第一章-量子力学基础 2.pptVIP

第一章 量子力学基础 原子力显微镜 粒子加速器 法国瑞士边界的超大粒子加速器 结构化学是研究原子、分子、固体的微观结构，运动规律，物质结构与性能关系的科学. 微观物体运动遵循的规律——量子力学，被称为是20世纪三大科学发现（相对论、量子力学、DNA双螺旋结构）之一. 100多年前量子概念的诞生、随后的发展及其产生的革命性巨变，是一场激动人心又发人深省的史话. 1.1 微观粒子的波粒二象性 1687年，Newton的《自然哲学的数学原理》在伦敦出版。在以后的年代里, Lagrange创立分析力学; Ampere、Weber、Maxwell等人创立电动力学;Boltzmann、Gibbs等人创立统计力学……. 到19世纪末，经典物理学大厦基本建成，它在一系列问题上取得了令人目眩的辉煌成就. 但它对几个问题始终不能给予解释, 其中之一就是著名的黑体辐射问题. 此外还有光电效应、原子光谱和原子结构等问题. 维恩的黑腔 瑞利的分配原则 据此，Plack推出单位时间、单位表面积辐射的能量： 长波方向：Rayleigh-Jeans公式 短波方向：Wein近似 M. Planck被誉为量子论的创始人. 关于科学发现问题，他曾有这样一段精辟的论述： …… 我们遇到了一个难题，即如何找到最适当的假说的问题？在这方面并无普遍的规则. 单有逻辑思维是不够的，甚至有特别大量和多方面的经验事实来帮助逻辑思维也还是不够的. 唯一可能的办法是直接掌握问题或抓住某些适当的概念. 这种智力上的跃进，唯有创造力极强的人生气勃勃地独立思考，并在有关事实的正确知识指导下走上正轨，才能实现. 经典物理无法解释的另一个现象来自 H.R.赫芝1887年的著名实验. 这一实验极为有趣和重要, 因为它既证实了Maxwell的电磁波理论——该理论认为光也是电磁波, 又发现了光电效应(photoelectric effect), 后来导致了光的粒子学说. 1889年, 斯托列托夫提出获得光电流的电池方案(下图G为电流表, V为电压表; C为阴极, A为阳极): 1898年，P.勒纳特确认放电粒子为电子, 并于1902年指出: 1.入射光线的频率低于一定值就不会放出光电子; 2.光电子的动能与光强度无关而与光的频率成正比; 3.光电流强度与光强成正比。 光电子的动能显然来自光能. 按照经典波动理论, 光能取决于光强度即振幅平方,与频率无关. 显然, 经典波动理论完全不能解释光电效应的实验事实. 光子学说： 1.辐射的能量量子化，有最小的能量单位，称为光子； 2.光为一以光速行进的光子流，其强度取决于单位体积内光子的数目（光密度）； 3.光子有能量也有质量； 4.有动量； 5.服从能量守恒和动量守恒。 光子能量: E=hν 光子动量: p=h/λ 光电效应方程: mv2/2 =hν-φ (λ为入射光的波长, φ为金属的功函数, m和v为光电子的质量和速度) 科学史上的前车之鉴 Planck说过：“新理论的创造者，不知是由于惰性还是其他感情作用，对于引导他们得出新发现的那一群观念往往不愿多作更动，他们往往运用自己全部现有的权威来维护原来的观点，因此，我们很容易理解阻碍理论健康发展的困难是什么.” Planck看出了这一点，但他自己也未能完全避免犯同样的错误. 科学的先驱们是一群勇敢的探索者，他们常常在黑暗中摸索前进.他们的精神值得我们敬佩. 后人不应对他们过分苛求，但应该从中汲取经验教训. 1924年，L.V.de Broglie（德布罗意）认为辐射的波粒二象性(wave-particle duality )同样适用于物质. 波以某种方式伴随电子和其他粒子, 正如波伴随着光子一样. 这就是说, 一度被视为波的光已被证明也有粒子性, 现在需要“反过来”把一直认为是实物粒子的电子等物质, 也看作是波. de Broglie关系式为: ν= E / h λ= h / p 尽管Einstein的光量子理论对de Broglie有重要影响, 但实物微粒的波粒二象性并不能从光的波粒二象性经演绎推理得出. de Broglie波的传播速度为相速度u, 不等于粒子运动速度v; 它可以在真空中传播，因而不是机械波；它产生于所有带电或不带电物体