习题十六 量子物理基础
（1,2,3小题参考课本后答案）
16-3 将星球看做绝对黑体，利用维恩位移定律测量m λ便可求得T ．这是测量星球表面温度的方法之一．设测得：太阳的m 55.0m μλ=，北极星的
m 35.0m μλ=，天狼星的m 29.0m μλ=，试求这些星球的表面温度．
解：将这些星球看成绝对黑体，则按维恩位移定律：
K m 10897.2,3??==-b b T m λ
对太阳： K 103.51055.010897.236
311
?=??==
--m
b
T λ 对北极星：K 103.81035.010897.236
322
?=??==
--m
b
T λ 对天狼星：K 100.110
29.010897.246
333
?=??==
--m
b
T λ 16-4 用辐射高温计测得炉壁小孔的辐射出射度(总辐射本领)为22.8W ·cm -2，求炉内温度．
解：炉壁小孔视为绝对黑体，其辐出度 242
m W 108.22cm W 8.22)(--??=?=T M B
按斯特藩-玻尔兹曼定律：
=)(T M B 4T σ
41
8
44
)1067.5108.22()
(-??==σ
T M T B K 1042.110)67
.58.22(
334
1?=?= 16-5 从铝中移出一个电子需要4.2 eV 的能量，今有波长为2000ο
A 的光投射到铝表面．试问：(1)由此发射出来的光电子的最大动能是多少?(2)遏止电
势差为多大?(3)铝的截止(红限)波长有多大? 解：(1)已知逸出功eV 2.4=A 据光电效应公式2
21m mv hv =A + 则光电子最大动能：
A hc A h mv E m -=-==
λ
υ2max k 21 eV
0.2J 1023.310
6.12.41020001031063.61919
10
834=?=??-????=---- m 2
max k 2
1)2(mv E eU a =
=
∴遏止电势差 V 0.2106.11023.319
19
=??=
--a U (3)红限频率0υ,∴0
00,λυυc
A h =
=又
∴截止波长 19
8
3401060.12.41031063.6--?????==A hc λ m 0.296m 10
96.27
μ=?=-
16-6 在一定条件下，人眼视网膜能够对5个蓝绿光光子(m 105.0-7
?=λ)产生光的感觉．此时视网膜上接收到光的能量为多少?如果每秒钟都能吸收5个
这样的光子，则到 达眼睛的功率为多大? 解：5个兰绿光子的能量
J
1099.110
0.51031063.65187
8
34---?=?????===λ
υhc
n
nh E
功率 W 1099.118-?==
t
E
16-7 设太阳照射到地球上光的强度为8 J ·s -1
·m -2
，如果平均波长为5000ο
A ，则每秒钟落到地面上1m 2的光子数量是多少?若人眼瞳孔直径为3mm ，每秒钟进入人眼的光子数是多少?
解：一个光子能量 λ
υhc
h E =
=
1秒钟落到2m 1地面上的光子数为
2
1198347m s 1001.21031063.6105888----??=?????=
==hc E n λ 每秒进入人眼的光子数为
1
1462192
s 1042.14
/10314.31001.24
--?=????==d n
N π
16-8 若一个光子的能量等于一个电子的静能，试求该光子的频率、波长、动量．
解：电子的静止质量S J 1063.6,kg 1011.934310??=?=--h m 当 20c m h =υ时， 则
Hz
10236.11063.6)103(1011.92034
2
83120?=????=
=--h c m υ ο
12
A 02.0m 10
4271.2=?==
-υ
λc
1
228310201
22s m kg 1073.21031011.9s m kg 1073.2-----???=???=====???==
c m c
c m c E p cp
E h
p 或
λ
16-9 光电效应和康普顿效应都包含了电子和光子的相互作用，试问这两个过程有什么不同?
答：光电效应是指金属中的电子吸收了光子的全部能量而逸出金属表面，是电子处于原子中束缚态时所发生的现象．遵守能量守恒定律．而康普顿效应则是光子与自由电子(或准自由电子)的弹性碰撞，同时遵守能量与动量守恒定律．
16-10 在康普顿效应的实验中，若散射光波长是入射光波长的1.2倍，则散射光子的能量ε与反冲电子的动能k E 之比k E /ε等于多少? 解：由 2200mc h c m hv +=+υ
)(00202υυυυ-=-=-=h h h c m mc E k
υεh =
∴
5)(00=-=-=
υ
υυ
υυυε
h h E k
已知
2.10
=λλ
由2.10=∴=υυλυc
2.110=υυ则52
.01
12.110==-=-υυυ
16-11 波长ο
0A 708.0=λ的X 射线在石腊上受到康普顿散射，求在2
π
和π方向上所散射的X 射线波长各是多大? 解：在2
π
?=
方向上：
ο
12
83134200A
0243.0m 10
43.24sin 1031011.91063.622
sin 2Δ=?=?????==
-=---π
?λλλc m h 散射波长ο
0A 732.00248.0708.0Δ=+=+=λλλ 在π?=方向上
ο12
0200A 0486.0m 1086.422sin 2Δ=?===-=-c
m h c m h ?λλλ
散射波长 ο
0A 756.00486.0708.0Δ=+=+=λλλ 16-12 已知X 射线光子的能量为0.60 MeV ，在康普顿散射之后波长变化了
20%，求反冲电子的能量．
解：已知X 射线的初能量,MeV 6.00=ε又有
00
,ελλεhc
hc
=
∴=
经散射后 000020.1020.0λλλλ?λλ=+=+= 此时能量为 002
.11
2.1ελλ
ε==
=
hc hc
反冲电子能量 MeV 10.060.0)2
.11
1(0=?-
=-=εεE 16-13 在康普顿散射中，入射光子的波长为0.030 ο
A ，反冲电子的速度为0.60c ，求散射光子的波长及散射角． 解：反冲电子的能量增量为
20202
202
0225.06.01c m c m c m c m mc E =--=
-=?
由能量守恒定律，电子增加的能量等于光子损失的能量， 故有 200
25.0c m hc
hc
=-
λ
λ
散射光子波长
ο
12
10
83134
10
34000
A
043.0m 103.410
030.0103101.925.01063.610030.01063.625.0=?=??????-????=
-=
------λλλc m h h 由康普顿散射公式
2
sin 0243.022sin 22200??λλλ??==
-=c m h 可得 2675
.00243
.02030
.0043.02
sin
2
=?-=
?
散射角为 7162'=ο?
16-14 实验发现基态氢原子可吸收能量为12.75eV 的光子． (1)试问氢原子吸收光子后将被激发到哪个能级?
(2)受激发的氢原子向低能级跃迁时，可发出哪几条谱线?请将这些跃迁画在能级图上．
解：(1)2
eV
6.13eV 85.0eV 75.12eV 6.13n
-
=-=+- 解得 4=n
或者 )111(22n
Rhc E -=? 75.12)1
1.(1362=-=n
解出 4=n
题16-12图 题16-13
图
(2)可发出谱线赖曼系3条，巴尔末系2条，帕邢系1条，共计6条.
16-15 以动能12.5eV 的电子通过碰撞使氢原子激发时，最高能激发到哪一能级?当回到基态时能产生哪些谱线?
解：设氢原子全部吸收eV 5.12能量后，最高能激发到第n 个能级，则
]1
1[6.135.12,eV 6.13],111[
2221n
Rhc n
Rhc E E n -
==-=-即
得5.3=n ，只能取整数，
∴ 最高激发到3=n ，当然也能激发到2=n 的能级．于是
ο322ο222ο7
7
1221A
6563536,36
53121~:23A 121634,432111~:12A
1026m 10026.110097.18989,9
83111~:13===??????-=→===??
????-=→=?=??===??
????-=→-R R R n R R R n R R R n λυλυλυ从从从 可以发出以上三条谱线．
题16-14图
16-16 处于基态的氢原子被外来单色光激发后发出巴尔末线系中只有两条谱线，试求这两
条谱线的波长及外来光的频率．
解：巴尔末系是由2>n 的高能级跃迁到2=n 的能级发出的谱线．只有二条谱线说明激发后最高能级是4=n 的激发态．
ο19
8
3424ο
10
198342
32
22324A 487210
6.1)85.04.3(1031063.6A
6573m 10
65731060.1)51.14.3(10331063.6e 4.326.13e 51.136.13e 85.046.13=??-???=-==?=??-????=
-=
∴
-=∴-==
-=-=-=-=-=-=-----E E hc E E hc E E hc E E hc
h V
E V E V E a m
n m
n βλλλλ
υ 基态氢原子吸收一个光子υh 被激发到4=n 的能态 ∴ λ
υhc
E E h =
-=14
Hz 1008.310
626.6106.1)85.06.13(1534
19
14?=???-=-=--h E E υ 16-17 当基态氢原子被12.09eV 的光子激发后，其电子的轨道半径将增加多
少倍?
解： eV 09.12]1
1[6.1321=-
=-n E E n 26
.1309.126.13n
=-
51
.16
.1309.12.1366.132=-=n , 3=n
12r n r n =,92=n ,19r r n =
轨道半径增加到9倍.
16-18德布罗意波的波函数与经典波的波函数的本质区别是什么?
答：德布罗意波是概率波，波函数不表示实在的物理量在空间的波动，其振
幅无实在的物理意义,2
φ仅表示粒子某时刻在空间的概率密度． 16-19 为使电子的德布罗意波长为0.1nm ，需要多大的加速电压? 解： o
o A
1A 25.12==
u
λ 25.12=U
∴ 加速电压 150=U 伏
16-20 具有能量15eV 的光子，被氢原子中处于第一玻尔轨道的电子所吸收，形成一个
光电子．问此光电子远离质子时的速度为多大?它的德布罗意波长是多少? 解：使处于基态的电子电离所需能量为eV 6.13，因此，该电子远离质子时的动能为
eV 4.16.13152
112
=-=+==
E E mv E k φ 它的速度为
31
1910
11.9106.14.122--????==
m E v k
-1
5s m 100.7??= 其德布罗意波长为：
o 9
5
3134A 10.4m 1004.110
0.71011.91063.6=?=????==---mv h λ 16-21 光子与电子的波长都是0.2nm ，它们的动量和总能量各为多少?
解：由德布罗意关系：2
mc E =，λ
h
mv p =
=波长相同它们的动量相等．
1
-2410
34s m kg 103.310
0.21063.6???=??==---λh
p 光子的能量
eV 102.6J 109.9103103.3316824?=?=???===
=--pc hc
h λ
υε
电子的总能量 2202)()(c m cp E +=
,eV 102.63?=cp
而 eV 100.51MeV 51.06
2
0?==c m ∴ cp c m >>2
∴ MeV 51.0)()(202202==+=
c m c m cp E
16-22 已知中子的质量kg 1067.127n -?=m ，当中子的动能等于温度300K 的热平衡中子气体的平均动能时，其德布罗意波长为多少?
解：kg 1067.127n -?=m ,S J 1063.634??=-h ,-123K J 1038.1??=-k
中子的平均动能 m
p KT E k 2232
==
德布罗意波长 o A 456.13===mkT
h p h λ 16-23 一个质量为m 的粒子，约束在长度为L 的一维线段上．试根据测不准
关系估算这个粒
子所具有的最小能量的值．
解：按测不准关系，h p x x ≥??，x x v m p ?=?，则
h v x m x ≥??,x
m h v x ?≥
? 这粒子最小动能应满足
2
22222
min
22)(21)(21mL h x m h x m h m v m E x =?=?≥?= 16-24 从某激发能级向基态跃迁而产生的谱线波长为4000ο
A ，测得谱线宽度为10-4
ο
A ，求该激发能级的平均寿命． 解：光子的能量 λ
υhc
h E =
=
由于激发能级有一定的宽度E ?，造成谱线也有一定宽度λ?，两者之
间的关系为：
λλ?=
?2
hc
E
由测不准关系，h t E ≥???，平均寿命t ?=τ，则
λ
λτ?=?=?=c E h t 2
s 103.510
10103)104000(8
10
48210----?=????= 16-25 一波长为300nm 的光子，假定其波长的测量精度为百万分之一，求该光子位置的测不准量． 解： 光子λ
h
p =
，λλλλ?=
?-
=?2
2
h
h
p
由测不准关系，光子位置的不准确量为
cm 30A 10310
3000o 9
62=?=====-λλ?λλ?λ??p h x
16-26 波函数在空间各点的振幅同时增大D 倍，则粒子在空间分布的概率会发生什么变化?
解：不变．因为波函数是计算粒子t 时刻空间各点出现概率的数学量．概率
是相对值．则21、
点的概率比值为： 2
2
212
2
21φφφφD D =
∴ 概率分布不变．
16-27 有一宽度为a 的一维无限深势阱，用测不准关系估算其中质量为m 的粒子的零点能．
解：位置不确定量为a x =?，由测不准关系：
h p x x ≥???，可得：x h P x ?≥
?,x
h P P x x ?≥?≥ ∴2
2
2222)(22ma h x m h m P E x x =
?≥=，即零点能为222m a h ． 16-28 已知粒子在一维矩形无限深势阱中运动，其波函数为：
a
x
a
x 23cos
1)(πψ=
? )(a x a ≤≤- 那么，粒子在a x 6
5
=
处出现的概率密度为多少? 解： 2
2
*
)23cos
1(
a
x a
πψψψ==
a
a a a a a a
a 21)21(14cos 1)4(cos 145cos 12653cos 122222===+===πππππ
16-29 粒子在一维无限深势阱中运动，其波函数为：
)sin(2)(a
x n a x n πψ=
)0(a x << 若粒子处于1=n 的状态，在0～a 4
1
区间发现粒子的概率是多少? 解：x a
x a x w d sin 2d d 22
πψ== ∴ 在4
~
0a
区间发现粒子的概率为： ???===40
2024
4)(d sin 2d sin 2a a a
x a
a x a a x a x a dw p ππππ
091.0)(]2cos 1[212
4
/0
=-=?
x a
d a x a π
ππ
16-30 宽度为a 的一维无限深势阱中粒子的波函数为x a
n A x π
ψsin )(=，求：(1)归一化系数A ；(2)在2=n 时何处发现粒子的概率最大? 解：(1)归一化系数??
==+∞
∞
-a
x x 0
2
2
1d d ψψ
即
??=a
a x a
n x a n A n a x x a n A 0022
2)(d sin d sin ππππ ?-=
a x a n x a n A n a 02)(d )2cos 1(2πππ 12
222===A a
n A n a ππ ∴ =
A a
2
粒子的波函数 x a n a x πψsin 2)(=
(2)当2=n 时， x a
a πψ2sin 22= 几率密度]4cos 1[12sin 222
2
x a
a x a a w ππψ-==
= 令0d d =x w ，即04sin 4=x a a ππ,即,04sin =x a
π， ,2,1,0,4==k k x a
ππ
∴ 4
a
k x =
又因a x <<0，4 ∴当4a x =和a x 43 =时w 有极大值， 当2 a x =时，0=w ． ∴极大值的地方为4a ，a 4 3 处 16-31 原子内电子的量子态由s l m m l n ,,,四个量子数表征．当l m l n ,,一定时，不同的量子态数目是多少?当l n ,一定时，不同的量子态数目是多少?当n 一定时，不同的量子态数目是多少? 解：(1)2 )2 1(±=s m (2))12(2+l ，每个l 有12+l 个l m ，每个l m 可容纳2 1 ±=s m 的2个量子态． (3)2 2n 16-32求出能够占据一个d 分壳层的最大电子数，并写出这些电子的s l m m ,值． 解：d 分壳层的量子数2=l ，可容纳最大电子数为 10)122(2)12(2=+?=+=l Z l 个，这些电子的： 0=l m ，1±，2±， 2 1± =s m 16-33 试描绘：原子中4=l 时，电子角动量L 在磁场中空间量子化的示意图，并写出L 在磁场 方向分量z L 的各种可能的值． 解： 20)14(4)1(=+= +=l l L 题16-31图 磁场为Z 方向， l Z m L =，0=l m ,1±，2±，3±，4±． ∴ )4,3,2,1,0,1,2,3,4(----=Z L 16-34写出以下各电子态的角动量的大小：(1)s 1态；(2)p 2态；(3)d 3态；(4)f 4态． 解： (1)0=L (2)1=l , 2)11(1=+=L (3)2=l 6)12(2=+= L (4)3=l 12)13(3=+=L 16-35 在元素周期表中为什么n 较小的壳层尚未填满而n 较大的壳层上就开始有电子填入?对 这个问题我国科学工作者总结出怎样的规律?按照这个规律说明s 4态应比d 3态先填入电子． 解：由于原子能级不仅与n 有关，还与l 有关，所以有些情况虽n 较大，但l 较小的壳层能级较低，所以先填入电子．我国科学工作者总结的规律：对于原子的外层电子，能级高低以)7.0(l n +确定，数值大的能级较高． s 4(即0,4==l n )，代入4)07.04()7.0(=?+=+l n )2,3(3==l n d ，代入4.4)27.03(=?+ s 4低于d 3能级，所以先填入s 4壳层． 第15章 量子物理 一 选择题 15-1 下列物体中属于绝对黑体的是[ ] (A) 不辐射可见光的物体 (B) 不辐射任何光线的物体 (C) 不能反射可见光的物体 (D) 不能反射任何光线的物体 解：选(D)。绝对黑体能够100%吸收任何入射光线，因而不能反射任何光线。 15-2 用频率为υ的单色光照射某种金属时，逸出光电子的最大动能为k E ；若改用频率为2υ的单色光照射此金属，则逸出光电子的最大初动能为[ ] (A) k 2E (B) k 2h E υ- (C) k h E υ- (D) k h E υ+ 解：选(D)。由k E h W υ=-，'2k E h W υ=-，得逸出光电子的最大初动能 'k ()k E hv hv W hv E =+-=+。 15-3 某金属产生光电效应的红限波长为0λ，今以波长为λ(0λλ<)的单色光照射该金属，金属释放出的电子(质量为e m )的动量大小为[ ] (A) /h λ (B) 0/h λ (C) (D) 解：选(C)。由2e m 012 hv m v hv =+，2e m 012hc hc m v λλ= +，得m v = ， 因此e m p m v == 。 15-4 根据玻尔氢原子理论，氢原子中的电子在第一和第三轨道上运动速率之比13/v v 是[ ] (A) 1/3 (B) 1/9 (C) 3 (D) 9 解：选(C)。由213.6n E n =-，n 分别代入1和3，得22 1122331329112mv E E mv ===，因 此 1 3 3v v =。 15-5 将处于第一激发态的氢原子电离，需要的最小能量为[ ] (A) 13.6eV (B) 3.4eV (C) 1.5eV (D) 0eV 解：选(B)。由2 13.6 n E n =- ，第一激发态2n =，得2 3.4eV E =-，设氢原子电离需要的能量为2'E ，当2'20E E +>时，氢原子发生电离，得2' 3.4eV E >，因此最小能量为3.4eV 。 15-6 关于不确定关系x x p h ??≥有以下几种理解，其中正确的是[ ] (1) 粒子的动量不可能确定 (2) 粒子的坐标不可能确定 (3) 粒子的动量和坐标不可能同时确定 (4) 不确定关系不仅适用于电子和光子，也适用于其他粒子 (A) (1), (2) (B) (2), (4) (C) (3), (4) (D) (4), (1) 解：选(C)。根据h p x x ≥???可知，(1)、(2)错误，(3)正确；不确定关系适用于微观粒子，包括电子、光子和其他粒子，(4)正确。 二 填空题 15-7 已知某金属的逸出功为W ，用频率为1υ的光照射该金属能产生光电效应，则该金属的红限频率0υ=________，截止电势差c U =________。 解：由0W hv =，得h W v = 0；由21e m 12hv m v W =+，而2 e m c 12m v eU =，所以 1c hv eU W =+，得1c h W U e υ-= 。 第十六章 量子力学基础 16-1试比较概率波与经典物理中的波的不同特性。 答：微观粒子的运动状态称为量子态，是用波函数(),r t ψ来描述的，这个波函数所反映的微观粒子波动性，就是德布罗意波，也称为概率波。它与经典物理中的波有如下区别： （1）描述微观粒子的波函数(),r t ψ并不表示某物理量的波动，它的本身没有直接的物理意义。这与经典物理中的波是不同的。 （2）微观粒子的波函数(),r t ψ的模的平方：()2 ,r t ψ表示在空间某处粒子被发现的概率密度，这种概率在空间的分布，遵从波动的规律，因此称之为概率波。这与经典物理中的波也是不同的。 （3）在经典物理学中，波函数(),r t ψ和(),A r t ψ(A 是常数)代表了能量或强度不同的两种波动状态；而在量子力学中，这两个波函数却描述了同一个量子态，或者说代表了同一个概率波，因为它们所表示的概率分布的相对大小是相同的。也就是说，对于空间任意两点i r 和j r 下面的关系必定成立： ()() ()() 222 2 ,,,,i i j j r t A r t r t A r t ψψ= ψψ 所以，波函数允许包含一个任意的常数因子。这与经典物理中的波也是不同的。 16-2概述概率波波函数的物理意义。 答：概率波波函数的物理意义：微观粒子的波函数(),r t ψ的模的平方：()2 ,r t ψ表示在空间某处粒子被发现的概率密度，这种概率在空间的分布，遵从波动的规律，因此称之为概率波。 波函数具有：（1）单值性、连续性和有限性；（2）波函数满足归一化条件。（3）波函数允许包含一个任意的常数因子（即：(),r t ψ与(),A r t ψ描述同一个量子态）（4）满足态叠加原理，即如果函数 第六部分 量子物理基础 习题： 1.从普朗克公式推导斯特藩玻尔兹曼定律。（提示：15 1 4 3 π = -? ∞ dx e x x ） 解：λλ πλλλd e hc d T M T M T k hc ??∞ -∞-= = 5 20 001 1 2),()( 令 x T k hc =λ，则dx kTx hc d 2 - =λ，所以 44 2 5 4503 4 2 3 40 2 5 2 5 2015 21 2)(11) ( 211 2)(T T c h k dx e x T c h k dx kTx hc e hc kTx hc d e hc T M x x T k hc σπππλ λ πλ=?? =-= --= -= ???∞ ∞ ∞ - 证毕。 2.实验测得太阳辐射波谱中峰值波长nm m 490=λ，试估算太阳的表面温度。 解：由维恩位移定律b T m =λ得到 K b T m 3 9 3 1091.510 49010897.2???= = --＝λ 3.波长为450nm 的单色光射到纯钠的表面上（钠的逸出功A ＝2.29eV ），求： （1）这种光的光子能量和动量； （2）光电子逸出钠表面时的动能。 解：（1） 2.76eV J 10 42.410 45010 310 63.619 9 8 34 ＝＝－－?????= = =-λ hc hv E s m /kg 10 47.110 4501063.6h p 27 9 34????--－＝＝ ＝ λ （2）由爱因斯坦光电效应方程，得光电子的初动能为 eV A hv E k 47.029.276.2=-=-= 4.铝的逸出功是4.2eV ，现用波长nm 200=λ的紫外光照射铝表面。试求： （1）发射的光电子的最大动能； （2）截止电压； （3）铝的红限频率。 解：（1）由光电效应方程得光电子的最大动能为 J 10 2.310 6.12.410 20010 310 63.619 19 9 8 34 －－－－＝???-????= -= -=A hc A hv E k λ （2）截止电压 V 0.210 6.1102.319 190＝－－??== e E V k （3）红限频率 Hz 1001.110 63.6106.12.415 34 19 0?=???= = -－h A v 5.在一次康普顿散射中，传递给电子的最大能量为MeV E 045.0=?，试求入射光子的波长。已知电子的静能量MeV c m E 511.02 00==，m V hc ??=-e 10 4.127 。 解：要使一个电子的反冲能量具有最大值，入射光子必定是反向散射。 设入射光子的能量为E ，散射光子得能量为'E ，电子的初能量为2 0c m ，反冲能量为＋0.045MeV 。由能量守恒定律有 )045.0('2 02 0MeV c m E c m E ++=+ 整理后得MeV E E 045.0'=-. 由动量守恒定律，有 e p c E c E +- =' 考虑到电子能量与动量的相对论关系，有 2 2 02 2 2 0)()()045.0(c m c p MeV c m e +=+ 第15章 量子物理基础 内容提要 １．黑体辐射基本定律和普朗克量子假设 黑体：能完全吸收入射辐射的物体，有最大的发射本领。 黑体辐射的两条实验规律： (1) 斯忒藩一玻尔兹曼定律：4 )(T T M σ= 式中4 2 8 1067.5---???=k m W σ称为斯忒藩一玻尔兹曼常数。 (2) 维思位移定律： b T m =λ 式中k m b ??=-310898.2,称为维恩常数，公式表明峰值波长λm 随温度升高向短波方向移动 (3) 普朗克量子假设 黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波并和周围的电磁场交换能量；谐振子的能量是最小能量νεh =的整数倍。νεh =称为能量子，s J h ??=-34 1063.6称 为普朗克常量。 ２.光电效应的实验规律 实验发现，光电效应表现出四条规律： (1) 入射光的频率一定时，饱和光电流与光强成正比； (2) 光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系，与入射光的强度无关； (3) 光电效应存在一个红限0ν,如果入射光的频率0νν<，便不会产生光电效应 (4) 光电流与光照射几乎是同时发生的，延迟时间在10-9s 以下。 ３．光量子假设与爱因斯坦方程 (1) 爱因斯坦认为：光是由以光速运动的光量子组成，在频率为ν的光波中，光子的能量 νεh = 光子的静质量为零，动量为 λ h p = (2) 入射的光子被电子吸收使电子能量增加νh ，电子把一部分能量用于脱离金属表面时所需要的逸出功，另一部分为逸出电子的初动能。即 A mv h m +=2 2 1ν 4.康普顿效应 康普顿效应的实验规律 (1) 散射线中除了和原波长0λ相同的谱线外，还有一种波长0λλ>。 (2) 波长差0λλλ-=?随散射角θ的增大而增加。其增加量为 2 sin 2200θλλλc m h = -=? (3) 0λλλ-=?与散射物质无关，但散射光中原波长0λ的强度随散射物的原子序数 增加而增大，而λ的光强则相对减小。 利用光量子理论对康普顿效应能给予很好的解释。康普顿效应进一步证实了光的量子性。 ４.光的波粒二象性 光既具有波动性又具有粒子性。光的波动性可以用波长λ和频率ν描述，光的粒子性可以光子的质量、能量和动量描述，其关系可以表示为： 光子能量νεh = 光子动量 λ h P = 光子质量 2 c h m ν = 光子的静质量为零。 ５．玻尔的氢原子理论 (1) 氢原子光谱的实验规律 实验发现，氢原子光谱系的波数可以写成 )1 1( 1 ~22n m R -==λ ν 简答题 1．什么是光电效应？光电效应有什么规律？爱因斯坦是如何解释光电效应的？ 答：光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。或光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。 光电效应规律如下： 1．每一种金属在产生光电效应时都存在一极限频率（或称截止频率），即照射光的频率不能低于某一临界值。当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使电子逸出。 2．光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。 3．光电效应的瞬时性。实验发现，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的。 4.入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的光电子数目。 爱因斯坦认为：(1)电磁波能量被集中在光子身上，而不是象波那样散布在空间中，所以电子可以集中地、一次性地吸收光子能量，所以对应弛豫时间应很短，是瞬间完 成的。(2)所有同频率光子具有相同能量，光强则对应于光子的数目，光强越大，光子数目越多，所以遏止电压与光强无关，饱和电流与光强成正比。(3)光子能量与其频率成正比，频率越高，对应光子能量越大，所以光电效应也容易发生，光子能量小于逸出功时，则无法激发光电子。逸出电子的动能、光子能量和逸出功之间的关系可以表示成： 22 1 mv A h + =ν这就是爱因斯坦光电效应方程。其中，h 是普朗克常数；f 是入射光子的频率。 2．写出德布罗意假设和德布罗意公式。 德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性。 德布罗意公式：νωh E == λ h k P = = 3．简述波函数的统计解释，为什么说波函数可以完全描述微观体系的状态。几率波满足的条件。 波函数在空间中某一点的强度和在该点找到粒子的几率成正比。因为它能根据现在的状态预知未来的状态。波函数满足归一化条件。 4．以微观粒子的双缝干涉实验为例，说明态的叠加原理。 答：设1ψ和2ψ是分别打开左边和右边狭缝时的波函数，当两个缝同时打开时，实验说明到达屏上粒子的波函数由1ψ和2ψ的线性叠加2211ψψψc c +=来表示，可见态的叠加不是 第二十二章量子力学基础知识 1924年德布罗意提出物质波概念。1926年薛定谔给出物质波的波函数基本动力学方程----------薛定谔方程， 玻恩对波函数统计解释。1927年海森堡提出著名的不确定关系。 海森堡、狄拉克、薛定谔各建立矩阵力学、新力学和波动力学， 形成了完整的量子力学理论。 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 教学要求： * 了解实物粒子的波动性及实验,理解物质波的统计意义； * 能用德布罗意关系式计算粒子的德布罗意波长； * 了解波函数统计意义及其标准化条件和归一化条件， 会简单计算粒子的概率密度及归一化常数； * 理解不确定关系并作简单的计算； * 了解薛定谔方程及一维定态薛定谔方程 * 了解一维无限深势阱中粒子的波函数求解步骤， 学会用波函数求概率密度和发现粒子的概率。 教学内容： §22-1波粒二象性 §22-2 波函数 §22-3 不确定关系 §22-4 薛定谔方程（简略，一维定态薛定谔方程） §22-5 一维无限深势阱中的粒子 §22-6 势垒隧道效应 * §22-7 谐振子 * 教学重点： 实物粒子的波粒二象性及其统计意 义； 概率密度和发现粒子的概率计算； 实物粒子波的统计意义—概率波; 波函数的物理意义及不确定关系。 作业 22-01)、22-03)、22-05)、22-07)、 22-09)、22-11)、22-13)、22-15)、 22-17)、22-18)、----------------------------------------------------------------------- §22-1 波粒二象性 1924年，法国德布罗意在博士论文中提出:“整个世纪以来，在辐射理论方面，比起波动的研究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法；那么在实物理论上，是否发生了相反的错误，把粒子的图象想象得太多， 而过于忽略了波的图象？”德布罗意根据光与实物 () 一. 选择题 [ C]1.（基础训练2）下面四个图中，哪一个 正确反映黑体单色辐出度 M Bλ (T)随λ 和T的变化关 系，已知T2 > T1． 解题要点: 斯特藩-玻耳兹曼定律：黑体的辐 射出射度M0(T)与黑体温度T的四次方成正比，即 . M0 (T)随温度的增高而迅速增加 维恩位移律：随着黑体温度的升高，其单色辐出度最大值所对应的波长 m λ向短波方向移动。 [ D]2.（基础训练4）用频率为ν 的单色光照射某种金属时，逸出光电子的最大动能 为E K；若改用频率为2ν 的单色光照射此种金属时，则逸出光电子的最大动能为： (A) 2 E K．(B) 2hν - E K．(C) hν - E K．(D) hν + E K． 解题要点: 根据爱因斯坦光电效应方程：2 1 2m h mv A ν=+， 式中hν为入射光光子能量， A为金属逸出功，2 1 2m mv为逸出光电子的最大初动能，即 E K。所以有：0 k h E A ν=+及' 2 K h E A ν=+，两式相减即可得出答案。 [ C]3.（基础训练5）要使处于基态的氢原子受激发后能发射赖曼系(由激发态跃迁 到基态发射的各谱线组成的谱线系)的最长波长的谱线，至少应向基态氢原子提供的能量是 (A) 1.5 eV．(B) 3.4 eV．(C) 10.2 eV．(D) 13.6 eV． 解题要点: 根据氢原子光谱的实验规律，莱曼系： 2 11 (1 R n ν λ ==- 式中，71 1.09677610 R m- =?，称为里德堡常数，2,3, n= 最长波长的谱线，相应于2 n=，至少应向基态氢原子提供的能量1 2E E h- = ν， 又因为 2 6. 13 n eV E n - =，所以l h E E h- = ν=?? ? ? ? ? - - - 2 21 6. 13 2 6. 13eV eV =10.2 eV [ A]4.（基础训练8）设粒子运动的波函数图线 分别如图19-4(A)、(B)、(C)、(D)所示，那么其中确定粒 子动量的精确度最高的波函数是哪个图？ 解题要点: 根据动量的不确定关系： 2 x x p ???≥ (B) x (A) x (B) x (C) x (D) 第十六章 从经典物理到量子物理 一、基本要求 1. 了解描述热辐射的几个物理量及绝对黑体辐射的两条实验规律。 2. 理解普朗克的“能量子”假设的内容，了解普朗克公式。 3. 理解光电效应和康普顿效应的实验规律，以及爱因斯坦的光子理论对 这两个效应的解释。 4. 理解爱因斯坦光电效应方程；红限概念和康普顿散射公式。 5. 理解光的波粒二象性以及光子的能量，质量和动量的计算。 6. 掌握氢原子光谱的实验规律，理解玻尔氢原子理论的三条基本假设的内容；并由三条假设出发，推导出氢原子的光谱规律。 二、基本内容 1. 黑体辐射 （1）绝对黑体 在任何温度下都能全部吸收照射在其上的任何波长的电磁波的物体，称为绝对黑体。绝对黑体是一种理想模型，其在任何温度下对任何波长入射辐射能的吸收比均为1。 （2）黑体辐射的实验规律 斯特藩-玻尔兹曼定律 40)(T T M σ= 式中)(0T M 为绝对黑体在一定温度下的辐射出射度，σ=5.67×10-8W ·m -2·K -1为斯特藩常量。 维恩位移定律 b T m =λ 式中m λ为相应于)(0T M λ曲线极大值的波长，31089.2-?=b m ·K （3）普朗克的能量子假说 辐射黑体是由原子分子组成的。这些原子和分子的振动可看作线性谐振子，这些谐振子的能量只能是某一最小能量ε的整数倍，即ε，2ε，3ε...，n ε， 物体发射或吸收的能量必须是这个最小单元的整数倍。ε称为能量子，n 为正整数，叫量子数。在黑体辐射理论中，能量子ε=hv ，其中h 是普朗克常量，v 是特定波长的辐射所对应的频率。 （4）普朗克黑体辐射公式 )(0T M λ= 1 1 25 2 -?T k hc e hc λλ π 式中h 为普朗克常量，k 为玻尔兹曼常量，c 为真空中光速。由此公式可推导出斯特藩-玻尔兹曼定律和维恩位移定律，而且在低频和高频情况下可分别化为瑞利-金斯公式和维恩公式。 2. 光电效应 金属及其化合物在电磁辐射下发射电子的现象称为光电效应。 （1）光电效应的实验规律 ① 单位时间内逸出金属表面的光电子数与入射光强成正比。 ② 光电子的最大初动能随入射光的频率上升而线性增大，与入射光强无关。 ③ 如果入射光的频率低于该金属的红限，则无论入射光的光强多大，都不会使这种金属产生光电效应。 ④ 光电效应是瞬时的。只要入射光的频率大于该金属的红限，当光照射到这种金属表面时，几乎立即产生光电子，而与入射光强无关。 对光电效应经典理论遇到困难，主要表现在三个方面：①光电子最大初动 能问题；②光电效应的红限问题；③发生光电效应的时间问题。 （2）爱因斯坦的光子理论 爱因斯坦认为光束是以光速c 运动的粒子流 ，其中每一个粒子携带的能量为hv ，这些粒子称为光量子。光子具有波粒二象性。 光子的能量 hv ε= 光子的动量 λ h p = 其中ε，p 表示光子的粒子性；v ，λ表示光子的波动性。 光子的质量 2 2hv h m c c c ε λ = = = 光子的静止质量 00m = 习题十七 17－1 计算电子经过V U 1001=和V U 100002=的电压加速后，它的德布罗意波长1λ和2λ分别是多少？ 分析 本题考察的是德布罗意物质波的波长与该运动粒子的运动速度之间的关系。 解：电子经电压U 加速后，其动能为eU E k =，因此电子的速度为： m 2e v U = 根据德布罗意物质波关系式，电子波的波长为： )(23 .12nm U emU h m h ==v ＝λ 若V U 1001=，则12301.＝λnm ；若V U 100002=，则012302.＝λnm 。 17－2 子弹质量m =40 g, 速率m/s 100=v ,试问: (1) 与子弹相联系的物质波波长等于多少? (2) 为什么子弹的物质波性不能通过衍射效应显示出来? 分析 本题考察德布罗意波长的计算。 解：(1)子弹的动量 )s /m kg (410010403?=??==-v m p 与子弹相联系的德布罗意波长 )m (1066.14 1063.63434 --?=?==p h λ (2) 由于子弹的物质波波长的数量级为m 10 34-, 比原子核的大小(约m 1014-)还小得多, 因此不能通过衍射效应显示出来. 17－3 电子和光子各具有波长0.2nm ，它们的动量和总能量各是多少？ 分析 本题考察的是德布罗意物质波的波长公式。 解：由于电子和光子具有相同的波长，所以它们的动量相同，即为： )/(1032.3102.01063.624934 s m kg h p ??=??==---λ 电子的总能量为： )(1030.81420J hc c m E e -?=+=λ 而光子的总能量为： 第十七章 量子物理基础 17–1 用辐射高温计测得炉壁小孔的辐射出射度为22.8W/cm 2，则炉内的温度为 。 解：将炉壁小孔看成黑体，由斯特藩—玻耳兹曼定律()4T T M B σ=得炉内的温度为 34 8 44 10416.11067.5108.22) (?=??==-σ T M T B K 17–2 人体的温度以36.5?C 计算，如把人体看作黑体，人体辐射峰值所对应的波长为 。 解：由维恩位移定律b T =m λ得人体辐射峰值所对应的波长为 33m 10363.95.30910898.2?=?== -T b λnm 17–3 已知某金属的逸出功为A ，用频率为1ν的光照射该金属刚能产生光电效应，则该金属的红限频率0ν= ，遏止电势差U c = 。 解：由爱因斯坦光电效应方程W m h += 2 m 2 1v ν，A W =，当频率为1ν刚能产生光电效应，则02 12 m =v m 。故红限频率 h A /0=ν 遏止电势差为 ()01011ννννν-=-=-= e h e h e h e W e h U c 17–4 氢原子由定态l 跃迁到定态k 可发射一个光子，已知定态l 的电离能为0.85eV ，又已知从基态使氢原子激发到定态k 所需能量为10.2eV ，则在上述跃迁中氢原子所发射的光子的能量为 eV 。 解：氢原子的基态能量为6.130-=E eV ，而从基态使氢原子激发到定态k 所需能量为 E ?=10.2eV ，故定态k 的能量为 eV 4.32.106.130-=+-=?+=E E E k 又已知eV 85.0-=l E ，所以从定态l 跃迁到定态k 所发射的光子的能量为 eV 55.2=-=k l E E E 17–5 一个黑体在温度为T 1时辐射出射度为10mW/cm 2，同一黑体，当它的温度变为2T1时，其辐射出射度为[ ]。 A ．10mW/cm 2 B ．20mW/cm 2 C ．40mW/cm 2 D ．80mW/cm 2 E ．160mW/cm 2 解：由斯特藩—玻耳兹曼定律，黑体的总辐射能力和它的绝对温度的四次方成正比，即 ()4T T M B σ= 故应选（E ）。 第二章 量子物理学基础 思 考 题 2.1 什么是光的波粒二象性？ 2.2 有人认为微观客体的波动性表示粒子运动的轨迹是一条正弦或余弦的曲线，这种看法对吗？ 2.3 对于运动着的宏观实物粒子，德布罗意关系式也适用，为什么我们不考虑它们的波动性？ 2.4 有哪些实验证实了微观粒子的波动性？ 2.5 德布罗意波和经典波有何区别？ 2.6 汤姆孙原子模型有什么缺点？ 2.9 从经典物理看来，卢瑟福原子的核式模型遇到些什么困难？ 2.8 在玻尔的氢原子理论中，势能为负值，而且在数值上比动能大，这个结果有什么含义？ 2.9 试根据玻尔的氢原子能级公式，说明当量子数n 增大时，能级怎么变化．能级间的距离怎样变化? 2.10 若氢原于和氦离子都是从4=n 的轨道跃迁到2=n 的轨道，问两个原子发出的光的波长是否相同? 2.11 对应原理的内容是什么? 2.12 试从原子核运动引起的修正这一角度解释里德伯常数的理论值与实验值的区别。 2.13 弗兰克—赫兹实验证明了什么? 1.14 为什么说玻尔理论是半经典半量子的混合?它有什么局限性? 2.15 为什么说波函数是描述粒子的统计行为的一个物理量? 2.16 若) (t z y x ，，，ψ表示波函数，则dxdydz t z y x 2)(，，，ψ和1)(2=???dxdydz t z y x ，，，ψ各表示什么物理意义? 2.17 波函数的标准条件是什么? 2.18 波函数为什么要归一化? 2.19 薛定谔方程在量子力学中的地位怎样?试写出定态薛定谔方程． 2.20 什么是隧道效应? 2.21 描写氢原子中电子的状态需要几个量子数? 习 题 2.1 试求出质量为0.01kg 、速度为s m 10的一个小球的德布罗意波长． 2.2 一个质子从静止开始，通过lkV 的电压受到加速，试求它的德布罗意波长．(质子的质量为 kg 1067.127-?) 2.3 电子和光子的波长都是 A 2，它们的动量和总能量都相等否? 2.4 设卢瑟福散射用的α粒子动能为eV 1068.76?，散射物质是原子序数79=Z 的金箔．试求散射角尹 150=φ所对应的瞄准距离b 多大? 2.5 试计算氢原子帕邢系第二条谱线的波长． 2.6 已知氢原子莱曼系的最长波长是 A 1216，里德伯常量是多少? 2.7 用巴耳末公式计算巴耳末系中三条最长的波长． 2.8 将氢原子从1=n 激发到4=n 的能级． (1)计算氢原子所吸收的能量； (2)当它从4=n 的能级向低能级跃迁时，可能发出哪些波长的光子(17m 10097.1-?取R )?画出能级跃迁图． 第十五章 量子物理 班号 学号 姓名 日期 一、选择题 1．按照爱因斯坦光子理论，下列说法正确的是 (A) 光的强度越大，光子的能量就越大； (B) 光的波长越大，光子的能量就越大； (C) 光的频率越大，光子的能量就越大； (D) 光波的振幅越大，光子的能量就越大。 ( ) 2．钾金属表面被蓝光照射时，有光电子逸出，若增强蓝光的强度，则 (A) 单位时间内逸出的光电子数增加； (B) 逸出的光电子初动能增大； (C) 光电效应的红限频率增大； (D) 发射光电子所需的时间增长。 ( ) 3．要使处于基态的氢原子受激发后能发射赖曼系的最长波长的谱线，至少应向基态氢原子提供的能量是 (A) 1.5eV ； (B) 3.4eV ； (C) 10.2eV ； (D) 13.6eV 。 ( ) 4．一初速为150s m 106-??=v 的电子进入电场强度为1C N 400-?=E 的均匀电场，朝着 阳极方向加速行进。则电子在电场中经历位移为cm 20=s 时的德布罗意波长为 (A) 12nm ； (B) 0.14nm ； (C)340nm ； (D) 4200nm 。 ( ) 5．关于不确定关系2 ≥??p x 有以下几种理解： （1）粒子的动量不可能确定； （2）粒子的坐标不可能确定； （3）粒子的动量和坐标不可能同时确定； （4）不确定关系不仅适用于电子和光子，也适用于其它粒子。 (A) （1）、（2）； (B) （2）、（4）； (C) （3）、（4）； (D) （4）、（1）。 ( ) 6．如图所示，一频率为ν的入射光子与初始静止的电子（其静止质量为m ）发生散射。如果散射光子的频率为'ν，反冲电子的动量为p ，则在与入射光平行的方向上动量守恒定律的分量形式为 (A) p h h +='νν； (B) 422'c m p h h ++=νν； (C) φθννcos cos 'p h h +=； (D) p c h c h +='νν； (E) φθννcos cos 'p c h c h += 。 ( ) 选择题6图 §15.5 量子力学的基本概念和基本原理 描述微观粒子运动的系统理论是量子力学,它是薛定谔、海森伯等人在 1925～1926年期间初步建立起来的.本节介绍量子力学的基本概念和基本方程. 一、波函数极其统计解释 在经典力学中我们已经知道,一个被看作为质点的宏观物体的运动状态,是用 它的位置矢量和动量来描述的.但是,对于微观粒子,由于它具有波动性,根据不确 定关系,其位置和动量是不同时具有确定值的,所以我们就不可能仍然用位置、动 量及轨道这样一些经典概念来描述它的运动状态.微观粒子的运动状态称为量子 态,是用波函数来描述的,这个波函数所反映的微观粒子的波动性,就是德布罗意 波.这是量子力学的一个基本假设. 例如一个沿X 轴正方向运动的不受外力作用的自由粒子,由于能量E 和动量p 都是恒量,由德布罗意关系式可知,其物质波的频率ν和波长λ也都不随时间变化,因此自由粒子的德布罗意波是一个单色平面波. 对机械波和电磁波来说,一个单色平面波的波函数可用复数形式表示为 )(2）x/λνt πi Ae t y(x,--= 但实质是其实部.类似地,在量子力学中,自由粒子的德布罗意波的波函数可表示 为 η)/(0）(Px Et i e t x,--ψ=ψ 式中0ψ是一个待定常数, η/0iPx e ψ相当于x 处波函数的复振幅,而ηiEt/e -则反映波函 数随时间的变化. 对于在各种外力场中运动的粒子,它们的波函数要随着外场的变化而变化.力 场中粒子的波函数可通过下面要讲的薛定谔方程来求解. 经典力学中的波函数总代表某一个物理量在空间的波动,然而量子力学中的 波函数又代表着什么呢？对此,历史上提出了各种不同的看法,但都未能完善的解 释微观粒子的波—粒二象性,直到1926年玻恩(M.Born,1882—1970)提出波函数的 统计解释才完善的解释了微观粒子的波—粒二象性.玻恩认为：实物粒子的德布 罗意波是一种几率波；t 时刻,粒子在空间 r 附近的体积元dV 中出现的几率dW 与该处波函数的模方成正比,即 V t r,Ψt r,ΨV t r,ΨW *d d d 2 )()()(== (15.35) 由式(15.35)可知,波函数的模方2)(t r,Ψ代表t 时刻粒子在空间r 处的单位体积中 出现的几率,称为几率密度.这就是波函数的物理意义,波函数本身没有直接的物 量子物理习题解答文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208] 量子物理习题解答 习题17—1 用频率为1ν的单色光照射某一金属时，测得光电子的最大初动能为E k 1；用频率为2ν的单色光照射另一种金属时，测得光电子的最大初动能为E k 2。那么［ ］ (A) 1ν一定大于2ν。 (B) 1ν一定小于2ν。 (C) 1ν一定等于2ν。 (D) 1ν可能大于也可能小于2ν。 解：根据光电效应方程，光电子的最大初动能为 由此式可以看出，E k 不仅与入射光的频率ν有关，而且与金属的逸出功A 有关，因此我们无法判断题给的两种情况下光电子的最大初动能谁大谁小，从而也就无法判断两种情况下入射光的频率的大小关系，所以应该选择答案(D)。 习题17—2 根据玻尔的理论，氢原子中电子在n =5的轨道上的角动量与在第一激发态的角动量之比为［ ］ (A) 5/2。 (B) 5/3。 (C) 5/4。 (D) 5。 解：根据玻尔的理论，氢原子中电子的轨道上角动量满足 n L = n =1，2，3…… 所以L 与量子数n 成正比。又因为“第一激发态”相应的量子数为n =2，因此应该选择答案(A)。 习题17—3 根据玻尔的理论，巴耳末线系中谱线最小波长与最大波长之比为［ ］ (A) 5/9。 (B) 4/9。 (C) 7/9。 (D) 2/9。 解：由巴耳末系的里德佰公式 ??? ??-==22 12 11~n R H λν n =3，4，5，…… 可知对应于最大波长m ax λ，n =3；对应于最小波长min λ，n =∞。因此有 H H R R 536312111 22max =?? ? ??-=-λ； H H R R 4 2111 2min = ?? ? ??=-λ 所以 最后我们选择答案(A)。 习题17—4 根据玻尔的理论，氢原子中电子在n =4的轨道上运动的动能与在 基态的轨道上运动的动能之比为［ ］ (A) 1/4。 (B) 1/8。 (C) 1/16。 (D) 1/32。 126 第15章 量子物理基础 15-1 太阳可看作是半径为m 100.78?的球形黑体，试计算太阳表面的温度。太阳光直射到地球表面上单位面积的的辐射功率为321.510W/m ?，地球与太阳的距离为111.510m d =?。 解 已知32 0 1.510W/m P =?，8s 7.010m R =?，m 105.111?=d 。太阳辐射的总功率2s 4πE R ?，假设 辐射没有能量损失，则分布在2 4πd 的球面上， 有 22s 04π4πE R p d ?=? 运用斯特藩—玻耳兹曼定律4E T σ=，得 113 1/21/41/21/43088 1.510 1.510()()()() 5.910(K)7.010 5.6710s p d T R σ-??===??? 15-2 已知地球到太阳的距离81.510km d =?，太阳的直径为61.410km D =?，太阳表面的温度为 5900K T =，若将太阳看作绝对黑体，求地球表面受阳光垂直照射时，每平方米的面积上每秒钟得到的辐 射能为多少？ 解 根据斯特藩—玻耳兹曼定律4E T σ=和能量守恒方程220π4πE D p d =，得 ()942428 232011 11 1.410()() 5.67105900W/m 1.510W/m 441.510 D p T d σ-?==???=?? 15-3 在加热黑体的过程中，其单色辐出度的最大值所对应的波长由0.69μm 变化到0.50μm ，其总辐射出射度增加了几倍？ 解 由维恩位移定律m T b λ =和斯特藩—玻耳兹曼定律4T E σ=得 444 22m111m20.69()()() 3.630.50 E T E T λλ====（倍） ，即增加了2.63倍. 15-4 从铝中移出一个电子需要4.2eV 的能量，今有波长为2000 ?的光投射到铝表面，求(1)从铝表面发射出来的光电子的最大初动能是多少？(2)遏止电势差为多大？(3)铝的红限频率为多大？ 解 （1）由 2 m 12 h m W νυ= +得 34821919m 10 1 6.62610310 4. 2 1.60210J 3.2110J 2200010hc m h W W υνλ----?????=-=-=-??=?????? （2） 2 m 12a eU m υ= 2 m 12 2.0V a m U e υ== （3）由 0W h ν= 19150344.2 1.60210Hz 1.0210Hz 6.62610 W h ν--??===?? 15-5 用波长为4000 ?的紫光照射金属，产生光电子的最大初速度为5 510m/s ?，则光电子的最大初动能是多少？该金属红限频率为多少？ 解 光电子的最大初动能为 ()2315219m m 11 9.1110(510) 1.1410J 22 k E m υ--= =????=? 习题十六 量子物理基础 （1,2,3小题参考课本后答案） 16-3 将星球看做绝对黑体，利用维恩位移定律测量m λ便可求得T ．这是测量星球表面温度的方法之一．设测得：太阳的m 55.0m μλ=，北极星的 m 35.0m μλ=，天狼星的m 29.0m μλ=，试求这些星球的表面温度． 解：将这些星球看成绝对黑体，则按维恩位移定律： K m 10897.2,3??==-b b T m λ 对太阳： K 103.51055.010897.236 311 ?=??== --m b T λ 对北极星：K 103.81035.010897.236 322 ?=??== --m b T λ 对天狼星：K 100.110 29.010897.246 333 ?=??== --m b T λ 16-4 用辐射高温计测得炉壁小孔的辐射出射度(总辐射本领)为22.8W ·cm -2，求炉内温度． 解：炉壁小孔视为绝对黑体，其辐出度 242 m W 108.22cm W 8.22)(--??=?=T M B 按斯特藩-玻尔兹曼定律： =)(T M B 4T σ 41 8 44 )10 67.5108.22() (-??==σ T M T B K 1042.110)67 .58.22( 334 1?=?= 16-5 从铝中移出一个电子需要4.2 eV 的能量，今有波长为2000ο A 的光投射到铝表面．试问：(1)由此发射出来的光电子的最大动能是多少?(2)遏止电 势差为多大?(3)铝的截止(红限)波长有多大? 解：(1)已知逸出功eV 2.4=A 据光电效应公式2 21m mv hv =A + 则光电子最大动能： A hc A h mv E m -=-== λ υ2max k 21 eV 0.2J 1023.310 6.12.41020001031063.61919 10 834=?=??-????=---- m 2 max k 2 1)2(mv E eU a = =Θ ∴遏止电势差 V 0.2106.11023.319 19 =??= --a U (3)红限频率0υ,∴0 00,λυυc A h = =又 ∴截止波长 19 8 3401060.12.41031063.6--?????==A hc λ m 0.296m 10 96.27 μ=?=- 16-6 在一定条件下，人眼视网膜能够对5个蓝绿光光子(m 105.0-7 ?=λ)产生光的感觉．此时视网膜上接收到光的能量为多少?如果每秒钟都能吸收5个 这样的光子，则到 达眼睛的功率为多大? 解：5个兰绿光子的能量 J 1099.110 0.51031063.65187 8 34---?=?????===λ υhc n nh E 第十九章 量子物理基础 19-1 某黑体在加热过程中，其单色辐出度的峰值波长由0.69 μm 变化到0.50 μm ，问其辐射出射度增加为多少倍？ （答案：3.63） 19-2 恒星表面可看作黑体．测得北极星辐射波谱的峰值波长λm =350nm(1nm=10-9m)，试估算它的表面温度及单位面积的辐射功率． （b = 2.897×10-3 m ·K ， σ = 5.67×10-8 W/(m 2·K 4)） （答案：8280 K ，2.67×108 W/m 2） 19-3 一黑体在某一温度时的辐射出射度为 5.7×104 W/m 2，试求该温度下辐射波谱的峰值波长λm ． （b = 2.897×10-3 m ·K, σ = 5.67×10-8 W/(m 2·K 4)） （答案：2.89×10-6 m ） 19-4 已知垂直射到地球表面每单位面积的日光功率（称太阳常数）等于 1.37×103 W/m 2． (1) 求太阳辐射的总功率． (2) 把太阳看作黑体，试计算太阳表面的温度． （地球与太阳的平均距离为1.5×108 km ，太阳的半径为6.76×105 km ，σ = 5.67×10-8 W/(m 2·K 4)） （答案：3.87×1026 W ；5872 K K ） 19-5 用辐射高温计测得炼钢炉口的辐射出射度为22.8 W ·cm -2，试求炉内温度． （斯特藩常量σ = 5.67×10-8 W/(m 2·K 4) ） （答案：1.42×103 K ） 19-6 波长为λ的单色光照射某金属M 表面发生光电效应，发射的光电子(电荷绝对值为e ，质量为m )经狭缝S 后垂直进入磁感应强度为B 的均匀磁场(如图示)，今已测出电子在该磁场中作圆运动的最大半径为R ．求 (1) 金属材料的逸出功A ； (2) 遏止电势差U a ． （答案：m B e R hc 2222-λ； m eB R U a 22 2=） 19-7 用单色光照射某一金属产生光电效应，如果入射光的波长从λ1 = 400 nm 减到λ2 = 360 nm (1 nm = 10-9 m)，遏止电压改变多少？数值加大还是减小？ (普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s ，基本电荷e =1.60×10-19 C) （答案：0.345V ，数值加大） 19-8 以波长λ = 410 nm (1 nm = 10-9 m)的单色光照射某一金属，产生的光电子的最大动能E K = 1.0 eV ，求能使该金属产生光电效应的单色光的最大波长是多少？ (普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s) （答案：612 nm ） 19-9 红限波长为λ0 =0.15 ?的金属箔片置于B =30×10-4 T 的均匀磁场中．今用单色γ 射 线照射而释放出电子，且电子在垂直于磁场的平面内作R = 0.1 m 的圆周运动．求γ 射线的波 长．(普朗克常量h =6.63×10-34 J ·s ，基本电荷e =1.60×10-19 C, 电子质量m e =9.11×10-31 kg) B × × × × × 第十六章 量子力学 基本要求 1、了解波函数及其统计解释。了解一维定态的薛定格方程。 2、了解如何用驻波观点说明能量量子化。了解角动量量子化及空间量子化。了解施特恩-----格拉赫实验及微观粒子的自旋。 3、了解描述原子中运动状态的四个量子数。了解炮利不相容原理和原子的电子壳层结构。 §16－1 波函数 一． 波函数 1． 自由粒子的波函数 平面简谐波的波动方程 )x t (cos A y λ νπ- =2 指数形式： ) x t (i Ae y λ νπ--=2 由此方程知：频率ν，波长λ，沿x 正方向传播 设想：动量一定的自由粒子，沿x 正向传播，有波动性, 则： h E = ν，P h =λ 若 )t ,x ()t ,x (y ψ?→?；0ψ?→?A 则： ) Px Et (i e )t ,x (--= ψψ 式中，)t ,x (ψ：自由粒子的波函数 0ψ：波函数的振幅 三维运动： )r P Et (i e )t ,r ( ?--=0ψψ 2． 波函数的物理意义 波函数的统计解释：波函数模的平方2 ) ,(t r ψ与粒子在t 时刻r 处出现的概率密度 ),(t r w 成正比。 =),(t r w 2 ) ,(t r ψ 物质波(德布罗意波)?→?概率波 3． 概率密度（几率密度）ρ 某点处单位体积元内粒子出现的概率； dV dW 2 ψ=，dxdydz dV = 2 ψρ== dV dW 4． 波函数的性质（标准条件） ① 单值性：某时某处概率唯一； ② 有限性：1大学物理学下册第15章
第十六章 量子力学基础
第六部分量子物理基础习题
第15章量子物理指导
量子力学所有简答题答案
第22章量子力学基础教案
作业10量子力学基础( I ) 作业及参考答案
大学物理 上册(第五版)重点总结归纳及试题详解第十六章 从经典物理到量子物理
第十七章量子力学简介解答和分析
第十七章 量子物理基础习题解
第二章 量子物理学基础
第十五章量子物理
大学物理讲义(第15章量子力学基础)第五节
量子物理习题解答
第15章 量子物理基础习题解答
第十六章 量子物理基础
Ch量子物理基础
第十六章量子力学
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