
34
4 h 3h 2 h 1h
2）、 普朗克黑体辐射公 式 3 2 π h d M (T )d 2 hν / kT c e 1
M (T ) /(109 W m-2 Hz 1 )
4.光电效应在近代技术中的应用 1.光控继电器 可以用于自动控 制，自动计数、自动 报警、自动跟踪等。
放大器
K
K2
K1
K4
K3
K5
控制机构
2.光电倍增管
A
可对微弱光线进行放 大，可使光电流放大 105~108 倍，灵敏 度高，用在工程、天 文、科研、军事等方
3、康普顿效应
引言：爱因斯坦断言：光是由光子组成，但真正证明光 是由光子组成的还是康普顿实验。 1.光的散射 光束通过光学性质不均匀的介质时，从侧面可以看 到光的现象称为光的散射。
2.光电效应的实验规律
1. 光电效应实验 W 石英窗 A K 阳 阴 光线经石英窗照在阴极上， 极 极 便有电子逸出----光电子。 光电子在电场作用下形成光电流。 将换向开关反接，电场反 向，则光电子离开阴极后将受反 G 向电场阻碍作用。 V 当 K、A 间加反向电压，光 电子克服电场力作功，当电压达 到某一值 U0 时，光电流恰为0。 U0称反向遏止电压。 光电子动能转换成电势能
（3）光电流正比于光强的解 释 光强正比于单位时间流过单位面积 的光子数。光 强越大，光子数越多。
不同金属具有不 同的截止频率。
金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。 光强越大，光电子越多，光电流越大。 （4）光电效应瞬时性的解释 电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止 频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的 时间，与光强无关。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时 并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的 波动理论。 例1：铂的逸出功为6.3eV，求铂的截止频率0 。
经典力学,相对论与量子论的关系
经典力学,相对论与量子论的关系经典力学、相对论和量子论是物理学中的三大理论体系，每个理论体系都有自己的适用范围和局限性。
它们之间的关系不仅仅是纯学科关系，更是哲学和科学方法论上的关系。
经典力学是描述大尺度物体运动的理论，其基础是牛顿力学。
通过牛顿定律，可以得出物体在受到力的作用下的加速度以及位置的变化。
经典力学认为物质是连续且具有确定的位置和速度，这种观点在纳米尺度下变得不再成立，因为粒子的行为变得不可预测。
相对论描述了高速物体运动的理论，由爱因斯坦提出。
相对论基于两个基本原理：光速不变原理和等效原理。
相对论中，时间和空间不是绝对的，而是与观察者的运动状态相关。
另外，相对论给出了质能的等价性方程E=mc²，揭示了质量能量的本质统一。
量子论则是描述微观物体运动的理论，其基础是量子力学。
量子力学的基本概念包括波粒二象性以及不确定性原理。
波粒二象性表明了电子、光子等粒子既是波又是粒子，存在于一个综合波函数的描述中，并且粒子运动的轨迹不是具体的，而是具有一定的概率分布。
不确定性原理则说明，测量某个量的精度越高，就会牺牲对另一个量的精度，不能同时得到完全确定的结果。
这三个理论体系之间的关系，可以通过以下几个角度来分析：1. 范畴分明三个理论体系适用的范围不同。
经典力学适用于尺度较大的物体，而相对论适用于高速运动的物体，量子力学适用于微观物体。
它们各自是不同层面上的物理现象的描述，不能用一个理论来解释另一个层面的物理现象。
2. 相互影响三个理论体系之间也存在相互影响。
相对论影响了经典力学的思想，引发了爱因斯坦场方程的提出。
量子力学则影响了相对论的思想，引发了弦理论和量子引力等新理论的涌现。
而经典力学则成为了相对论和量子力学的基础和桥梁，许多经典力学中的概念和方法都被引入到相对论和量子力学中。
3. 哲学思考三个理论体系是不同的哲学思考所导致的。
经典力学源于牛顿对于经验法则的总结，相对论则反映了爱因斯坦对于时间和空间的新的哲学思考，量子力学则涉及了粒子和波的关系等哲学问题。
量子力学基本原理-量子论
Bohr理论成功地解释了当 时已知的Balmer、Paschen 和Brackett线系。 预 测 n1 ＝ 1 定 态 的 光 谱 线 的波长121.6nm等，1915年 被Lyman发现，称为Lyman 线系。
Bohr理论同样适用于类氢离子光谱的解释
E
R
Z2 n2
1.1.3 氢原子光谱
研究原子的结构及其规律常用的实验方法
利用高能粒子对原子进行轰击。 观测在外界激发下（电火花、电弧、火焰或其 它方法）原子所发射的光辐射。
元素的原子被火焰、电弧等激发时，能受激而 发光，形成光源。将它的辐射线通过狭缝或棱 镜，可以分解为许多不连续的明亮的线条，称 为原子光谱。
与此相反，Wien方程只在
－－“紫外灾难” 高频区符合。
Kelvin （ 1900 年 ） ： 物 理 学理论的大厦飞来两朵乌 云，它动摇了物理理论的 基础。 Michelson 否 定 了 绝 对 参 照系的存在。 经 典 电 磁 波 理 论 无 法 解 释黑体辐射。
Kelvin：热力学第二定 律、及第一定律的数学 表达式。
普朗克能量量子化假 设的提出，突破了传 统物理能量连续观念 的束缚，标志着量子 论的诞生。
M. Planck 1858～1947，德国 1918年Nobel物理奖
1.1.2 光电效应
金属片受光的作用放出电子的现象称为光电效应，这 是由Hertz及其助手Lenard于1887年发现的。
光电效应实验装置图
光的电磁波理论不能解释黑体辐射现象。 1900年，Planck量子论解释了这一现象。 1905年，Einstein光子说解释了光电效应； 1923年，Compton效应进一步证实了光子说。
爱因斯坦提出光的量子理论
苹果为什么 垂直落地？为什 么不向旁边、不 向上而总是向着 地面落下呢？
牛顿凝视苹果落下的瞬间一直被看成是引 发牛顿导引出万有引力灵感的一刻。但是也有 人认为这不过是后人由于特殊的原因，捏造的 一个故事而已。机你会认只为眷苹顾果那坠些落有的准故备事的是头真脑实。 的吗？为什么？
材料一：我之所以能比别人看得远些，是因为 我站在巨人们的肩上。
史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）
1942年1月8日在英国牛津出生，曾先后毕业 于牛津大学和剑桥大学，并获剑桥大学哲学博 士学位。
他在21岁时就不幸患上了会使肌肉萎缩的卢伽 雷氏症，演讲和问答只能通过语音合成器来完 成。
英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授， 当代最重要的广义相对论和宇宙论家，是本世 纪享有国际盛誉的伟人之一，被称为在世的最 伟大的科学家，还被称为“宇宙之王”。
的遗嘱，不发讣造，不举行公开葬礼，不建坟墓，不 立纪念碑。火化时按照他的书面遗嘱：免除所有花卉 布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的地 方，为的是不使任何地方成为圣地。遗嘱执行者用歌 德悼念席勒的诗结束了那朴素的葬礼：
我们全都获益不浅，
全世界都感谢他的教诲； 那专属他个人的东西， 早已传遍广大人群。 他像行将陨灭的彗星， 光华四射， 把无限的光芒同他的光芒永相连结。
这个故事形象地说明了时间和空间的相对性。
3 广义相对论（1916年提出）
2005世界物理年
红色——代表过去 蓝色——代表未来 黄绿——代表连结 过去到未来
对物理学家而言，这个标 识象征的是光锥；对一般大众 而言常被看成是沙漏，象征着 爱因斯坦在时间相对性上渊博 的见解及洞察力。
爱因斯坦的逝世与葬礼： 1955年4月18日爱因斯坦病逝于普林斯顿。遵照他
量子论在社会生活中的应用
量子论在社会生活中的应用
量子论是描述微观世界中物质和能量相互作用的理论，它在社会生活中有许多应用。
以下是一些例子：
1. 量子计算：量子计算是一种基于量子力学原理的计算技术，它可以比传统计算机更快地解决某些问题。
量子计算机可以用于解决复杂的数学问题、优化问题和密码学等领域。
2. 量子通信：量子通信是一种基于量子力学原理的通信技术，它可以实现安全的通信。
量子通信利用量子态的特殊性质来保证通信的安全性，它可以防止窃听和破解。
3. 量子传感器：量子传感器是一种基于量子力学原理的传感器，它可以比传统传感器更精确地测量物理量。
量子传感器可以用于测量磁场、温度、压力和重力等物理量。
4. 量子成像：量子成像是一种基于量子力学原理的成像技术，它可以实现高分辨率的成像。
量子成像利用量子态的特殊性质来实现成像，可以用于生物医学成像、材料科学和地质学等领域。
5. 量子密码学：量子密码学是一种基于量子力学原理的密码学技术，它可以实现安全的密码传输。
量子密码学利用量子态的特殊性质来保证密码的安全性，可以防止窃听和破解。
总之，量子论在社会生活中有许多应用，它可以为我们提供更快速、更安全和更精确的技术。
随着量子技术的不断发展，相信它将会在更多的领域得到应用。
量子论和相对论
量子论和相对论
1、爱因斯坦的相对论
提出：
1905年提出“狭义相对论”;1916年提出“广义相对论”，通称相对论。
内容：
两个基本原理是相对性原理和光速不变原理，认为时间、空间、运动、质量不是绝对不变的，而是相对的，可以相互转化。
意义：
①创立了一个全新的物理学世界，极大地扩展了物理学应用的领域。
②打破了经典物理学绝对化的思维，为人们提供了辨证地看待世界的途径。
③是物理学领域最伟大的革命，相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。
2、量子论
提出：
1900年普朗克(德国)提出“量子假说”;1905年爱因斯坦提出了光的量子理论;丹麦的玻尔提出了原子的量子理论。
意义：
量子论是20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一;使人类对客观规律的认识，开始从宏观世界深入到微观世界;在量子论基础上发展起
来的量子力学，极大地促进了原子核物理学等科学的发展，人类从此进入了核能时代。
经典力学,相对论与量子论的关系
经典力学,相对论与量子论的关系
经典力学、相对论和量子论是物理学中最基本的三个分支，它们分别描述了不同的物理现象和规律，但它们之间也有很多联系和关联。
经典力学是物理学的经典分支，主要研究非常规律性的物理系统，如牛顿力学和拉格朗日力学等。
它适用于大尺度和低速度的物理现象，但在描述原子和分子这样微小尺度和高速运动时，它的描述就无法精确和准确。
相对论是描述高速和强引力下物理现象的理论，如爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论。
它的理论基础是光速不变原理和等效原理，可以解释黑洞、宇宙膨胀等重要物理现象。
但相对论仍然不能解释微观粒子的行为和规律。
量子论是描述微观世界中物理现象的理论，如量子力学和量子场论等。
它可以精确描述原子、分子、粒子等微观尺度下的物理现象和规律，但在大尺度和高速运动时，其描述就不再适用。
这三个分支之间的联系和关联是多方面的。
首先，相对论和量子论都可以被看作是经典力学的推广和修正，它们都包含了经典力学的基本原理和规律。
其次，相对论和量子论在许多领域都有交叉应用，如量子场论和相对论量子力学等。
最后，许多物理学家正在寻求一种统一的理论来描述整个宇宙的物理现象，这种理论被称为“物理学的理论一统天下”，它的构建需要将经典力学、相对论和量子论进行有
机的结合和整合。
- 1 -。
普朗克量子论
普朗克量子论
普朗克量子论是物理学的一个基础学科，也是为解释宇宙中物质和能量的现象而构建的量
子力学模型。
它最初是由德国物理学家博尔夫和其同事伊安·斯特拉斯基在1900年提出的，他们提出了一个基于二进制原理的理论。
普朗克量子论从原子发展到物质，提出物质
的混合性能及其可观察的原子结构是物质的基本组成成分，以及其对外部环境的反应机制。
普朗克量子论是最宏观的宇宙物理学，其基本性质是宇宙物质本质上是无格子结构的不可
分割的量子，又称为基本粒子。
普朗克量子论说明，物质的最终来源是由基本粒子组成的
量子吸引力外力存在，而基本粒子受其他粒子（称为暗能量粒子）的吸引力，产生了复杂
的原子和分子结构，而这一结构就是宇宙物质的最终基础。
因此，普朗克量子论极大地拓
展了我们关于宇宙物质的科学认识。
普朗克量子论也推动了一系列新的发现，如联系宇宙扩张与物质的相对论，粒子对比实验，量子解耦，量子纠缠等。
它们使得我们对宇宙中存在的物质有了更多的了解，也让我们更
加直观地理解宇宙之间的关系。
普朗克量子论的概念也横跨了物理学的其他方面，如化学、热力学、催化等，甚至更加复
杂的物质间关系，如现代量子力学论、空间时间和量子力学论等。
普朗克量子论是现代物理学的一个重要的组成部分，它令人不可思议地拓展了宇宙物质间
的关系，最大程度地揭示宇宙物质现象的本质，使我们可以更加全面地理解宇宙。
它不仅
为科学家和工程师提供了使用它们创新的可能性，而且也让我们更加深刻地理解和感受宇
宙的奥秘美妙。
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1. 实验装置 光从真空玻璃管的入 射窗口射向阴极K 阴极K发出电子 阳极A接收电子 阴极与阳极之间加电 压
A
பைடு நூலகம்
K
G
V
电压表V用来测量阴 极与阳极之间的电势差 电流计G用来测量回 路中形成的电流
A
a
当AK间的电压 为遏止电压时, 光电 子的最大初动能全部 用来克服电场力做功.
1 2 mvm eU a 2
U a
i
I1 I 2 I 3 i s1
is 2
I1 I2
I3
U
is 3
o
遏止电压U a 与光强无关, 与入射光的频 率成线性关系
U a k U 0
为斜率, 直线与横坐标轴的交点为金 属的红限频率. (见P. 122 图13.6)
0 0.25 (B)
氢原子光谱 氢原子的能级
13.6 En 2 (eV) n
氢原子能级跃迁公式
1 1 RH 2 2 n k 1
RH 1.097 107 m 1 为里德伯常数
氢原子光谱的线系 氢原子从第 n ( k ) 能级向第 k 能级跃迁 时形成不同的线系 ( n k ) 赖曼系: n 1 巴耳末系: n 2 帕邢系: n 3 布拉开系: n 4 普丰德系: n 5
K
G
V
2. 实验规律 (1) 饱和电流 i I I I 保持入射光的 I i 频率和光强不变 I i I (i) 在一定的电 i 压范围内光电流随 o U U 电压的增加而增大, (ii) 当电压达到一定值时, 光电流达到 饱和状态.
1 2 3 1 s1
s2
2
3
s3
a
(2) 截止频率
(i) 当入射光的频率小于某个值 0 时, 不 会产生光电流, 与入射光的强度和照射时间 无关; (ii) 当入射光的频率大于这个值时, 入 射光一照射到阴极上即产生光电流. 0 称为这种金属的截止频率或红限频 率, 相应的波长称为红限波长. 截止频率与金属有关, 大多数金属的截 止频率在紫外区.
如不懂此题如何处理?
(P. 9) 8 电子显微镜中的电子从静止开始通过 电势差为 U 的静电场加速后, 其德布罗意波 1 0 长为 0.4 A (1A 10 m), 则 U 约为[ ] h 6.63 103 4 J s 普朗克常数
(A) 150V. (B) 330V. (C) 630V. (D) 940V.
h h 0 Ek 2h h 0 E k E k h Ek (B)
康普顿散射 光子与原子的外层静止的自由电子发 生弹性碰撞. 现象: 在散射光中除了有入射光的波长 成分外, 还有比入射光波长更长的波长成分.
h c m0 c
称为康普顿波长.
康普顿效应中, 入射光波长、散射光波 长及散射角之间的关系
( A) h
.
(B)
h
0
.
(C)
2me hc(0 )
0
0
.
.
(D)
2me hc
0
.
( E)
2me hc(0 )
1 2 h h 0 mev 2 1 1 1 2 2 me v ( me v ) p2 2 2 me 2me 1 2 h h 0 p 2m
E1
物质波 (德布罗意波) 德布罗意提出一切实物粒子 (电子、质 子、中子等) 都具有波粒二象性. 德布罗意公式 (实物粒子的能量与动量 及频率与波长的关系)
E mc 2 h p mv h
与实物粒子相联系的波称为德布罗意 波或物质波.
(P. 7) 四 (同(P. 13) 7) 已知某电子的德布罗意波长和光子的 波长相同. (1) 它们的动量大小是否相同? 为什么? (2) 它们的 (总) 能量是否相同? 为什么?
说明: 在测不准关系中, 有时用
x px h 2 , Et h 2
来计算
在 E ~ t 的测不准关系中, 注意 E 为 能级宽度, t 为处在该能级的寿命的情形.
(1) p mv h 电子与光子的动量相
同;
(2) 光子的能量
c E h h c
电子以速度 v 运动时的能量
E mc2 m0c 2 1 (v c) 2
p mv h hc 1 (m0c h) 2
电子与光子的能量不同.
当入射光的频率刚好使电子克服逸出 功脱离金属表面时, 电子不具有初动能,
1 2 mv 20 A h A mvm 0 2 h
2 m
不同的金属的逸出功是不同的, 而同种 金属的逸出功则是一个固定的值.
在产生光电效应的情况下, 饱和电流与 入射光的强度成正比. 光的强度取决于单位时间内通过与光 的传播方向垂直的单位面积的能量 (能流密 度, 光强越大, 照射到阴极上的光子数越多, 逸出的电子就越多, 饱和电流越大.
(A) 0.20; (B) 0.25; (C) 0.30; (D) 0.35.
E入射 E散射 E反冲 E散射 E入射 E反冲 0.5 0.1 0.4MeV
E h
c
hc
hc
E入射
hc
入射
hc
0
, E散射
散射
hc
hc hc 0 , E入射 E散射
1 h h 0 mv 2 2
1 1 1 2 p h 1 h 2 2 mv (mv) p 2 2m 2m 2m 1 h h h 0 2m
2 2
h 2m( 0 )
(P. 9) 7 某金属产生的光电效应的红限波长为 0 , 今以波长为 ( 0 ) 的单色光照射该金 属, 金属释放出的电子 (质量为 me ) 的动量大 小为[ ]
p 1:1 p p
h pp
E p m 1 p2 2 E mv 4 :1 2 2m E m p
(P. 10) 5 若不考虑相对论效应, 则波长为 5500A 的电子的动能是多少?
h 6.63 10 J s, me 9.11 10 kg,1A 1010 m
0 c (1 cos )
0 : 入射光波长
: 散射光波长 : 散射角
(P. 7) 6 在康普顿散射中, 如果反冲电子的速度 为光速的60%, 则因散射使电子获得的能量 是其静止能量的 倍.
E k E E0
c) E mc 2 m m1 (v
当入射光的能量小于逸出功时, 由于一 个电子不可以同时吸收两个光子, 从而电子 获得的能量不足以克服逸出功而脱离金属 表面, 而电子吸收一个光子所增加的能量的 过程是短暂的, 因此, 在这种情况下, 不论光 有多强, 照射时间持续多久, 都不会产生光 电效应.
光子的能量与动量 (光的波粒二象性)
p 2me h( 0 )
2me hc(0 )
0
(E)
(P. 9) 7 已知钾的逸出功为 2.0 eV , 如果用波长 为 3.6 107 m 的光照射在钾上, 则光电效应 . 从钾 的遏止电压的绝对值 | U a | . 表面发射出电子的最大速度vmax
( 2) vm 2eU a m 7.14 105 m s
(P. 12) 8 用频率为 的单色光照射某种金属时, 逸出的光电子的最大动能为 Ek . 若改用频率 为 2 的单色光照射此种金属时, 则逸出光 电子的最大动能为[ ]
(A) 2Ek . (B) h Ek . (C) h Ek . (D) 2h Ek .
34 31
1 2 p 2 p h h2 E mv 2 2m 2m2
7.97 102 5 J 4.98 106 eV
测不准关系 微观粒子的波粒二象性使得微观粒子 的坐标与动量、能量与时间等物理量不能 同时精确测量.
x px 2 , Et 2 , ( h 2 )
(P. 7) 6 (同. 13) 6) 处于基态的氢原子被外来单色光激发 后发出的光仅有三条谱线, 问此外来光的频 R 1.097 107 m 1 ) 率为多少? (里德伯常数
E3 E1 h En 13.6 n 2
E3
E2
E3 E1 19 1.6 10 h 2.92 1015 (Hz)
2 0
m0 c 2 1 (v c) 2
E0 m0 c 2
E k E E0 1 1 E0 E0 1 (v c) 2 1 1 (0.6c c) 2 1 0.25
计算过程实际上是相对论的内容.
补充 光子能量为 0.5MeV 的X射线, 入射到某 种物质而发生康普顿散射. 若反冲电子的能 量为 0.1MeV , 则散射光波长的 与入射光 波长 0 之比值为 [ ]
h
ph
由相对论的质量
m m0 1 v2 c2
光子以光速 c 运动, m0 0 , 即光子的 静质量为0.
(P. 7) 7 某金属产生光电效应的红限为 0 , 当用 频率为 ( 0 ) 的单色光照射该金属时, 从 金属中逸出的光电子 (质量为 m ) 的德布罗 . 意波长为
h 6.631034 J s, 1eV 1.60 10-19J, me 9.11 1031kg
1 2 h h 0 mvm (1) 2 1 2 mvm eU a (2) 2 hc h 0 (1), ( 2 ) U a 1.45V e e