量子物理2012
量子物理是什么意思
量子物理是什么意思1. 引言量子物理是一门研究微观粒子行为和性质的科学学科。
它描述了基于量子力学原理的物质行为，以及光、电磁波和其他射线的相互作用。
量子物理不仅仅是一门研究物质组成和互动的学科，更是对科学哲学的深入思考。
2. 发展历史量子物理学的起源可以追溯到19世纪末，当时物理学家们发现了一些无法用经典物理学解释的现象。
其中最著名的是黑体辐射问题和光电效应。
随着物理学的发展，一些杰出的科学家，如普朗克、爱因斯坦、玻尔等，为我们对量子物理学的理解提供了突破性的见解。
量子物理学自那时以来一直在飞速发展，并在多个领域中发挥了重要作用。
它对于纳米科学、半导体技术、核能、量子计算和通信等领域的发展至关重要。
3. 量子力学的基本原理量子力学是研究量子物理学的主要工具。
以下是一些量子力学的基本原理：3.1 波粒二象性波粒二象性是指微观粒子既可以表现出波动性质，又可以表现出粒子性质。
这意味着微观粒子的行为既可以用经典粒子来描述，也可以用波来描述。
例如，电子具有波动性质，会在多个位置上呈现干涉和衍射现象，同时也具有粒子性质，可以在特定位置上被探测到。
3.2 不确定性原理不确定性原理是量子力学的重要原则之一，由海森堡提出。
它指出在测量微观粒子的位置和动量时，无法同时精确地确定两者的数值。
这意味着我们无法准确地知道粒子的位置和速度，只能通过概率来描述。
3.3 纠缠态纠缠态是量子力学中一个重要概念。
当两个或多个微观粒子被纠缠在一起时，它们之间的状态是相互依赖的，无论多远的距离。
纠缠态的研究为量子通信和量子计算提供了基础。
4. 量子物理学的应用量子物理学在现代科学和技术中有许多重要应用。
以下是一些例子：4.1 纳米技术纳米技术是研究和控制物质在纳米尺度上的属性和行为的科学和工程领域。
量子物理学在纳米技术中起着重要作用，帮助科学家们理解和利用物质在纳米尺度上的量子效应。
4.2 量子计算量子计算是利用量子力学中的量子叠加和纠缠原理来进行计算的一种新兴计算方法。
哈工大大学物理课件(马文蔚教材)-第19章-1量子物理
量子物理的前沿研究与未来发展
目前，量子物理领域的研究重点 包括量子纠缠、量子相干性、量
子计算复杂度等。
未来，随着实验技术的不断进步 和理论研究的深入，量子物理有 望在多个领域取得突破性进展。
例如，利用量子力学原理开发新 型传感器、探测器、加速器等设 备，以及探索宇宙中的量子现象
量子物理
目录
• 量子物理概述 • 光的量子性 • 量子力学的诞生 • 原子结构与量子力学 • 量子力学的数学基础 • 量子力学的应用与展望
01 量子物理概述
量子物理的发展历程
1900年
普朗克提出能量子假说，认为 能量是离散的，而不是连续的。
1925年
海森堡和薛定谔分别提出量子 力学的矩阵力学和波动力学两 种数学描述方式。
测量误差
由于不确定性原理的存在，我们无法同时精确测 量一个量子粒子பைடு நூலகம்位置和动量，测量结果会存在 误差。
互补性
互补性是量子力学中的另一个重要概念，它表明 某些物理量在测量时具有相互排斥的特性，无法 同时精确测量。
06 量子力学的应用与展望
量子计算与量子计算机
量子计算机利用量子比特（qubit）作为信息的 基本单位，相比传统计算机的经典比特（bit）， 量子比特具有叠加和纠缠的特性，能够在理论 上大幅度提升计算速度。
薛定谔方程是描述量子粒子运动的偏微分方程， 它决定了波函数的演化。
时间演化
薛定谔方程描述了量子态随时间演化的过程，时 间演化由系统的哈密顿量决定。
空间演化
薛定谔方程的空间部分描述了波函数在空间中的 传播，与粒子的动量和位置有关。
海森堡不确定性原理
2012年中科院811量子力学考研真题解析讲义
一．一质量为μ的粒子在一维无限深势阱中运动，势能为ax x a x x V ><≤≤⎩⎨⎧∞=或0,0,0)(（1）求粒子的能级和归一化波函数.（2）画出处于第二、第三激发态的粒子概率密度示意图.（3）求坐标算符在能量表象下的矩阵元.解析：（1）归一化能量本征态和本征值：a x n a x n πϕsin 2)(=，22222n a E n μπ =，其中...3,2,1=n （2）a x a x P π2sin2)(22=，axa x P π3sin 2)(23=，（3）dxa x n m a x n m x adxe e e e x adxie e i e e x a dx axn a x m x anx m x a a x n m i a x n m i a x n m i a x n m i a a x in a x in a x im a x im a a mn ]}/)cos[(]/){cos[(1][21222sin sin2/)(/)(/)(/)(0////0ππππππππππππ--+-=--+-=--===⎰⎰⎰⎰---+-+--用到积分公式：)1(cos )()/sin()/cos(2-=-=⎰⎰πππππn n a dx a x n n a dx a x n x aa，则]1)1[()(]1)1[()(]1)[cos(])([1]1)[cos(])([1]}/)cos[(]/){cos[(12222220---+--+-=---+-++-=--+-=-+⎰mn m n amn n m a m n a m n n m a a m n m n a a dx a x n m a x n m x a x ππππππππ二．质量为μ的一维谐振子，带电量q ，初始-∞=t 时处于基态0.设加上微扰22/τtqExe H --='，其中E 是外电场强度，τ为参数。
操纵和测量单个量子态_2012年诺贝尔物理学奖简介_郭文祥
ｒ ｉ ｅ ｆ Ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｎ ｏ ｂ ｅ ｌ Ｐ ｒ ｉ ｚ ｅ Ｂ
子， 但它的能级因为动态 斯 塔 克 效 应 而 变 化 。 这 种 相 位 偏移的符号 ， 取决于原子是｜↓＞ 态还是 ｜↑＞ 态导致 的 原子和场的纠缠
［ ９］
Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｖ ｏ ｌ ． ３ ４ Ｎ ｏ ． ６ ｆ
１ ６］ 环境参与时 量 子 猫 的 状 态 ［ 。他们分别设计了创新实
阿罗什和同事提出了非破坏性 测 量 腔 中 光 １ ９ ９ ０年， 子数 目 的 方 法 法
［ １ １ １ ２］ － ［ １ ０］
４ 卷第 ６ 期 自 然 杂 志 第３
诺贝尔奖简介
５］ 。 自由度 ［
态） 受到激光 脉 冲 的 控 制 ； 右图是一个高品质微波谐振 腔中的一个 （ 或几个 ） 光子 ， 让处于高能激发态的铷原子 通过 空 腔， 与 光 子 发 生 相 互 作 用， 就可以测量和控制这 些光子的场状态 。
关键词 非破坏性测量 量子光学 量子操控 ） 与美国科学家大卫 · 维因兰德 （ ） 分 ８ 岁的法国科学家塞尔日 · 阿罗什 （ Ｓ ｅ ｒ ｅ Ｈ ａ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ Ｄ ａ ｖ ｉ ｄ Ｊ ．Ｗ ｉ ｎ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ 同为 ６ ｇ 享了 ２ 年诺贝尔物理学奖 。 他们的突破性研究 ， 让原本神秘的量子世界不再 “ 与世隔绝 ” 。 在 量 子 世 界 中 ， 粒 子 行 ０ １ ２ 为不遵从经典物理学规律 ， 人类对量子的观测更是难上加 难 。 通 过 巧 妙 的 实 验 方 法 ， 阿罗什和维因兰德的研究小组 颠覆了之前人们认为的其无法被直接观测的看法 。 成功地实现对单个量子态的测量和控制 ， 诺 贝 尔 物 理 学 奖 揭 晓。 瑞 ０ １ ２年１ ０ 月 ９ 日 下 午， ２ 典皇家科学院 诺 贝 尔 奖 评 审 委 员 会 将 奖 项 授 予 量 子 光 学领域的两 位 科 学 家 — — —法 国 物 理 学 家 塞 尔 日 · 阿 罗 什与美国物理学 家 大 卫 · 维 因 兰 德 ， 以奖励他们“ 提出 使测量 和 操 控 单 个 量 子 态 成 为 可 了突破性的实验方法 ， 能” 。 图 １ 为科学家操控单个量子的漫画 。 组成世界 的 基 本 成 分 — — —原 子 （ 物 质） 和光子（ 光） 的运动由量子力学来描 述 。 这 些 粒 子 大 多 并 不 孤 立 ， 而 是与环境进 行 强 烈 的 相 互 作 用 。 然 而 粒 子 系 统 的 运 动 则与孤立粒子不同 ， 常常 可 以 用 经 典 物 理 学 来 描 述 。 量 子力学领域一开始的时候 ， 物理学家只能使用思想实验 去简化情况 ， 并预测单个量子粒子的行为 。 另 一 种 实 验 方 法 中， 光子被囚 位操 纵 和 观 察 单 个 离 子； 禁在谐振腔中操纵 ， 通过巧妙 设 计 的 实 验 可 以 在 不 破 坏 状态的情况 下 观 测 到 与 原 子 相 互 作 用 的 腔 中 光 子 。 这 些技术使科学 家 们 验 证 量 子 力 学 的 基 本 原 理 和 微 观 与 宏观世界之间的转变不再只依靠思想实验 。 通过非破坏性直接观测单个量子系统 ， 阿罗什和 维 因兰德拉开 了 量 子 物 理 学 新 时 代 的 大 幕 。 通 过 巧 妙 的 实验方法 ， 他们成功地测量并操纵了非常脆弱的量子 态， 他们的工作为制造新型超 高 速 量 子 计 算 机 迈 出 了 坚 实的第一步 。 这种方法也可 以 用 来 制 造 极 精 准 时 钟 ， 用 于未来的 新 的 时 间 标 准 ， 这将比现有的铯原子钟精确 百倍 。 两位获奖者 均 致 力 于 量 子 光 学 领 域 物 质 粒 子 及 光 子基本相 互 作 用 的 研 究 工 作 。 这 个 领 域 从 ２ ０世纪８ ０ 年代 中 期 开 始 有 飞 跃 性 的 发 展。 图 ２ 为 如 何 控 制 独 立 量子系统的 科 学 背 景 图 解 。 左 图 显 示 了 谐 振 阱 中 的 一 个离子 （ 铍离子 ） ， 它的量子态（ 包括固有属性和运动状
2012年诺贝尔物理学奖
2012年诺贝尔物理学奖2012年物理学奖，由两位物理学家分享，他们是美国的大卫•维因兰德(David Wineland)和法国的塞尔日•阿罗什(Serge Haroche)。
获奖理由是他们创造的突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能。
大卫•维因兰德(David Wineland, 1944—),出生于美国威斯康辛州密尔沃基。
1961年，从加州沙加缅度的恩忻娜高中(Encina High School)毕业。
进入加州大学柏克利分校读本科，1965年得到学士学位。
之后，他以优异成绩转入哈佛大学攻读博士学位，导师是诺曼•拉姆齐(1989年诺贝尔物理学奖得主)。
1970年获得博士学位。
之后加入汉斯•德默尔特(1989年诺贝尔物理学奖得主)的研究团队，在华盛顿大学做博士后。
1975年，美国国家标准技术研究所聘请他为物理研究员。
在那里，他成为离子储存团队的领导人。
应用激光冷却离子技术，该团队制做出至2012年为止最准确的原子钟，比铯-133原子钟的频率标准还要精确两个数量级。
塞尔日•阿罗什(Serge Haroche, 1944—)，出生于摩洛哥的卡萨布兰卡，法国公民。
1967年毕业于巴黎高等师范学校。
1971年从巴黎第六大学(皮埃尔与玛丽•居里大学)获得博士学位，进入法国国家科学研究中心工作。
1975年后先后任皮埃尔与玛丽•居里大学物理学教授、巴黎高等师范学校教授、法兰西大学教授、量子物理学会主席。
对于大众来说，2012年物理学最重大的发现应该是欧洲核子中4(CERN)运行的大型重子对撞机(LHC)发现了粒子物理学家们寻找了几十年的“希格斯玻色子”，因此，英国科学家皮特•希格斯(Peter Higgs)获得本年度的诺贝尔物理学奖似乎是“众望所归”。
但希格斯教授未获今年诺贝尔奖的原因也很容易理解：每年诺贝尔奖的提名在当年的2月份就截止了，而彼时尚未确定发现希格斯玻色子；其次，每一届诺贝尔物理学奖的获奖人数不超过三人，如果授予有关希格斯玻色子的工作，那么获奖名单实在难以确定一一在实验方面，数以千计的实验人员在大型重子对撞机前工作数年，理应是发现希格斯玻色子的最大功臣；在理论方面，最早提出关于标准粒子模型理论的是比利时理论物理学家弗朗索瓦•恩格勒(Francois Englert)和罗伯特•布罗特(Robert Brout),在随后半年里又有六位科学家相继发表了相关的论文，而皮特•希格斯则是第一个预言在这个理论当中存在着一个尚未发现的基本粒子的人，这些科学家都对希格斯玻色子的发现做出了重要贡献。
2012年诺贝尔物理学奖
2012年诺贝尔物理学奖：操纵单个量子粒子2012年诺贝尔物理学奖授予塞尔日•阿罗什和大卫•J•维因兰德，以表彰他们分别独立发明并拓展了在保持单个粒子量子力学特性的前提下，测量和操纵它们的方法。
他们的发明开辟了量子物理学的新时代；他们成功地观测到非常脆弱的量子态，在不破坏单个粒子的前提下直接观察它们的特性；他们的工作为制造新型超高速基于量子物理的计算机迈出了第一步。
也可以用来制造极精准时钟，用于未来的时间标准，比现有的铯原子钟精确百倍。
单个物质粒子包括光子，经典力学不适用，粒子表现出量子性。
然而长久以来，单个粒子不能从脱离周围环境直接观测到，科学家只能通过思想实验验证它奇异的表现。
两位获奖者均致力于量子光学领域物质粒子及光子基本相互作用力的研究工作。
这个领域从20世纪80年代中期开始有飞跃性的发展。
他们的工作有很多相同之处。
大卫•维因兰德将带电原子或离子置于势阱中，控制并测量它们的光子。
塞尔日•阿罗什则相反，控制并测量势阱中的离子，通过势阱向离子注入光子。
在势阱中控制单个离子在科罗拉多州博尔德市，大卫•维因兰德维因兰德的实验室内，带电原子或离子被置于电场内的势阱中。
该实验在真空和低温条件下进行，使粒子远离热和辐射干扰。
维因兰德实验的一个秘诀是使用激光脉冲。
他用激光压制离子在势阱中的热运动，使离子停留在最低能量状态，从而观测势阱中离子的量子现象。
一个细致调节好的激光束可以使离子进入叠加态，该形态使一个离子同时存在于两种不同状态。
例如，一个离子可以同时处于两种能量值。
它开始处于较低能量的状态，激光的作用仅仅是向高能量状态轻轻推它，能够使它停留在两种状态的叠加中，进入任何一种状态有相等的可能性。
这样可以研究离子的量子叠加状态。
在势阱中控制单个光子塞尔日•阿罗什和他的研究小组采取不同的方法揭示神秘的量子世界。
在巴黎的实验室里，微波光子在相距3厘米的镜片之间反弹。
镜片用超导材料制作，被冷却到刚刚超过绝对零度。
什么是量子物理
什么是量子物理量子物理是一个非常重要、值得探讨研究的课题。
下面店铺给你分享什么是量子物理，欢迎阅读。
什么是量子物理量子物理指的是物理学中的一种理论。
量子概念是1900年普朗克首先提出的,到今天已经一百多年了.期间,经过玻尔、德布罗意、玻恩、海森柏、薛定谔、狄拉克、爱因斯坦等许多物理大师的创新努力,到20世纪30年代,初步建立了一套完整的量子力学理论.我们把科学家们在研究原子、分子、原子核、基本粒子时所观察到的关于微观世界的系列特殊的物理现象称为量子现象.量子世界除了其线度极其微小之外(10^-10～10^-15m量级),另一个主要特征是它们所涉及的许多宏观世界所对应的物理量往往不能取连续变化的值,(如：坐标、动量、能量、角动量、自旋),甚至取值不确定.许多实验事实表明,量子世界满足的物理规律不再是经典的牛顿力学,而是量子物理学.量子物理学是当今人们研究微观世界的理论,也有人称为研究量子现象的物理学.量子物理要点伴随着这些进展，围绕量子力学的阐释和正确性发生了许多争论。
玻尔和海森堡是倡导者的重要成员，他们信奉新理论，爱因斯坦和薛定谔则对新理论不满意。
要理解这些混乱的原因，必须掌握量子理论的关键特征，总结如下。
(为了简明，我们只描述薛定谔的波动力学。
)基本描述：波函数。
系统的行为用薛定谔方程描述，方程的解称为波函数。
系统的完整信息用它的波函数表述，通过波函数可以计算任意可观察量的可能值。
在空间给定体积内找到一个电子的概率正比于波函数幅值的平方，因此，粒子的位置分布在波函数所在的体积内。
粒子的动量依赖于波函数的斜率，波函数越陡，动量越大。
斜率是变化的，因此动量也是分布的。
这样，有必要放弃位移和速度能确定到任意精度的经典图象，而采纳一种模糊的概率图象，这也是量子力学的核心。
对于同样一些系统进行同样精心的测量不一定产生同一结果，相反，结果分散在波函数描述的范围内，因此，电子特定的位置和动量没有意义。
这可由测不准原理表述如下：要使粒子位置测得精确，波函数必须是尖峰型的，然而，尖峰必有很陡的斜率，因此动量就分布在很大的范围内;相反，若动量有很小的分布，波函数的斜率必很小，因而波函数分布于大范围内，这样粒子的位置就更加不确定了。
2012诺奖量子力学
法美科学家因首次“活捉”粒子分享物理诺奖2012年10月10日03:24新京报金煜邓琦我要评论(313)字号：T|T瑞典皇家科学院9日宣布，将2012年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家塞尔日·阿罗什和美国物理学家戴维·瓦恩兰，以表彰他们在量子物理学方面的卓越研究。
2012年诺贝尔奖法美科学家分享物理学奖所属分类：新闻新功能放大观看“不可想象”的突破当天上午，瑞典皇家科学院常任秘书诺尔马克在皇家科学院会议厅宣读了获奖者名单及其获奖成就。
他说，这两位物理学家用突破性的实验方法使单个粒子动态系统可被测量和操作。
他们独立发明并优化了测量与操作单个粒子的实验方法，而实验中还能保持单个粒子的量子物理性质，这一物理学研究的突破在之前是不可想象的。
随后，诺贝尔物理学奖评选委员们介绍了获奖者的研究成果。
他们说，通过巧妙的实验方法，阿罗什和瓦恩兰的研究团队都成功地测量和控制了非常脆弱的量子态，这些新的实验方法使他们能够检测、控制和计算粒子。
单个粒子极难俘获在基本粒子所处微观层面上，单个粒子一方面难以与周围环境分离；另一方面是一旦与周围环境相互作用，随即失去量子特性；另外，如果两个粒子相互作用，即使两者分离，互动作用会继续存在。
瑞典皇家科学院也认为，单个粒子很难从周围环境中隔离观测，一旦它们与外界发生交互，通常会失去神秘的量子性质，使得量子物理学中很多奇特现象无法被观测到。
相当长一段时期内，量子物理学理论所预言的诸多神奇现象难以在实验室环境下直接“实地”观测和验证，只存在于研究人员的“思维实验”中。
评委会认定，两人“开启量子物理学实验新时代的大门，显示不必损毁量子粒子个体，就可以直接观测它们”。
两位获奖者的实验方法有很多相似之处，瓦恩兰困住带电原子或离子，通过光或光子来控制和测量它们；而阿罗什却让原子通过一个陷阱，从而控制和测量被困光子和光的粒子。
经济危机致奖金缩水阿罗什和瓦恩兰将分享800万瑞典克朗（约合114万美元）的奖金。
哈工大大学物理(马文蔚教材)第19章2量子物理省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件
讨论:
i
t
r
,
t
2 2m
2
E
p
r,
t
r,
t
1 薛定谔方程是量子力学中旳一项基本假设；
2 薛定谔方程旳解满足态叠加原理
若 则
1(r , t
c11(r ,
)t)和 c222((rr,,tt))也是是薛薛定定谔谔方方程程旳旳解解，。
这是因为薛定谔方程是线性偏微分方程。
3 薛定谔方程是有关时间旳一阶偏微分方程；
C C
(r1 (r2
, ,
t t
) )
2 2
(r1 , t ) (r2 , t )
3). 概率波 ------量子力学是一种统计理论与经典决定论不同 （存在长时期旳争沦）
4). 波函数应满足旳原则条件（物理要求）
连续性
有限性 单值性
后来会看到，有些情况下能量量子化 就是源于这些条件旳限制
k
2mE
n0
n
a
E
与本征值 En 相应本征函数
En
2 2n2
2ma 2
n2
h2 8ma 2
nx
Asin( n
a
x)
本征能量 n 1,2,
a
2
3) 用 n x dx 1, 可求A 2 / a （归一化条件）
0
n x
2 sin( n x)
aa
(0 x a)
势阱内
0 xa n x
d 2 dx
xa
d3 dx
xa
k2 A2ek2a B2k2ek2a ik3 A3eik3a (4)
A1 B1 A2 B2 (1) A2ek2a B2ek2a A3eik3a (3)
量子物理4,2012,v3
N2 > N1
热平衡时，不同能级的原子数服从玻尔兹曼分布 E 2 E1 En N2 kT e <1 kT Nn e N1 热平衡不会产生激光！ N2>>N1 属非平衡态原子布局，亦称粒子数反转 能实现粒子数反转的物质—激活物质；激活物质 必须存在亚稳态能级。
*
ˆ 是厄米的 则F
性质：厄米算符的本征值是实数。
ˆ F
ˆ的本征值, 为常数 为F
设
( x) ( x) *dx * *dx
*
2 x 2 x
为实数
可以证明 i( P x xP ) 是厄米算符。
量子力学中表示力学量的算符都是线性的、厄米 的。如果量子力学中的力学量F在经典力学中有相 ˆ 应的力学量，则表示这个力学量的算符 由经典 F ˆ 而得出： 表示式 F (r , p) 中将动量 p 换为 p
2 s
渐近解
d u( ) 1 u( ) 0 2 d
2
ue
1 2
u( ) e
1 2
f ( ) 代入(3)
d 2 f ( ) df l (l 1) [ ] f () 0 2 2 d d
令f ( ) l 1 x( )代入上式 d 2x dx 2 (2l 2 ) ( l 1) x 0 d d
激活物质能级结构
三能级系统
E310-8s E2（亚）10-3s
四能级系统
自发 激 励 自发 E410-8s E3（亚）10-3s E210-8s
自发
激 励
E1（基）
E 2 E1 h
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也是好的吸收体）
二.黑体辐射
绝对黑体(黑体)：能够全部吸收各种波长的辐射
且不反射和透射的物体。
煤烟
约99%
黑体模型
黑体辐射的特点 ：
与同温度其它物体的热辐射相比。黑体热吸收本领
最强，相应的其热辐射的本领也最大。
黑体单色辐出度实验曲线： 规律 ： ⑴ 曲线随 T 的升高而提高, 即 M b 随 T 升高而增大
考虑到电子还有可能落在中央明文意外地地方
px p sin 1
xpx h
应用量子理论严格推到可得： x p x 2 h -----海森伯坐标和动量 34 1.0545887 10 J s 的不确定关系 2π
微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。 减小缝宽 △x, x 确定的越准确 px的不确定度, 即△px越大 这正是微观粒子波粒二象性的具体体现。
此时物体的热辐射称为平衡热辐射。
单色辐出度：在一定温度 T 下，在单位时间内从物体 表面单位面积上发射的波长在 到 d 波长间隔内所辐射的能量 dM (T ) 与波长 间隔的比值，
dM (T ) M (T ) d
热辐射的特点:
(1)温度越高,辐射的电磁波的能量越大，其频率也越高。 (2)物体的辐射本领与温度、材料有关；
1 2 h A mvm 2
（A 为逸出功）
----光电效应的爱因斯坦方程
结论 * 入射光频率 0 (截止频率）时，才能产生光电效应。
若 0 ，无论光强多大，即单位时间打在金属上的 光子数量再多，电子也不能从金属中逸出。
*光电子最大初动能和光频率 成线性关系。
*当入射光I 越强 , 到阴极的光子越多, 则逸出的光电子
RH理论 1.097 373 1107 m 1
RH实验 1.096 775 8 107 m 1
氢原子能级图 En ( eV) 0 -1.51
帕邢系k=3 布拉开系k=4
n=6 n=5 n=4 n=3 n=2
巴耳末系k=2
-3.39
E1 En 2 n
光频
nk
En Ek h
H
H H H
可见光区
紫外光区HFra bibliotek6563A
4861A
4341A
4102A
3646A
实验规律
(1) 彼此分立的线状光谱，每一条谱线都有确定的波长。 (2) 谱线的波数（波长的倒数）可表示为
1 1 RH ( 2 2 ) k n
7 1
1
----广义巴耳末公式 （里兹组合原理）
⑴ 首次提出微观粒子的能量是量子化的，打破了经
典物理学中能量连续的观念。 ⑵ 打开了人们认识微观世界的大门,在物理学发展 史上起了划时代的作用.
§16-2 光电效应
一.光电效应
金属中自由电子 在光的照射下,吸收光 能而逸出金属表面,即 金属在光照射下发射 电子的现象.
（I, v)
i
K A
A
U
(实验装置示意图)
-13.6
赖曼系k=1
n=1
§14-3 微观粒子的波粒二象性 不确定关系
一.微观粒子的波粒二象性
德布罗意提出设想:实物粒子如电子、原子、分子与光 一样也具有波粒二象性
质量为 m、以速率 v 作匀速运动的实物粒子也 具有波动性。
E mc h
2
p mv
h
---德布罗意关系式
与实物粒子相联系的波称为德布罗意波（物质波）
rn
v
由上两式得, 第 n 个定态的轨道半径为
rn n 2 (
0 h2
πme
) n 2 r1 n 1, 2,3, 2
玻尔半径 r1
0h2
πme
2
0.0529 nm
r2=4r1
n 1 的定态称为基态
r2=9r1
n 取其他值的定态均称为激发态
能量量子化 原子系统的能量应等于电子的动能与电子 和核组成的系统的势能之和。
⑵光电流的强度
对于同一单色光, 单位时间内逸出金属表 面的光电子数,与入射 光强成正比.
饱和电流
I s1
Is2
I
光强较强
光强较弱 遏止压
Ua
U
饱和电流 I S ：饱和电流与入射光强成正比
⑶光电子的初动能
遏止电压 U a
最大初动能
1 2 mvm e U a 2
⑷ 光电子的最大初动能随入射光频率的增加而 增加。与入射光强无关。 Ua
同样能量与时间之间也有如下的不确定性关系：
E t 2
(1) 定态假设 稳 （ • 原子只能处于一系列不 稳 定定 定 连续的能量状态中 状态 状 态） 态 • 电子虽然绕核运动但并不 向外辐射能量 （不辐射电磁波） (2) 频率假设
原子从一个定态跃迁到另一定态， E n
会发射或吸收一定频率的光子
h En Ek
Ek
v
(3) 轨道角动量量子化假设
实验表明:遏止电压和 入射光频率成线性关系
⑸ 光电效应的瞬时性
0
0
光电子逸出的时间间隔(弛豫时间)小于10-9s
2.经典物理的光波动理论与实验规律的矛盾 在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量 (与光强I 有关) 逸出，不应存在红限 0 。 光电子最大初动能取决于光强，和光的频率 无关。 当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间 的能量积累。
M b (T )
T4
T3
T2
T1
⑵ M b 随 连续变化,每 条曲线有一峰值 ⑶ 随 T 的升高,峰值波长 m 减小
1m
T1 T2 T3 T4
二.普朗克能量子假设
构成物体的带电粒子在各自平 衡位置附近振动成为谐振子 腔壁中带电谐振子的能量 以及它们吸收或辐射的能量都 是量子化. (若谐振子频率为 ，则其能量 是 h 、2h 、 3h
----基态能级
此时能量最低，原子最稳定
当
n 1 时：
-----激发态能级
当原子从高能级 En 跃迁到低能级 Ek 时： 其发射一个光子的频率： En Ek nk
波数(与实验对比)
h
~ 1 nk nk nk c
其中计算得到 当时实验测得
1 1 1 ( En Ek ) RH 理论 ( 2 2 ) k n hc
式中，k 和 n 都是正整数，且 n k
RH实验 1.096 775 8 10 m （氢光谱的里德伯常量）
(3) k = 1 (n = 2, 3, 4, · ) —— 赖曼系（在紫外区） · · k = 2 (n = 3, 4, 5, · ) · · —— 巴耳末系（在可见光区）
二.玻尔的氢原子理论
例 静止的电子经电场加速，加速电势差为U，速度V<<C。 求德布罗意波长 （不考虑相对论效应） 解：
1 2 eU m0v 2
2eU v m0
h h h 2em0U m0 v m0 2eU m0
12.2 12.2 o 10 10 m A U U
二. 不确定关系
§14.1 量子物理学的诞生—普朗克量子假设
一.热辐射的基本概念
热辐射: 物体中的带电粒子在进行热运动时，这些粒 子受热激发，在任何温度下均以电磁波的形式 向外辐射能量。这种辐与温度有关。
物体热辐射具有连续的
热辐射能谱。
物体辐射电磁波的同
入射
反射
吸收
辐射
时也吸收电磁波。
辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，
越多。 *电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。
三.光（电磁辐射）的波粒二象性
光子能量 光子质量 光子动量
h
ε h m 2 2 c c
h h p mc λ c
波动性
粒子性
§16-3
波尔的氢原子理论
一.氢原子光谱的实验规律
电 磁 波
能 量
… nh …)
腔壁上的带电粒子 (谐振子)
与腔内电磁场交换能量时，谐
振子能量的变化是 h 的整数倍. 能量子:
h
h 6.6260755 10
普朗克常数
34
J s
2πhc M B (T ) 5 hc kT e 1 1
2
----普朗克公式 意义
原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形 轨道绕核运动相对应。
原子的定态是不连续的，因此电子的可能 轨道的分布也是不连续的。
h 电子轨道角动量 L mvr n 2π
n
n 1, 2, ----量子数
h ----约化普朗克常数 2π
轨道半径量子化：
v2 1 e2 向心力是库仑力 m rn 4π 0 rn 2
动量 — 坐标不确定关系 px x
sin
p
py
x
p sin
大部分 电子落在中央 明纹
电 子 束
△x
p h/
单缝衍射第一级暗纹满足 x sin 1
设一束电子垂直入射到单缝上， 考虑中央明区
px p sin 1 p x h h h px p p x x x
光电子:光电效应中逸出金属表面的电子. 光电流:光电子在电场作用下运动所形成的电流.
1.光电效应的实验规律 ⑴ 存在截止频率 0 （红限频率）
对于每一种金属材料，只有当入射光的频率大于 该材料的截止频率是才会发生光电效应。 如果入射光的频率低于某金属的红限,则无论入射 光强多大,都不会使该金属产生光电效应.