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第5篇 量子物理基礎(chǔ) Planck普朗克 Einstein愛(ài)因斯坦 Compton康普頓 Davisson戴維孫 Wein維恩 Rutherford盧瑟福 Bohr玻爾 Sommerfeld索末非 lenard勒納德 Thomson湯姆孫 chadwick查德威克 becquerel貝克勒爾 Frank夫蘭克 Hertz赫茲 whbragg布拉格 wlbragg布拉格 bothe玻色 Zeeman塞曼 pauli泡利 Stark斯達(dá)克 Stern斯特恩 李政道 楊振林 weinberg溫伯格 wigner魏格納 Willson威爾孫 braun布勞恩 Salam薩拉姆 Born波恩 Heisenberg海森伯 Schrdinger薛定諤 deBroglie德布羅易 Feynman費(fèi)曼 Dirac狄拉克 Landau郎道 吳健雄 fermi費(fèi)米 Mayer梅耶 glashow格拉肖 jensen吉孫 丁肇忠 Cooper庫(kù)伯 霍金 FirstSolvayConference1911輻射和量子 1927年索耳威第五屆會(huì)議主題是電子與光學(xué) 1933第七屆索耳威會(huì)議原子核的構(gòu)造和性質(zhì) SolvayPhysicsCongress 1921 第17章量子力學(xué)基礎(chǔ) 1 量子力學(xué)發(fā)展線索 17 0章序 黑體輻射研究 能量子觀念 康普頓實(shí)驗(yàn) 光量子觀念 德布羅易假設(shè) 波粒二象性 量子力學(xué)體系 2 本章內(nèi)容結(jié)構(gòu) 1 實(shí)物粒子的波粒二象性與不確定關(guān)系 2 薛定諤方程的建立及初步應(yīng)用 3 原子中電子的存在狀況 17 1微觀粒子的波粒二象性 一德布羅易物質(zhì)波觀念 1 德布羅易物質(zhì)波觀念的提出 光的波動(dòng)學(xué)說(shuō) 光的波粒二象性 2 德布羅易物質(zhì)波觀念的數(shù)學(xué)表述 結(jié)論 實(shí)物粒子不僅具有粒子性 同時(shí)也具有波動(dòng)性實(shí)物粒子的波粒二象性是其內(nèi)稟屬性 實(shí)物粒子的波粒二象性數(shù)學(xué)表述是通過(guò)類比光的波粒二象性得到的 討論 I 德布羅易關(guān)系式的物理意義II 對(duì)實(shí)物粒子 德布羅易關(guān)系式的兩個(gè)公式互相獨(dú)立 III 物質(zhì)微粒的能量是指其總能量 而不是粒子的動(dòng)能粒子低速運(yùn)動(dòng)時(shí) 可用粒子動(dòng)能代替其總能量求解波長(zhǎng) 例 電子的總能量可寫為 推算 物質(zhì)波波長(zhǎng)計(jì)算公式 并得到低速近似計(jì)算公式 解 由狹義相對(duì)論 文獻(xiàn)查閱 文先俊 簡(jiǎn)述建立量子力學(xué)基本原理的思想方法 高等函授學(xué)報(bào) 1997 vol 4 p29 33 3 由德布羅易關(guān)系得到的若干結(jié)論 I宏觀粒子的波長(zhǎng)極小 僅顯示出極其微弱的波動(dòng)性 例 已知 微塵 m1 10 15kg v1 10 2m s 小球 m2 10 3kgv2 10 1m s 電子 m3 9 11 10 31kg v3 5 107m s求 它們各自的德布羅意波長(zhǎng) 解 微塵 小球 II由德布羅易關(guān)系得到玻爾量子條件 駐波條件 電子回轉(zhuǎn)一周的周長(zhǎng)應(yīng)為其波長(zhǎng)整數(shù)倍 即 討論作用量 稱與mrv有相同量綱的物理量為系統(tǒng)作用量結(jié)論 當(dāng)微觀粒子的作用量與h可相比擬時(shí) 該系統(tǒng)稱量子系統(tǒng) 思考題 無(wú)限深勢(shì)阱中粒子能量量子化 III由德布羅易關(guān)系得到氫原子基態(tài)能量 解 氫原子能量 E對(duì)r求極值 可得 小結(jié) 由德布羅易關(guān)系推導(dǎo)出的若干結(jié)論與已有理論或?qū)嶒?yàn)結(jié)果是一致的 初步檢驗(yàn)了它的合理性 二德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 1 戴維遜 革末實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象集電器電流強(qiáng)度隨電壓?jiǎn)握{(diào)增加作周期性變化周期變化滿足布拉格公式 理論分析 對(duì)鎳單晶 d 0 91 實(shí)驗(yàn)時(shí) 65 V 54V理論波長(zhǎng) 1 67 實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng) 1 65 三實(shí)物粒子波粒二象性的物理圖象 1 波包 解釋 2 鬼場(chǎng) 解釋 約束粒子的導(dǎo)波產(chǎn)生機(jī)制問(wèn)題 3 實(shí)物粒子波粒二象性的統(tǒng)計(jì)解釋例 分析電子的雙縫衍射實(shí)驗(yàn) 并說(shuō)明玻恩統(tǒng)計(jì)解釋的觀點(diǎn)思考 從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中總結(jié)波函數(shù)的物理意義 18 2 不確定關(guān)系 一不確定關(guān)系的內(nèi)涵 1 不確定關(guān)系的引入 由于粒子的波粒二象性 描述粒子經(jīng)典軌道運(yùn)動(dòng)的參量 已經(jīng)不能描述量子粒子的運(yùn)動(dòng)狀況描述量子粒子運(yùn)動(dòng)時(shí) 繼續(xù)沿用軌道參量 但它們不再具有經(jīng)典物理中的軌道物理圖像 2 不確定關(guān)系的特例說(shuō)明 以單電子單縫衍射中 電子坐標(biāo)與動(dòng)量的不確定關(guān)系為例 忽略次極大時(shí) 電子在x方向動(dòng)量范圍 電子在x方向動(dòng)量不確定度 有 3 不確定關(guān)系 典型特例表示方法 討論不確定關(guān)系是微觀粒子的內(nèi)稟屬性 是波粒二象性的結(jié)果任何一對(duì)廣義動(dòng)量與廣義坐標(biāo)之乘積都滿足不確定關(guān)系不確定關(guān)系的本質(zhì)含義是 任何一對(duì)廣義動(dòng)量與廣義坐標(biāo)在理論上不可能同時(shí)具有確定值不確定關(guān)系只有在量子系統(tǒng)中才明顯表現(xiàn)出來(lái)利用不確定關(guān)系估算物理參量時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題 二不確定關(guān)系的應(yīng)用舉例 例 小球質(zhì)量m 10 3kg 速度v 0 1m s 位置不確定度 x 10 6m求 1 小球的作用量 2 小球動(dòng)量 速度不確定度 解 1 作用量 2 由可得 對(duì)作用量遠(yuǎn)大于h的經(jīng)典物理系統(tǒng) 廣義動(dòng)量與廣義坐標(biāo)是可以被同時(shí)精確測(cè)定 1 不確定關(guān)系適用的條件 例 電子的質(zhì)量me 9 1 10 31kg 氫原子的半徑為10 10m數(shù)量級(jí)求 1 電子的作用量 2 測(cè)量電子速度時(shí)的不確定度 解 1 作用量 2 由可得 作用量與h相當(dāng)?shù)牧孔酉到y(tǒng) 不確定關(guān)系將起很重要作用 此時(shí) 不能再用經(jīng)典理論討論物理系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 例 顯象管中電子運(yùn)動(dòng)速度為107m s數(shù)量級(jí) 電子束橫截面尺寸為10 4m數(shù)量級(jí)求 1 顯象管中電子的作用量 2 電子橫向速度的不確定度 解 1 作用量 2 由可得 不能單純以物理對(duì)象是否十分 微小 來(lái)判定該系統(tǒng)屬于經(jīng)典或量子系統(tǒng) 而必須依據(jù)其作用量是否與h相當(dāng)來(lái)判定 2 不確定關(guān)系在估算物理量中的應(yīng)用 例 用不確定關(guān)系 估算氫原子中可能有的最低能量 解 不計(jì)原子核運(yùn)動(dòng)時(shí) 氫原子的能量就是原子中電子的能量 取 因 將上式代入能量表達(dá)式 求極值 例 利用不確定關(guān)系估算譜線的自然寬度 取 t 10 8s 解 能級(jí)寬度 原子中電子的能級(jí)有一個(gè)寬度電子壽命 電子在每一個(gè)能級(jí)上停留的時(shí)間譜線的自然寬度 電子在能級(jí)間躍遷時(shí)的頻率寬度 18 3 波函數(shù) 一波函數(shù)的引入 1 用波函數(shù)描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律觀念的提出 2 波函數(shù)引入的思路 從波動(dòng)性角度描述微觀粒子運(yùn)動(dòng) 自由粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律以平面波描述 束縛粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律通過(guò)動(dòng)力學(xué)方程給出 與經(jīng)典波動(dòng)對(duì)應(yīng) 討論引入波函數(shù)概念是微觀粒子波粒二象性的必然結(jié)果波函數(shù)引入的思路同時(shí)給出了波動(dòng)量子力學(xué)數(shù)學(xué)體系的建立思路 3 波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋例 分析電子的雙縫衍射實(shí)驗(yàn) 并說(shuō)明玻恩統(tǒng)計(jì)解釋的觀點(diǎn) 波函數(shù)模之平方代表粒子取得某一物理量值的幾率量子力學(xué)中波函數(shù)不代表任何實(shí)在形式的物質(zhì)波 4 幾率波的數(shù)學(xué)表述 討論波函數(shù)可乘以任意常數(shù)而不影響其幾率相對(duì)強(qiáng)弱的分布波函數(shù)應(yīng)該滿足歸一化條件 自由粒子平面波函數(shù)例外 數(shù)學(xué)表述 歸一化波函數(shù)可以寫為 幾率密度 三量子力學(xué)中波函數(shù)的基本特征 1 波函數(shù)必須是復(fù)數(shù)波函數(shù)形式 思考題 2 波函數(shù)可以相差一個(gè)相位因子 例 設(shè) 1 2為體系的兩個(gè)可能狀態(tài) 作如下三種線性疊加 B和C 3 量子力學(xué)中波函數(shù)應(yīng)該滿足標(biāo)準(zhǔn)條件 波函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件是 單值 連續(xù) 有限 4 量子力學(xué)中波函數(shù)應(yīng)當(dāng)滿足態(tài)疊加原理 態(tài)疊加原理如果 1 2分別是粒子存在的一個(gè)可能狀態(tài) 那么 它們的線性疊加 1 2 也是粒子的一個(gè)可能狀態(tài) 當(dāng)粒子處于 1和 2的線性疊加態(tài)時(shí) 微觀粒子同時(shí)處于 1和 2態(tài)各粒子出現(xiàn)的幾率為 例 設(shè)一維空間運(yùn)動(dòng)粒子的波函數(shù)可以表述為 其中 A為任意常數(shù) E b為確定常數(shù)求 歸一化波函數(shù) 幾率密度 解 由歸一化條件 歸一化常數(shù) 歸一化波函數(shù) 幾率密度 最大幾率密度點(diǎn) 17 4 非相對(duì)論薛定諤方程 一建立薛定諤方程的限制條件 1 動(dòng)力學(xué)微分方程的解必須是線性的2 微分方程中的系數(shù)不應(yīng)包含狀態(tài)參量 二非相對(duì)論的薛定諤方程 1 一維自由粒子非相對(duì)論的薛定諤方程 一維自由粒子非相對(duì)論的波函數(shù)為 非相對(duì)論的薛定諤方程 2 非相對(duì)論的薛定諤方程的一般形式及討論 將自由粒子薛定諤方程中能量推廣為粒子的總能量 就可得到一般粒子的薛定諤方程 引入算符 則薛定諤方程可以寫為 一般形式下的薛定諤方程 討論薛定諤方程反映量子微觀粒子體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如果量子微觀粒子體系的勢(shì)函數(shù)不含時(shí)間變量t 對(duì)應(yīng)的薛定諤方程可以寫為定態(tài)薛定諤方程 其中 三定態(tài)薛定諤方程的應(yīng)用舉例 1 一維無(wú)限深勢(shì)阱問(wèn)題 例 求解一維無(wú)限深方勢(shì)阱問(wèn)題 解 束縛態(tài) 量子粒子在保守力場(chǎng)下被限制在一定空間范圍內(nèi)的狀態(tài) 稱為束縛態(tài) 泛定方程的通解為 代入邊界條件 于是歸一化波函數(shù)為 本征能量 討論一維無(wú)限深勢(shì)阱的波函數(shù)實(shí)際上為駐波解一維無(wú)限深勢(shì)阱中的微觀粒子并不在勢(shì)阱中各點(diǎn)均勻出現(xiàn) 一維無(wú)限深勢(shì)阱中微觀粒子的能量只能取分離值 且與n相關(guān) 稱這些分離能量值為能量的本征值微觀粒子的最低能量稱為它的基態(tài)能量 一維無(wú)限深勢(shì)阱中粒子的基態(tài)能量不為零 稱為零點(diǎn)能 例 設(shè)質(zhì)量為m的粒子處在寬度為a的一維無(wú)限深方勢(shì)阱中求 1 粒子在0 x a 4區(qū)間中出現(xiàn)的幾率 并對(duì)n 1和n 的情況算出概率值 2 在哪些量子態(tài)上 a 4處概率最大 解 1 粒子在0 x a 4區(qū)間中出現(xiàn)的幾率 已知粒子定態(tài)波函數(shù) 概率密度 粒子出現(xiàn)在0 x a 4區(qū)間中出現(xiàn)的幾率 n 1時(shí) n 時(shí) 2 在哪些量子態(tài)上 a 4處概率最大 k 0 1 2 時(shí) 幾率取得極大 此時(shí) n 2 6 10 2 一維方形勢(shì)壘與隧道效應(yīng)問(wèn)題 2 一維線形諧振子問(wèn)題 A 泛定方程及化簡(jiǎn) 勢(shì)函數(shù) S eq 令 S eq 1 定解問(wèn)題 B 定解問(wèn)題 2 定解問(wèn)題求解 A 漸近解 B 本證值問(wèn)題 波函數(shù) 歸一常數(shù) 本證值 本證能量 2 討論 A 零點(diǎn)能問(wèn)題B 在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用 例 一維方形勢(shì)壘與隧道效應(yīng)問(wèn)題 勢(shì)能曲線寫為 解 1 定解問(wèn)題 2 定解問(wèn)題求解 A 在情況下 令 將上面各式乘以時(shí)間因子 考慮邊界條件 有 考慮到幾率密度 入射波的幾率密度 透射波的幾率密度 反射波的幾率密度 定義透射系數(shù) 反射系數(shù) B 當(dāng)E 0時(shí) k2為虛數(shù) 令k3為實(shí)數(shù) 前面的計(jì)算仍成立 經(jīng)計(jì)算 得 其中 討論 于是 k1 k3具有相同數(shù)量級(jí) 時(shí) 于是 透射系數(shù)隨勢(shì)壘寬度的增加而減小 ii 任意勢(shì)壘的透射系數(shù) iii 常見(jiàn)的隧道效應(yīng)現(xiàn)象及應(yīng)用 a 全反射的透射光b 導(dǎo)線接頭處的電流c STM隧道掃描顯微鏡 任意形狀的勢(shì)壘 18 5量子力學(xué)對(duì)氫原子的描述 一氫原子的定態(tài)薛定諤方程與求解 1 氫原子的定態(tài)薛定諤方程 在球坐標(biāo)系下 薛定諤方程為 分離變量運(yùn)算 可得到如下三個(gè)方程 其中 ml為待定系數(shù) 2 氫原子的定態(tài)薛定諤方程的解 1 徑向波函數(shù)與能量量子化 徑向本征函數(shù) 其中 a0是玻爾第一軌道半徑 是締合拉蓋爾多項(xiàng)式 能量本征值 其中 討論 A 關(guān)于能量本征值 量子力學(xué)得到的氫原子能量本征值與玻爾理論給出的相同 徑向波函數(shù)表明 對(duì)同一個(gè)n 有n個(gè)電子的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)簡(jiǎn)并態(tài) 對(duì)物理量 如果不同微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)相同的 值 稱這些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是物理量 的簡(jiǎn)并態(tài)簡(jiǎn)并度 m個(gè)不同微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)相同的 值 稱物理量 是m度簡(jiǎn)并的主能量量子數(shù)n 主量子數(shù) 能量量子數(shù) B 量子數(shù)與物理模型 相同量子數(shù)n的所有軌道 n個(gè) 組成同一電子殼層 相同n 不同l的每一個(gè)軌道稱為一個(gè)電子亞殼層 2 角向波函數(shù)與角動(dòng)量量子化 將已得量子數(shù)取值代入分離變量式的第一和第二式并求解 可以得到如下結(jié)論 m為空間量子數(shù) 或稱磁量子數(shù) 討論 量子力學(xué)中角動(dòng)量的數(shù)學(xué)表達(dá)式與玻爾理論得到的不同 角動(dòng)量量子數(shù)的取值范圍也不相同角動(dòng)量量子數(shù)分別取1 2 3 4 5 6 7 時(shí) 分別稱微觀粒子處于s p d f g h i 等電子狀態(tài)角動(dòng)量為矢量 滿足平行四邊形合成法則 3 角動(dòng)量的空間量子化 解分離變量式中的第一式 容易得到以下結(jié)論 討論 角動(dòng)量z方向的量子化角動(dòng)量z方向 磁場(chǎng)方向稱為z方向空間量子化現(xiàn)象 3 斯特恩 O stern 革拉赫W Gerlach 實(shí)驗(yàn) 1 stern Gerlach實(shí)驗(yàn) i 實(shí)驗(yàn)裝置 ii 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋與自旋量子數(shù) i 量子力學(xué)中的角動(dòng)量合成法則 角動(dòng)量l1與角動(dòng)量l2合成的總角動(dòng)量記為J 則 例 設(shè)l1 1 l2 3 計(jì)算合成的角動(dòng)量值 解 首先計(jì)算合成角動(dòng)量量子數(shù)j的取值范圍 于是 合成角動(dòng)量值為 ii stern Gerlach實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋與自旋量子數(shù) 設(shè)處于l量子態(tài)上的電子有自旋角動(dòng)量S 則其總角動(dòng)量J為 對(duì)基態(tài)銀原子 已知l 0 于是 依據(jù)氫原子理論 角動(dòng)量在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生空間取向量子化 且 磁量子數(shù)ml的取值范圍 應(yīng)用于基態(tài)銀原子 有共有2s 1種可能取值 因?qū)嶒?yàn)發(fā)現(xiàn)共有2條銀原子斑紋 即 討論 電子自旋角動(dòng)量 電子自旋角動(dòng)量的z分量 二原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述 18 6Pauli不相容原理與元素周期表 一能量最低原理 原子中電子總是首先填充在能量最低的軌道上穩(wěn)定態(tài)的原子體系 其總能量最低 二原子實(shí)與能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象 1 原子實(shí) 原子實(shí) 原子核與內(nèi)層電子組成的系統(tǒng) 2 軌道貫穿與能級(jí)交錯(cuò) i 價(jià)電子軌道貫穿理論 ii 外層電子排布的能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象 能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象 能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象只發(fā)生在外層電子排序未滿情況 三Pauli不相容原理與殼層電子數(shù) 1 玻色子與費(fèi)米子 玻色子 s 2k 1 2的粒子費(fèi)米子 s k的粒子 2 Pauli不相容原理 不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的費(fèi)米子處于同一個(gè)狀態(tài) 3 殼層電子數(shù) 描述電子狀態(tài)的量子數(shù)n l ml msn 1 2 ml l l 1 0 ll n 0 1 n 1ms 1 2 1 2 相同n l ml殼層容許最多電子數(shù) 2相同n l殼層容許最多電子數(shù) 2 2l 1 相同n殼層容許最多電子數(shù) 結(jié)論每一主殼層最多可容納的電子數(shù)為2n2個(gè)每增加一個(gè)主殼層 元素周期增加1 故各周期元素?cái)?shù)目為2 8 8 18 四元素性質(zhì)的周期變化與元素周期表 元素物理性質(zhì)的周期變化元素化學(xué)性質(zhì)的周期變化 18 7量子力學(xué)的基本公設(shè) 波函數(shù)假設(shè)任何微觀粒子都具有波粒二象性 其行為都可用波函數(shù)描寫量子力學(xué)中的算符都是厄米算符量子力學(xué)中所有粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律都可以用薛定諤方程求解粒子的全同性原理粒子不可識(shí)別玻色子波函數(shù)滿足交換對(duì)稱性費(fèi)米子波函數(shù)滿足交換反對(duì)稱性