中南大学大物15量子物理基础gPPT课件
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《量子物理基础 》课件
挑战：量子计算技术仍面临许多挑战， 如量子比特的稳定性、量子算法的设 计等
量子通信：基于量子密钥分发的加密通信技术，具有极高的安全性和保密性
量子网络：基于量子纠缠和量子隐形传态的量子信息传输网络，具有极高的传输速 度和传输效率
发展趋势：量子通信和量子网络技术正在逐步成熟，未来有望成为主流通信和网络技 术
,
汇报人：
CONTENTSPART 源自NEPART TWO量子物理是研究微观世界物理规律的科学 量子物理的基本概念包括量子、波粒二象性、测不准原理等 量子物理的应用领域包括量子通信、量子计算、量子加密等 量子物理的发展历程包括量子力学、量子场论、量子信息科学等
1900年，普朗克提出量子概念，量子物理诞生 1905年，爱因斯坦提出光子说，量子物理得到进一步发展 1913年，玻尔提出原子模型，量子物理进入新阶段 1925年，海森堡提出不确定性原理，量子物理进入成熟阶段 1926年，薛定谔提出波动力学，量子物理得到进一步完善 1927年，狄拉克提出相对论量子力学，量子物理进入新阶段
量子测量技术：利用量子效应进行 测量的技术，如量子纠缠、量子隐 形传态等
前景展望：量子传感器和测量技术 有望成为未来科技发展的重要方向， 推动量子信息技术的发展和应用。
汇报人：
概念：量子力学的基本原理之一，描述一个量子态可以由多个量子态叠加而成 应用：在量子计算、量子通信等领域有广泛应用 实验验证：通过双缝干涉实验等实验验证了态叠加原理 发展：态叠加原理是量子力学发展的重要基础，推动了量子力学的发展和进步
PART FOUR
波函数是量子 力学中的基本 概念，描述粒
子的状态
前景：量子通信和量子网络技术有望在信息安全、金融、医疗、军事等领域得到广 泛应用，具有巨大的市场前景和商业价值。
15章量子物理65页PPT
光强越大，N ， N ， I S ( 0 时）
遏止电压
W 石英窗
外加反向的遏止电压 U 0 恰
能阻碍光电子到达阳极, 即 阳极 A
K 阴极
eU0
1 2
mv2
1mv2 hW
2
eU 0hW
G V
U0
h
e
W e
遏止电压随入射光频率线性增加,与光强无关。
第十四章 量子物理
教学要点
1.光电效应的实验规律、爱因斯坦光子假设. 2.康普顿效应的实验规律. 3.氢原子光谱的实验规律及玻尔氢原子理论. 4. 实物粒子的波粒二象性. 5. 坐标动量不确定关系 .
第一节
光电效应 光的波粒二象性
实验现象1：存在饱和电流强度 Im Ne
饱和电流强度与入射光强度成正比。
实验现象2：存在遏止电压 U 0 。
与入射光强无关，与入射光频率具有线性关系。
实验现象3：存在截止频率0 。 ≥0，才能发生光电效应。
实验现象4：光电子瞬时发射。
二、光的波动说遇到的困难
红限问题 按照光的波动说，金属表面的电子在入
射光电场的作用下作受迫振动，E振 动 能 A2， 只要光足够强, E振动能 就越大，因此电子 就有足够的能量从金属表面逸出，而不存在
可见，经典理论无法解释波长变长的 散射光。
四、量子解释
1.物理模型
光子 0
y
电子
v0 0
x
y
光子
x
电子
入射光子（ X 射线或 射线）能量大 .
Eh 范围为：10 4~10 5eV
光子 0
y
电子
v0 0
x
遏止电压
W 石英窗
外加反向的遏止电压 U 0 恰
能阻碍光电子到达阳极, 即 阳极 A
K 阴极
eU0
1 2
mv2
1mv2 hW
2
eU 0hW
G V
U0
h
e
W e
遏止电压随入射光频率线性增加,与光强无关。
第十四章 量子物理
教学要点
1.光电效应的实验规律、爱因斯坦光子假设. 2.康普顿效应的实验规律. 3.氢原子光谱的实验规律及玻尔氢原子理论. 4. 实物粒子的波粒二象性. 5. 坐标动量不确定关系 .
第一节
光电效应 光的波粒二象性
实验现象1：存在饱和电流强度 Im Ne
饱和电流强度与入射光强度成正比。
实验现象2：存在遏止电压 U 0 。
与入射光强无关，与入射光频率具有线性关系。
实验现象3：存在截止频率0 。 ≥0，才能发生光电效应。
实验现象4：光电子瞬时发射。
二、光的波动说遇到的困难
红限问题 按照光的波动说，金属表面的电子在入
射光电场的作用下作受迫振动，E振 动 能 A2， 只要光足够强, E振动能 就越大，因此电子 就有足够的能量从金属表面逸出，而不存在
可见，经典理论无法解释波长变长的 散射光。
四、量子解释
1.物理模型
光子 0
y
电子
v0 0
x
y
光子
x
电子
入射光子（ X 射线或 射线）能量大 .
Eh 范围为：10 4~10 5eV
光子 0
y
电子
v0 0
x
第15章 量子物理基础 PPT课件
行
“但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌 云”，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个实验
现象。
厚
其一是否定绝对时空观的迈克尔逊—莫雷实验；
德
其二是热辐射现象中的紫外灾难。 正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打
弘 消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近
毅
代物理学的理论基础作出了贡献。事实上还有第三朵小小的 乌云，这就是放射性现象的发现，它有力地表明了原子不是
并且应用越来越广泛。
由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行的深入
厚 而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础，特别是由麦
德
克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存在，随即被赫兹的 实验所证实。后来又把牛顿、惠更斯和菲涅耳所建立的光学
弘 也纳入了电动力学的范畴，更是一项辉煌的成就。因此当时
毅
许多著名的物理学家都认为物理学的基本规律都已被发现， 今后的任务只是把物理学的基本规律应用到各种具体问题上，
笃 和透射的物体。
行
煤烟
厚
约99%
德
弘 黑体辐射的特点 ：
毅 • 温度
黑体模型
黑体热辐射
材料性质
• 与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射本领最强
11
实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.
博 学 黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的 笃物体称为黑体 .（黑体是理想模型） 行
学 1.热辐射现象
笃
一切物质中的原子、分子因
行
热激发而向外辐射电磁波的现象。 实验证明不同温度下物体能发出
不同的电磁波，这种能量按频率
厚
的分布随温度而不同的电磁辐射 叫做热辐射。
量子物理基础PPT课件
高温超导 玻色凝聚
相干原子束
第十二章 量子物理基础
§12.1 黑体辐射 §12.2 光电效应 §12.3 康普顿效应 §12.4 波粒二象性 §12.5 不确定关系 §12.6 薛定谔方程 §12.7 薛定谔方程的应用 §12.8 氢原子中的电子 §12.9 电子自旋
§12-1 黑体辐射
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
问题：如何制造一张木桌子？
Richard Feynman gave the classic talk on December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology (Caltech).
But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately---in the great future---we can arrange the atoms the way we want...
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.
内的温度，以此来把握炼钢的时机。 天文学：依据辐射强度分布来判断星体表面的
温度。
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。
相干原子束
第十二章 量子物理基础
§12.1 黑体辐射 §12.2 光电效应 §12.3 康普顿效应 §12.4 波粒二象性 §12.5 不确定关系 §12.6 薛定谔方程 §12.7 薛定谔方程的应用 §12.8 氢原子中的电子 §12.9 电子自旋
§12-1 黑体辐射
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
问题：如何制造一张木桌子？
Richard Feynman gave the classic talk on December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology (Caltech).
But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately---in the great future---we can arrange the atoms the way we want...
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.
内的温度，以此来把握炼钢的时机。 天文学：依据辐射强度分布来判断星体表面的
温度。
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。
大学物理量子物理量子物理 ppt课件
黑体辐射的困难。 引入能量量子化的概念，是量子物理开端，
为爱因斯坦光子论和玻尔氢原子理论奠定基础。
“敲响近代物理晨钟” 1900年12月14日 《正常光谱中能量分布律的理论》
量子力学诞生日
1918年 诺贝尔物理奖
③ 普朗克恒量 h 已经成为物理学中最基本、最重
要的常数之一。
ppt课件
21
“我当时打算将基本作用量子 h 归并到经典理论范 畴中去，但这个常数对所有这种企图的回答都是无 情的”
维恩线
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ( m)
ppt课件
18
三、普朗克能量子假说
1. 经验公式
在维恩公式和金斯公式之间用内插法得出与实验曲 线相符的经验公式
hc
e0 (,T ) 2hc 2 5 (e kT 1)1
e0 (T,)
0 ppt课件
19
2. 能量子假设（模型）
能全部吸收（不反射）任何波长的 入射辐射能的物体 —— 绝对黑体
模型：空腔小孔
ppt课件
绝热不 透明
7
3. 绝对黑体的辐射定律
实验发现：物体的电磁辐射能力与吸收能力一致。
黑体
完全吸收体 理想发射体
定义两个物理量：
e0(,T ) — 单色辐射本领：
单位时间内，从物体表面单位面积上发射的波长
d范围的辐射能与波长间隔d之比
e0（相对强度）
T 2.7 K
31010 Hz 1
1964年 贝尔实验室 彭齐亚斯、威尔孙 发现
1978年 诺贝尔物理奖（大爆炸宇宙学论据）
1990年 美国COBE卫星精密观测，得其能谱为
2.735 0.06K.黑体辐射
第十五量子力学基础-精品.ppt
暗红
橙色
黄色
白色
炼钢工人在浇铸
同一个黑白花盘子的两张照片
室温下，反射光
1100K，自身辐射光 （与温度有关、热辐射）
注意：电灯泡发光是热辐射； 激光、日光灯发光不是热辐射。
热辐射的一般特点：
(1）物质在任何温度下都有热辐射。 (2）温度越高，发射的能量越大，发射的电磁波的
波长越短。
平衡热辐射 任一时刻, 如果物体辐射的能量等于所吸收的能量， 称为平衡热辐射。此时物体具有恒定的温度。
狄拉克把量子力学与狭义 相对论相结合
第十五章 量子物理基础
§15-1 黑体辐射、普朗克量子假说 §15-2 光的量子性 §15-3 玻尔的氢原子理论 §15-4 粒子的波动性 §15-5 测不准关系 §15-6 波函数 薛定谔方程 §15-7 薛定谔方程在几个一维问题中的应用 §15-8 量子力学对氢原子的处理 §15-9 斯特恩－盖拉赫实验 §15-10 电子自旋 §15-11 原子的壳层结构
15-1 黑体辐射 普朗克量子假设
一、热辐射 绝对黑体辐射定律 分子(含有带电粒子)的热运动使物体辐射 电磁波。这种与温度有关的辐射称为热辐射 (heat radiation)。
热辐射的电磁波能量对频率有一个分布。
温度不同，热辐射的电磁波能量不同， 频率分布也不同。
例如加热铁块，随着温度的升高: 开始不发光
15-2 光的量子性
一、光电效应 爱因斯坦方程的实验规律
光电效应 光照射到金属表面时， 有电子从金属表面逸出的现象。
AK
OO
光电子 逸出的电子。
光电子由K飞向A，回路中形成 光电流。
OO
OO
G
V R
OO
应用：
第15章1量子物理优秀课件
爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上进一 步提出了光子假设。
光子： h
爱因斯坦光电效应方程：
h
1 2
mvm2
W
逸出功（W ） ： 电子用于克服金属表面势垒的束 缚而做的功。
爱因斯坦对光电效应的实验解释：
（1） 入射光的强度 I 取决于单位时间内垂直通过 单位面积的光子数n 。
I nh
入射光较强时，含有的光子数较多，所以获得 能量而逸出的电子数也多，饱和电流自然也就大。
,T
M1 ,T a1,T
M 2 ,T a2 ,T
M 0
,T
在热平衡条件下，黑体辐射的实验能谱曲线：
M0 W m3
nm
斯忒藩 - 玻耳兹曼定律： M T T 4
斯忒藩 -玻耳兹曼常量：
5.670 40040108 W m2 K4
维恩位移定律：能谱分布曲线的峰值对应的波长m
普朗克经验公式：
M0 W m3
M 0 ,T
2πhc2
5
1
hc
ekT 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 μm
普朗克常量： h 6.626 06931034 J s
讨论： （1） 在长波段情况下
hc
e kT 1
hc
kT
M 0 ,T
2πhc 2 5
hc
2πckT
4
（瑞利 - 金斯公式）
下，遏止电压为多少？（3）电子的初速度为多少？
解：W0
h 0
hc
0
6.631034 3108 6.2 107
J
3.211019 J
h
1 2
mvm2
W0
,
1 2
《量子物理基础》PPT课件
1913年，年仅28岁的玻 尔（Niels Bohr），在 卢瑟福核型结构的基础 上，创造性地把量子概 念应用到原子系统，解 释了近30年的光谱之谜。
玻尔 海森伯 泡利（自左至右） 玻尔在工作
第十六章 —— 量子物理基础
4
§16.4 氢原子光谱 玻尔氢原子理论
三. 玻尔氢原子理论 （三条假设）
1. 定态假设
2. 定态假设和角动量量子化条件都是对的， 但是是硬加上去的。
3. 是半经典理论，仍保留了“轨道”概念。 4. 频率条件完全正确，一直沿用至今。
第十六章 —— 量子物理基础
11
§16.4 氢原子光谱 玻尔氢原子理论
例：当一个质子俘获一个动能Ek=13.6eV的自由电子组成一 个基态氢原子时，所发出的单色光频率是多少? (普朗克恒
(1) 分立、线状光谱 (2)Balmer总结的经验公式
1 4 11 11
RBH((2k22nn22))
里德伯常数 RH 1.097 373 1107 m1
(n > k)
(3)除可见光谱外，在红外区和紫外区也观察到光谱系。 k = 1 (n =2, 3, 4, … ) 谱线系 —— 莱曼系 （Lyman） k = 2 (n = 3, 4, 5, … ) 谱线系 —— 巴耳末系（Balmer）
说明：
（1）n越大，能量En越大，而相邻两能级之差△E越小。
n→∞时 En→0，e成为自由电子，不受核束缚（游离态）。
△E→0，能量趋于连续（经典理论）。
（2）电离能 ：e从束缚态变成自由态所需最小能量
➢ 原子被电离：束缚的e释放出来需吸收能量 ➢ 质子和自由电子结合成一个基态H原子：需释放能 量，即辐射电磁波或发光。
（3）用可见光照射出于基态的H原子，e能否电离？
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h h h p m m0
2
1c2
如果 c,则 h m0
例如：电子经加速电势差 U加速后
1 2
m02
eU
2 eU m0
电子的德布罗意波长为
h 2m0eU
12.3
0
(A)
U
0
U15V0 1A
例一）一质量m0=0。
解： V C
h6.6 3 13 04 4.410 3(4m )
设测得速度的精度为1/10000，即 V=10m/s，求电子
尔后又发现了质子、中子的衍射
1929诺贝尔物理学奖
L.V.德布罗意 电子波动性的理论 研究
1937诺贝尔物理学奖
C.J.戴维孙 通过实验发现晶体 对电子的衍射作用
三、德布罗意波的统计解释 1926年，德国物理学玻恩 (Born , 1882--1972)
提出了概率波，认为个别微观粒子在何处出现有一 定的偶然性，但是大量粒子在空间何处出现的空间 分布却服从一定的统计规律。
15-1 德布罗意波 实物粒子的波粒二象性
一、德布罗意波 德布罗意提出了物质波的假设：
一切实物粒子(如电子、质子、中子)都与光子一 样,具有波粒二象性。
运动的实物粒子的能量E、动量p与它相关联的
波的频率 和波长之间满足如下关系：
Em2ch
p m h 德布罗意公式(或假设)
与实物粒子相联系的波称为德布罗意波(或物质波)
U
二、德布罗意波的实验证明(电子衍射实验)
1927年戴维孙和革末用加速后的电子投射到晶体 上进行电子衍射实验。
K
狭缝 电子束
器
电 集
U
镍 单晶
电 G流
计
I
0
5
10 15 20 25
U
衍射最大值： 2 dsin k k 1 ,2 ,3
电子的波长： h
2meU
2dsink h
实验表明电流极大值
X
a
Pa Pb
K
a
Pa Pb
bc
Pc
Pd
Pc
X
U
Pd B
Pe
P
Px
Pe
d
其衍射角
分别为：
e
a b c
E
d e
单缝处，衍射角为θ的电子在X轴上存在动量的分量
PaxPsina PbxPsinb PexPsin e
P cxPs in c0
PdxPsind
······
即处在单缝处电子动量在X轴上的分量有不确定值
2meU 正好满足此式
一切微观粒子都具有波粒二象性。
1927 年汤姆逊（G·P·Thomson）以600伏慢电子 （=0.5Å）射向铝箔，也得到了像X射线衍射一 样的衍射，再次发现了电子的波动性。
1937年戴维逊与GP汤姆逊共获当年诺贝尔奖 （G·P·Thomson为电子发现人J·J·Thmson的儿子）
k1.2.3明纹
暗纹
1)位置的不确定程度
我们来研究电子在单缝隙位置的位置和动量的不
确定程度
用单缝来确定电子在穿过单缝 时的位置
电子在单 缝的何处 通过是不
确定的! 只知是在
宽为a的 的缝中通
U
过.
结论:电子在单缝处的位置 不确定量为
xa
2）单缝处电子的动量的不确定程度
先强调一点：电子衍射是电子自身的波粒二象性结 果，不能归于外部的原因，即不是外界作用的结果。
mvx 2kgms1
所以坐标及动量可以同时确定
2. 微观粒子的动量及坐标是否永远不能同时确定？
例 一电子以速度 vx1.0160 m s1 的速度穿过晶体。
0
x d 1A
vx 2m x
103110314010ms1
170ms1vx16 0ms1
电子的动量是不确定的，应该用量子力学来处理。
例3 电子射线管中的电子束中的电速度一般为 105m/s，
不能理解为仪器的精度达不到。 3. 不确定关系指出了使用经典物理理论的限度
问题？ 1. 宏观粒子的动量及坐标能否同时确定？
例 m102kg的乒乓球 , 其直径 d5cm vx20m 0s1，若 x106m, 可以认为其位
置是完全确定的。其动量是否完全确定呢？
mvx
2x
10 34 10 6
10 28 kgms1
15-2 不确定关系Uncertainty Relation
微观粒子的空间位置要由概率波来描述，概率 波只能给出粒子在各处出现的概率。任意时刻不具 有确定的位置和确定的动量。
电子具有波粒二象性，也可产生类似波的单
缝衍射的图样，若电子波长为，则让电子进行
单缝衍射则应满足：
{aassiinn (k2k1)2
px
p
x
x a
py
屏
电子束
a缝
2
幕
X方向电子的位置不确定量为： x a
电子大部分都到达中央明纹处. 研究正负一级暗纹间的电子。这部分电子在单缝处
的动量在X轴上的分量值为：
0PxPsin 为一级暗纹的衍射角
px
p
x
x a
py
屏
电子束
a缝
2
幕
X方向电子的位置不确定量为： x a
到达正负一级暗纹间的电子在单缝处的动量在X轴上
m 0V 0.0 5300
即4.410-24Å
例二）一原静止的电子被电场加速到速度V （VC），加速电压为U，则速度为V的电子的De Bröglie波波长为多大？
故德布罗意波长：
h h h P m 0V 2em0U
代入h、e、 m0值：
12.31010(m)
U
或 12 .3 Å
U
当U=100伏 12.3 1.23Å
E m02c4P2c2
考虑到E的增量：
E 2c2PP c2m V P
2 m 0 2c4P2c2
E
VP x P t
E t x p /2
即： Et 能量与时间不确定关系式
2
不确定关系式的理解 1. 用经典物理学量——动量、坐标来描写微观粒子 行为时将会受到一定的限制 。 2. 不确定关系是微观粒子波粒二象性所决定的，
的分量的不确定量为
px psin 由单缝暗纹条件： asin
p a p x 为一级暗纹的衍射角
h p
pxxP
phh p
pxxh
考虑到在两个一级极小值之外还有电子出现，
所以： pxxh
经严格证明此式应为：
pxx2
pyy2 pzz2
这就是著名的海森伯不确定关系式
能量与时间不确定关系
设有一个动量为P，质量为m的粒子，能量
如有人认为衍射是电子与单缝的作用，即电子与 单缝材料中的原子碰撞的结果，碰撞后电子的动量 大小与方向均发生改变，但实验告诉我们衍射的花 样与单缝材料无关，只决定于电子的波长与缝宽a， 可见不能归结于外部作用。
显然，电子通过单缝不与单缝材料作用，因此通 过单缝后，其动量大小P不变。但不同的电子要到 达屏上不同的点。故各电子的动量方向有不同。