量子力学与统计力学课件第1章.ppt
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量子力学部分(2012年春48学时)张希仁逸夫楼219房间近代物理学(相对论、量子论)近代物理学(相对论、量子论)物理学物理学经典物理学(力、热、电、光、统计)经典物理学(力、热、电、光、统计)1900年年低速运动与高速运动的分界线低速运动与高速运动的分界线微观运动与宏观运动的分界线微观运动与宏观运动的分界线宏宏观观低低速速经经典典物物理理宏宏观观高高速速相相对对论论微微观观低低速速量量子子力力学学微微观观高速高速量量子子场场论论经典物理学典物理学量子力学量子力学1一切物理量均一切物理量均连续物理量可以不物理量可以不连续(量子化)(量子化)2因果律因果律严格成立格成立有有时不成立(几率)不成立(几率)3基本概念与日常生活基本概念与日常生活经验相同相同基本概念与日常生活基本概念与日常生活经验差异很大差异很大基本粒子基本粒子原子核原子核原子原子分子分子团簇团簇纳米体系纳米体系介观体系介观体系研研究究对对象象天体物理天体物理宇宙学宇宙学能源能源化学化学生物学生物学材料科学材料科学量子力学研究范畴反映微观粒子运动规律的理论!
反映微观粒子运动规律的理论!
(分子、原子、原子核、基本粒子等)(分子、原子、原子核、基本粒子等)20世纪20年代出现和建立,以量子论为基础。
成为了近代物理学的基础理论之一。
在化学、生物学、材料学等领域得到了广泛的应用。
高等数学微积分的思想是:
把积分的范围无限细分,最终获得与真实曲线逼近的近似!
使用于物质世界的微粒!
使用于物质世界的物理量!
发现细分到一定程度以后,物质有原子、分子,甚至有夸克等不可划分的微粒组成,连续的物质世界在微观显得像银河系中的星体一样不连续分布!
发现细分到一定程度以后,动量、坐标能量等呈现出不连续分布!
以光谱学中的特征光谱为代表的实验现象,说明世界是不连续的!
矛盾量子力学量子力学课程简介量量子子力力学学是是研研究究微微观观粒粒子子运运动动规规律律的的一一门门理理论论,是是20世世纪纪自自然然科科学学的的重重大大进进展展之之一一。
设设置置这这门门课课程程的的主主要要目的是:
目的是:
使使学学生生了了解解微微观观世世界界矛矛盾盾的的特特殊殊性性和和微微观观粒粒子子的的运运动动规规律律,初初步步掌掌握握量量子子力力学学的的基基本本原原理理和和一一些些重重要要方方法法,并初步具有运用这些方法解决较简单问题的能力。
并初步具有运用这些方法解决较简单问题的能力。
使使学学生生了了解解量量子子力力学学在在现现代代科科学学技技术术中中的的广广泛泛应应用用,深深化化和和扩扩大大在在普普通通物物理理中中学学过过的的有有关关内内容容,为为学学生生以以后的物理教学或进一步学习与提高打下必要的基础。
后的物理教学或进一步学习与提高打下必要的基础。
学学习习目目的的1.加深对物质世界的理解,扩大知识面。
加深对物质世界的理解,扩大知识面。
2.作为进一步学习研究现代科学的基础。
作为进一步学习研究现代科学的基础。
3.掌握分析问题、解决问题的能力。
掌握分析问题、解决问题的能力。
学习方法学习方法少问为什么少问为什么多问是什么多问是什么理解基本概念理解基本概念掌握计算方法掌握计算方法著名物理学家著名物理学家费曼费曼说:
说:
科学是一种方法科学是一种方法.它教导人它教导人们:
们:
一些事物是怎样被了解的,什么事情是已知的,一些事物是怎样被了解的,什么事情是已知的,现在了解到了什么程度,如何对待疑问和不确定性,现在了解到了什么程度,如何对待疑问和不确定性,证据服从什么法则;如何思考事证据服从什么法则;如何思考事物,做出判断,物,做出判断,如何区别真伪和表面现象如何区别真伪和表面现象.怎样学习量子力学怎样学习量子力学著名物理学家爱因斯坦说:
著名物理学家爱因斯坦说:
发展独立思考和独立判发展独立思考和独立判断地一般能力,应当始终放在首位,而不应当把专断地一般能力,应当始终放在首位,而不应当把专业知识放在首位业知识放在首位.如果一个人掌握了他的学科的基如果一个人掌握了他的学科的基础理论,并础理论,并且学会了独立思考和工作,他必定会且学会了独立思考和工作,他必定会找到自己的道路,而且比起那种主要以获得细节知找到自己的道路,而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来,他一定会更好地适应进步识为其培训内容的人来,他一定会更好地适应进步和变化和变化.教教材和参材和参考书考书1周世勋,量子力学教程,人民教育出版社。
周世勋,量子力学教程,人民教育出版社。
习题解答习题解答2曾谨言,量子力学教程,科学出版社。
曾谨言,量子力学教程,科学出版社。
习题解答习题解答3、张永德,量子力学,科学出版社。
、张永德,量子力学,科学出版社。
习题解答习题解答4曾谨言曾谨言,量子力学,量子力学(卷卷),科学出版社科学出版社。
5钱伯初,量子力学,高等教育出版社。
钱伯初,量子力学,高等教育出版社。
6钱伯初、曾谨言,量子力学习题精选与剖析(上下册)。
钱伯初、曾谨言,量子力学习题精选与剖析(上下册)。
1900年年M.Plank提出了量子化假说,提出了量子化假说,成功地解释了黑体辐射问题。
成功地解释了黑体辐射问题。
1905年年A.Einstein将量子化概念明确为光子将量子化概念明确为光子的概念,并解释了光电效应。
的概念,并解释了光电效应。
同年创立了狭义相对论。
同年创立了狭义相对论。
1911年年E.Rutherfold确定了原子核式结构确定了原子核式结构发展历史发展历史1924年年L.deBrglie提出了提出了“物质波物质波”思想。
思想。
1913年年N.Bohr提出原子结构的量子化理论(旧量提出原子结构的量子化理论(旧量子论)子论)1923年年A.H.Compton散射证实了光子的基本散射证实了光子的基本公式公式的正确性,并证实在微观碰撞过程的正确性,并证实在微观碰撞过程中能量守恒、动量守恒成立。
中能量守恒、动量守恒成立。
1925年年W.Heisenberg建立量子力学的建立量子力学的“矩阵形式矩阵形式”1926年年E.Schrdinger建立量子力学的建立量子力学的“波动形式波动形式”并证明了与并证明了与“矩阵形式矩阵形式”等价。
等价。
1927年年Davission,Germer电子衍射实验电子衍射实验,1927年年W.Heisenberg得出测不准关系得出测不准关系1927年年Dirac发展了电磁场的量子理论发展了电磁场的量子理论1928年年Dirac建立了相对论量子力学(建立了相对论量子力学(Dirac方程)方程)美国Princeton大学和英国Sheffield大学的研究人员合作开发出双波长输出的中红外量子级联(QC)激光器1927年海特勒和伦敦用量子力学基本原理讨论氢分子结构问题,说明了两个氢原子能够结合成一个稳定的氢分子的原因,并且利用相当近似的计算方法,算出其结合能。
由此,使人们认识到可以用量子力学原理讨论分子结构问题,从而逐渐形成了量子化学这一分支学科。
运用量子力学的理论、概念和方法研究生命物质和生命过程的一门学科,又称量子生物物理学。
量子力学的创立和发展,吸引着物理学家和化学家,促使他们用以分析具有生物学意义的分子之电子结构,并把结果和生物学活性联系起来。
量子生物治疗技术量子生物治疗技术外腔量子级联激光器的多种应用太赫兹量子级联激光器德国应力波探测器量子鼻量子器件量子化学量子生物学量子高达量子力学应用主要内容:
经典力学的困难光的波粒二象性(a)波动性(b)黑体辐射(c)光电效应(d)康普顿效应原子的线光谱和原子结构理论微粒的波粒二象性第一章绪论1.11.1经典物理学的困难经典物理学的困难19世纪末期,经典物理相当完善:
机械运动牛顿力学规律电磁现象麦克斯韦方程组(包含光的波动理论)热现象热力学、统计物理学(波尔兹曼、吉布斯)认为物理现象的基本规律已经完全揭露了!
认为剩下的只是把这些基本规律应用于各种具体问题!
认为仅有计算而已!
n一经典物理学的成就1899年开尔文在欧洲科学家新年聚会的贺词中说:
年开尔文在欧洲科学家新年聚会的贺词中说:
物理学晴朗的天空上,物理学晴朗的天空上,飘着几朵令人不安的乌云飘着几朵令人不安的乌云黑体辐射黑体辐射迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验莫雷实验光电效应光电效应氢原子光谱氢原子光谱康普顿康普顿效应效应量子力学量子力学狭义相对论狭义相对论世纪之交实验物理学对理论物理学的挑战世纪之交实验物理学对理论物理学的挑战一、光的波动性一、光的波动性红橙黄绿青蓝紫1.1.22光的波粒二象性光的波粒二象性光在P点的强度为I:
当P点满足如下关系式时该点的光强最强当P点满足如下关系式时该点的光强最弱光是波动的!
光的电磁波理论得到支持!
波动性杨氏双缝干涉大量的几何光学实验问题:
问题:
辐射与周围物体处于平衡状态时的能量按照波长(频率)的分布辐射与周围物体处于平衡状态时的能量按照波长(频率)的分布?
常识:
常识:
所有物体都发出热辐射,这种辐射是一定波长范围的电磁波;所有物体都发出热辐射,这种辐射是一定波长范围的电磁波;对外来的辐射物体有反射或吸收作用。
对外来的辐射物体有反射或吸收作用。
黑体的定义:
黑体的定义:
若一个物体能全部吸收投射到它上若一个物体能全部吸收投射到它上面的辐射而无反射和透射(黑体仍然面的辐射而无反射和透射(黑体仍然要向外辐射),这种物体就成为要向外辐射),这种物体就成为绝对绝对黑体黑体,简称,简称黑体黑体。
基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律(Kirchhoff):
在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收率之比与物体本身物性无关,只在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收率之比与物体本身物性无关,只与波长和温度有关。
按照基尔霍夫辐射定律,在一定温度下,黑体必然是辐射与波长和温度有关。
按照基尔霍夫辐射定律,在一定温度下,黑体必然是辐射本领最大的物体,可叫作本领最大的物体,可叫作完全辐射体完全辐射体。
实验表明:
辐射能量密度按照波长分布的曲线,其形状和位置只与黑体的绝对实验表明:
辐射能量密度按照波长分布的曲线,其形状和位置只与黑体的绝对温度有关,而与空腔的形状、组成物质无关!
温度有关,而与空腔的形状、组成物质无关!
辐射平衡:
辐射平衡:
当空腔与内部辐射处于平衡时,腔壁单位面积所发射出的辐射当空腔与内部辐射处于平衡时,腔壁单位面积所发射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等。
能量和它所吸收的辐射能量相等。
一个空腔一个空腔可以看作可以看作是黑体!
是黑体!
二、黑体辐射WienWien公式公式(1893)(1893)从从热热力力学学出出发发加加上上一一些些特特殊殊的的假假设设,得得到到一个分布公式:
一个分布公式:
Wien线能能量量密密度度(104cm)0510斯忒藩(Stefan)-玻耳兹曼定律维恩位移定律实验发现:
实验发现:
当绝对黑体的当绝对黑体的温度升高时,单色辐出度温度升高时,单色辐出度最大值最大值m向短波方向移动。
向短波方向移动。
在一定温度下,绝对黑体的与辐射本领最大值相对应的波长在一定温度下,绝对黑体的与辐射本领最大值相对应的波长和绝对温度和绝对温度TT的乘积为一常数。
的乘积为一常数。
维恩位移定律仅与黑体辐射的维恩位移定律仅与黑体辐射的实验曲线的短波部分相符合。
实验曲线的短波部分相符合。
瑞瑞利利和和琼琼斯斯(1900年年初初)用用能能量量均均分分定定理理电电磁磁理理论论(经典电动力学和统计物理学)得出)得出:
只适于长波,有所只适于长波,有所谓的谓的“紫外灾难紫外灾难”:
瑞利-金斯公式紫外灾难:
在经典统计理论中,能量均分定理预言黑体辐射的强度在紫外区域会发散至无穷大!
普朗克的拟合结果PlanckPlanck黑体黑体辐射定律射定律n究竟是什么机制使空腔的原子产生出所观究竟是什么机制使空腔的原子产生出所观察到的黑体辐射能量分布,对此问题的研察到的黑体辐射能量分布,对此问题的研究导致了量子物理学的诞生。
究导致了量子物理学的诞生。
19001900年月日年月日PlanckPlanck
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