经典困难与量子诞生.pptVIP

赵宝华 第一篇 量子力学与统计物理基础 第二篇 固体物理基础 第三篇 材料科学常用基本理论方法介绍 材料科学的物理基础（课程的内容与结构） 第一讲： 量子力学基础（1-6章） 第二讲：近独粒子系的统计理论（7章） 第四讲： 固体材料中电子的运动及其对材料的性质的影响（10-14章） 第五讲： 相互作用对材料性质的影响及 多体问题的基本处理方法介绍（15-18章） 第三讲： 晶体结构、结合及晶格的运动（ 8 - 9章 ） 内容: 1900 — 1930年间发展起来的有关的物理学中的重要进展和主要结论. 意义: (一) 它已成为当代科学工作者研究问题和表述思想的基本出发点和主要工具. 叶恒强 王崇愚 王淀佐 ... (二) 这一段历史是理论与实际相结合并获成功的光辉典范. 对科学研究工作者有重要的启发和表帅作用. 对量子信息科学的应用，潘建伟列出了两个方向：一是将广域量子通信向实用化方向进一步推进；二是发展量子模拟技术，用发展起来的量子操纵技术反过来推动量子物理和凝聚态物理方面的基础研究。“这将使量子科学与技术之间形成良性的正反馈关系。” 第一章 经典物理的困难与量子力学的诞生 本章主要从研究的角度出发，既仔细又概要的介绍量子力学的诞生过程。所要达到的目的是： 1、通过对量子力学诞生过程的学习体会探索未知世界时思考与处理问题的方法和特点。 2、通过对量子力学诞生过程的学习帮助大家能比较顺利的接受量子力学的基本概念。 3、结合对量子力学诞生过程的学习介绍一些今后学习中必要的基础物理知识。 § 1、黑体辐射与普朗克量子假说 § 2、光电效应与爱因斯坦光电效应方程 § 3、康普顿效应 § 4、氢原子光谱 玻尔的氢原子理论 § 5、爱因斯坦的固体比热理论 § 6、微观粒子的波粒二象性与徳布罗意 假说 § 7、量子力学的诞生 §1、黑体辐射与普朗克量子假说 1899年开尔文在欧洲科学家新年聚会的贺词中说：物理学的上空是一片晴朗的天空，只是 飘着几小朵乌云—— 物理学面临着挑战! 黑体辐射 光电效应 迈克尔逊—莫雷实验 氢原子光谱实验规律 …... 固体比热 挑战与机遇并存! 一. 黑体辐射问题的实验规律： 能完全吸收各种波长电磁波的辐射而无反射和透射的物体。 1、绝对黑体 2、维恩设计的黑体(空腔小孔模型）： 物体M 最大且只与温度有关而和材料及表面状态无关 3、黑体辐射的基本规律 （1）基尔霍夫定律： a）平衡辐射的空腔内，辐射能密度(T,)，只与频率和温度有关，与空腔内壁的表面性质无关。 b）在平衡辐射的条件下，物体的单色辐出度和单色吸收系数之比是一个与温度和频率有关的普适量，而该普适量就是绝对黑体的单色辐出度。 为物体的单色吸收系数 （2）绝对黑体的单色辐出度： l 可以说明有: (3) 斯特藩-玻耳兹曼定律 M(T)=T 4  = 5.6710-8 W/m2K4 (4)黒体辐射的维恩公式: 在此基础上, 维恩又由电动力学的假设出发作了一些计算, 最后得到: 维恩定律与实验结果的比较: (ⅰ) 短波段符合的很好. (ⅱ) 长波段符合的不好. 理论: 按  . 实验: 按 4 . 但是式: 或 还是正确的, 只是不知道函数 f 的具体形式。 这是因为只要通过对量纲分的析就可得到上述关系。但这却不能具体确定函数 f 的形式。 (ⅲ)维恩位移律: m = b/T b = 2.897756×10-3 m·K (5) 黑体辐射的瑞利—金斯公式： 瑞利—金斯从另外一个角度得到了有关黑体辐射的公式： 总体思路： ① 辐射的黑体被视为是一个立方体的空腔, 空腔壁向空腔中辐射电磁波. 这些电磁波在达到平衡时应是一些驻波. ② 利用驻波条件来估算黑体空腔中单位体积内存在的驻波的可能振动方式数. ③ 由能量均分定理可知: 每个振动方式的平均能量为kT, 从而求得黑体空腔的平均能量密度, 进而得到黑体的单色辐出度. 具体过程： 不妨碍一般性，可设空腔是边长为 l 的立方体, 辐射的电磁波在空腔中沿某个方向传播, 设传播方向与坐标轴的夹角分别为:  ,以表示可能出现的驻波的波长, 它必须满足驻波条件: 两端固定的张 紧的弦上的驻波 张紧的膜上的驻波 黑体空腔 驻波条件: 弦: 膜: 空腔: 注意到应有: 可得: 结论: 一种可能的 驻