量子论试验
量子理论简单介绍
——简单介绍
（内含部分哲学问题，请自行思考）
上帝不会掷骰子——爱 因斯坦
• “上帝会不会掷骰子”这个问题早在在1997 年的试验中就已经棺成定论。实验结果与量 子论的预言相符，爱因斯坦输了！赫赫有名 的霍金在谈到“黑洞”吞噬一切的特性时， 还拿这句话开涮:“上帝不仅掷骰子，还会把 骰子投到人看不到的地方。”
波粒二象性
• 波粒二象性（wave-particle duality）是指 某物质同时具备波的特质及粒子的特质 。波粒二象性是量子力学中的一个重要 概念。在经典力学中，研究对象总是被 明确区分为两类：波和粒子。前者的典 型例子是光，后者则组成了我们常说的 “物质”。1905年，爱因斯坦提出了光 电效应的光量子解释，人们开始意识到 光波同时具有波和粒子的双重性质。 1924年，德布罗意提出“物质波”假说 ，认为和光一样，一切物质都具有波粒 二象性。根据这一假说，电子也会具有 干涉和衍射等波动现象，这被后来的电 子衍射试验所证实。
泡利不相容原理
• 自旋为半整数的粒子（费米子） 所遵从的一条原理。简称泡利原 理。它可表述为全同费米子体系 中不可能有两个或两个以上的粒 子同时处于相同的单粒子态。 • 一个由2个费米子组成的量子系统 波函数完全反对称。
谢谢大家
张振刚制作
背景音乐：班得瑞《月光水岸》
Байду номын сангаас
物质波
• 物质波，又称德布罗意波，是概 率波，指空间中某点某时刻可能 出现的几率，其中概率的大小受 波动规律的支配。量子力学认为 物质没有确定的位置，它表现出 的宏观看起来的位置其实是对几 率波函数的平均值，在不测量时 ，它出现在哪里都有可能，一旦 测量，就得到它的平均值和确定 的位置。
• 比如一个电子，如果是自由电子， 那么它的波函数就是行波，就是 说它有可能出现在空间中任何一 点，每点几率相等。如果被束缚 在氢原子里，并且处于基态，那 么它出现在空间任何一点都有可 能。对于你自己也一样，你也有 可能出现在月球上，但是和你坐 在电脑前的几率相比，是非常非 常小的，以至于不可能看到这种 情况。这些都是量子力学的基本 概念，非常有趣。
光电效应与量子论的相关性质
光电效应与量子论的相关性质引言：自从光电效应和量子论的发现，它们之间的关联性引起了科学界的广泛关注。
光电效应是指当光照射到物质表面时，会产生电子的现象。
而量子论是一种描述微观世界行为的理论，它包括了光子和电子的行为描述。
本文将探讨光电效应和量子论之间的相关性质，并探讨其中的科学原理以及实际应用。
1. 光电效应：光电效应是指当光照射到金属表面时，会使金属表面释放出电子的现象。
这个现象最早在19世纪由德国物理学家海兹发现并解释。
他发现无论是频率、强度还是持续时间如何改变光的特性，只要光的频率大于某一特定值，才会观察到光电效应。
这个特定频率被称为截止频率。
2. 光电效应的实验观察：光电效应的实验观察表明，当光照射到金属表面时，会产生电子。
实验结果显示，光的强度增加时，产生的电流也会增加，而光的频率增加时，截止频率也会增加。
这些实验结果与光电效应的理论模型相吻合。
3. 波粒二象性：光电效应引出了波粒二象性的概念，即光既可以被视为波动也可以被视为粒子。
在光电效应中，光的能量以粒子的方式传递给电子，被称为光子。
这一观念最早由爱因斯坦提出，并用于解释光电效应的现象。
4. 量子论与光电效应的相关性：量子论是一种描述微观世界行为的理论，它说明光的能量以离散的形式存在，并且光的能量是由光子携带的。
光的能量由公式E = hf计算，其中E是能量，h是普朗克常量，f是光的频率。
这个公式与光电效应的实验结果紧密相关，验证了量子论与光电效应之间的联系。
5. 光电效应的应用：光电效应在现代科技中有广泛的应用。
例如，光电池（光伏电池）利用光电效应将太阳能转化为电能。
光电池是一种利用半导体材料的电子结构特性进行能量转换的装置，它在可持续能源研究和利用中扮演着重要的角色。
6. 其它相关性质：除了光电效应，量子论还能解释一系列与光有关的现象，例如光的干涉和衍射。
这些现象在波动理论中很难解释，但在量子论中可以得到很好的解释。
光的干涉和衍射实验证明了光的波粒二象性。
实验7-10量子论实验——原子能量量子化的观察与测量
实验７－１０量子论实验——原子能量量子化的观察与测量1、实验沿革：这个实验是从近代物理实验“夫兰克－赫兹实验”移植过来的，2000年将该实验简化后，以“量子论实验”为名，加到外系普通物理实验中，仍采用本校生产的汞管或氩管的F－H实验仪。
2002年，为适应“大平台”教学的需要，改用德国莱宝公司生产的氖管F－H实验仪。
该管可直观地观察氖原子退激发光现象，而且只需测量2－3个电流峰值，从而满足了既减少学时又增强物理内涵和提高兴趣的要求；把氩管作为选做的内容，仍放在教材中。
将实验名称改为“原子能量量子化的观察与测量”，以突出“观察”物理现象是本实验的重要内容之一。
2003年在编入正式出版的《基础物理实验》时，更改为现名。
2、实验目的：（1）加深对原子能量量子化的认识。
（2）观察原子被激发并退激发光。
（3）测量氖原子的第一激发电位。
（4）学习用作图法处理数据。
3、实验原理补充：可以控制阴极发射出的电子进入碰撞区的多少，从而可以控制电流的大小，（1）正向小电压U G’但并不是越大越好，它有一个最佳值，使实验曲线峰谷明显。
（2）反向电压U P增加，会使电流减少明显，但也有一个最佳值。
要通过实验观察来调整其大小。
（3）以上两最佳值与实验条件有关（如温度等），与F－H管累计使用时间也有关，因此要在实验中个别调节。
（4）任何一个峰值的出现都是由于大量电子在加速栅极附近与原子发生了非弹性碰撞。
4、实验前的准备：检查告示牌及所用导线是否齐全，了解实验仪器是否正常。
5、预习要求及质疑：（1）通读一遍讲义，对实验原理有所了解，对要做的实验有所准备。
为更好地预习，可以上网看实验介绍，了解实验前应该注意的问题等。
（2）写预习报告，包括实验名称、原理简述、电路图、实验步骤及数据表等。
（3）质疑：①电子如何与原子交换能量？当电子能量等于或大于原子的能级差时，才可能以能级差的能量交换；交换后，电子被电场再次加速。
②氖管为什么会发光？当氖原子从高激发态跃迁到低激发态时，可辐射出红光。
结构化学 第1章 量子力学基本原理---量子论
光是一种电磁波
➢1856年，Maxwell建立电磁场理论，预言了电 磁波的存在。 ➢理论计算出电磁波以3×108m/s的速度在真空 中传播，与光速度相同，所以人们认为光也是 电磁波。 ➢1888年，Hertz探测到电磁波。 ➢光作为电磁波的一部分，在理论上和实验上就 完全确定了。
L. Rayleigh（瑞利） 1911年Nobel物理奖
➢R － J 方 程 只 在 波 长 很 大时与实际情况比较符
。实验 -- 维恩 -- 瑞利－金斯
合 ， 随 着 λ 减 小 ， ρλ 单调增大，与实验结果
呈现巨大分歧。
➢推 论 ： 黑 体 的 单 色 辐
射强度将随波长变短而
趋于“无限大”。
光子学说对光电效应的解释
当光照射金属中的电子时，电子吸收光子的能量，
体现为逸出功(W0)和光电子动能(Ek) ：
hn
1 mv2 2
W0
n0=W0/h，为金属材料的特征值。
当n＞n0时，如果光的强度越大，则单位体积内
通过的光子数目就越多，因而光电流也越大。
W0
W0
W0 ,逸出功, 或称为功函数，F
结构化学 —— 第一章量子力学原理
第一章
I 量子论的形成 新理论的产生
为世人接受的新 观念和新理论
传统观念 和经典理论
不能解释 实验新发现
解释实验且为 其他实验证实
修
新观念 新假设
正
结构化学 —— 第一章量子力学原理
经典物理学
1900年以前，物理学的发展处于经典物理学 (classical physics)阶段: 由经典力学，电磁波理论， 统计物理学和热力学等组成。
与此相反，Wien方程只在
－－“紫外灾难” 高频区符合。
玻尔原子量子论
巴尔末系的特点： 巴尔末系的特点： 1. 每条谱线都占有确定的位置，即具有确定的波长 每条谱线都占有确定的位置， ２. 相临两条谱线的波长差是确定的 相临两条谱线的波长差沿着短波方向递减， ３. 相临两条谱线的波长差沿着短波方向递减，即谱线分布 沿着短波方向越来越密． 沿着短波方向越来越密． ４. 以上的特点是确定的，与实验条件无关． 以上的特点是确定的，与实验条件无关．
3. 广义的巴尔末公式：（氢原子光谱的其它线系） 广义的巴尔末公式：（氢原子光谱的其它线系） ：（氢原子光谱的其它线系
~ ν = R( 12 − 12 ) k = 1,2,3,L n = k + 1, k + 2,L k n
其中： 2 其中： R 和 R 称为光谱项 2 称为光谱项 k n
经典理论解释所碰到的困难： 二、用卢瑟福的核式模型＋经典理论解释所碰到的困难： 1897年J.J汤姆孙发现了电子 原子结构的研究真正开始 年 汤姆孙发现了电子 原子结构的研究真正开始. 汤姆孙发现了电子,原子结构的研究真正开始 1. 汤姆孙原子结构模型 他假定,原子中的正电荷和原子 他假定 原子中的正电荷和原子 质量均匀地分布在半径为10 质量均匀地分布在半径为 －10m 的球体范围内,而原子中的电子则 的球体范围内 而原子中的电子则 浸于此球体中—葡萄干蛋糕模型 葡萄干蛋糕模型. 浸于此球体中 葡萄干蛋糕模型 2. α粒子散射实验 F 实验装置图 R S θ • 粒子入射在金箔F上 α粒子入射在金箔 上, α粒子 O 被散射后打在荧光屏P上 被散射后打在荧光屏 上 金箔 显微镜T观测 粒子数. 观测α 显微镜 观测α粒子数
T P
实验结果: 实验结果 绝大多数α粒子穿透金箔后沿原方向运动,但有八千分之 绝大多数α粒子穿透金箔后沿原方向运动 但有八千分之 一的粒子的散射角θ大于90º.甚至有散射角接近 甚至有散射角接近180º的. 一的粒子的散射角θ大于 甚至有散射角接近 的 汤姆孙模型不能偏转角解释θ 的情况. 汤姆孙模型不能偏转角解释θ>90º的情况. 的情况
量子力学(黑体辐射) 1900年普朗克
3.72 1063(m)
4.实物粒子波动性的实验依据——电子衍射实验 电子束直接穿过厚10-8m的晶体膜，得到了电子
衍射照片
实物粒子波动性的提出导致了量子力学的诞生。
四、量子力学的基本方程 1、牛顿力学对粒子的描述：
➢ 粒子只有粒子性，没有的波动性， ➢ 粒子的一切状态用坐标 (r)和动量( p)完全描述，
新理论：相 对 论（迈克尔孙 — 莫雷实验） 量子力学（黑体辐射）
２、量子力学建立的过程 •1900年普朗克，提出了能量子假设，使人们第 一次认识到了微观物体的量子特征。
•1905年， 爱因斯坦提出了光量子假设，使人们认 识到了光的量子性。 •1913年，玻尔提出了氢原子理论，原子量子特征。
•1924年，德布罗依提出了实物粒子的波动性，认 识到实物粒子同时具有波、粒二象性。
光的园孔 衍射图样
（3）光的波、粒二象性联系：
E h hc mc2
粒子性的描述 E, p,m
p mc E h
c
波动性的描述 ,
光子的量子力学模型
波动性 突出表现在传播过程中 （干涉、衍射）
粒子性 突出表现在与物质相互作用中 （光电效应)
四.德布罗意物质波假设
１、德布罗意对光本性认识的反思： 整个世纪以来，我们在光的认识上出现了片面的
1 2
mvm2
h
A
1 2
mv
2 m
光电效应方程
光电子的最大初动能 A：逸出功
3.爱因斯坦光子理论对光电效应的解释
电子吸收了光子的能量，则一部分变为脱
出功，其余部分转化为光电子的初动能。
h
A
1 2
mvm2
当：h A 时才能产生光电效应
量子论薛定谔的猫公式
量子论薛定谔的猫公式薛定谔的猫公式是一种类比的思想实验，旨在描述量子力学中的奇特现象。
这个公式由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔在1935年首次提出，并以他的名字命名。
虽然这个公式只是一个思想实验，但它引发了很多关于量子力学的哲学讨论。
薛定谔的猫公式描述了一个决定猫是否生还的情境。
在这个实验中，一只猫被放置在一个密封的箱子中，而箱子内含有放射性物质。
如果放射性物质发生衰变，释放出一个粒子，那么这个粒子将触发一个装置，通过破裂一个氰化物瓶，释放到箱内的氰化物将导致猫的死亡。
而如果放射性物质未发生衰变，那么这个装置不会被触发，猫将存活下来。
在量子力学的框架下，放射性物质正处于叠加态，即它既发生衰变又未发生衰变，直到我们进行观测。
这种叠加态的概念在量子力学中很常见，意味着一种量子系统可以同时处于多个可能的状态中，直到被观测到为止。
根据量子力学理论，猫在箱子内也处于叠加态，即既生还又死亡，直到被观测到。
这种情况在经典物理学中是不可想象的，因为在经典物理学中，猫只能处于生或死的状态中的一种。
猫的叠加态是由放射性物质的叠加态决定的。
在没有观测之前，猫和放射性物质都同时处于叠加态中，可能处于生还状态，可能处于死亡状态。
直到我们观测箱子，猫的状态才会塌缩为生或死中的一种。
薛定谔的猫公式引发了量子力学中的测量问题。
测量问题是指我们无法预测观测将会得出什么结果，测量结果只会在我们进行观测后才能确定。
这与经典物理学中的可预测性不同。
薛定谔的猫公式也引发了许多关于“测量”的各种解释。
一种解释是多世界诠释，它认为观测不会使叠加态塌缩，而是会导致宇宙分裂成多个平行宇宙，每个宇宙都对应一种可能的测量结果。
另一种解释是量子力学的塌缩解释，它认为在观测时，量子系统会选择其中一种状态塌缩为确定的状态。
尽管薛定谔的猫公式只是量子力学中的一个思想实验，但它引发了对量子力学本质的许多哲学争论和思考。
这种类比的思想实验提醒我们量子力学的奇特性质，并挑战我们直觉的经典物理学观念。
弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验
基态(ground state)
基态是能量最低即最稳定的状态。
主要著作:1922年出版《光谱与原子结构理论》、1934年出版
《原子理论与自然界描述 》、1955年出版《知识统一性》等。 1922
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激发态(excited states)
除基态以外的其余定态。 电子只有从外部吸收足够能
玻尔
研究原子结构，提出原 子理论两个基本假设：
● 定态假设 ● 频率规则
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玻尔原子模型 1913年
Dr. Prof. W.N.Pang
h Em En
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h 6.63 1034 J s
Dr. Prof. W.N.Pang
Dr.Prof.Pang
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波尔1885年生于哥本哈根，1941年在哥本哈根大学毕业，获
博士学位。1961年任哥本哈根大学理论物理学教授，1962年起 担任哥本哈根大学理论物理研究所所长。曾任丹麦皇家科学院 院长和原子能委员会主席、英国皇家学会会员、法国科学院院 士。玻尔是量子力学创始人之一，哥本哈根学派领袖。
关于轨道能量量子化的概念
用慢电子轰击稀薄气体原子(Hg)，做原子电离电位测
定时，发现了原子的激发能态和量子化的吸收现象， 并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线， 从而直接证明了玻尔原子结构的量子理论，为此他们 获得了1925年的诺贝尔物理奖。
弗兰克 - 赫兹实验是完全不同于光谱 实验，是从另一个角度来证明原子存在 分立能级,并能测量出原子一些能级。
数据处理要求
使用两种方法:
1)逐差法 U g
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• 背景资料
1.1900年普朗克提出能量量子化的假设
E hv
E hv
普朗克
热辐射理论与实验结果的比较
量子论实验
• 背景资料
2.1905年爱因斯坦提出光量子论
1905年时的爱因斯坦
量子论实验
• 背景资料
3.1909年卢瑟福建立了原子核Байду номын сангаас构的核式模型
卢瑟福
量子论实验
• 背景资料
3.1909年卢瑟福建立了原子核结构的核式模型
量子论实验
• 背景资料
4.1913年玻尔提出原子结构的量子理论
玻尔
量子论实验
• 背景资料
5.1914年弗兰克和赫兹从实验上直接证实了玻尔理论，并因 此获得了1925年的诺贝尔物理学奖。
弗兰克
赫兹
量子论实验
• 实验原理
1.玻尔理论：
原子只能处在某些特定的能量状态(称为定态)，它的能量不可 能连续变化而只能是突变，即“跃迁”。原子在两个定态上跃迁 时，发射或吸收电磁辐射频率 满足以下条件：
量子论实验
• 关于一些实验现象的思考
我们看到的光是氖原子从第一 激发态返回基态时所发出的吗？
为什么发光区会向阴极突出、 甚至会在阴极附近出现极亮点？
hv E1 E 0 2.第一激发电位
U1 E1 E0 / e
3.电子与原子间的相互作用 弹性碰撞 非弹性碰撞
量子论实验
• 实验装置
氖碰撞管
碰撞管内电位分布示意图
量子论实验
• 实验线路
Ip－UG曲线示意图 氖碰撞管接线图
• 实验应用
量子论实验
1。研究未知粒子的结构，用已知粒子与其碰撞。 2。减速场的应用电子能量分析器，低能电子衍射。