【大学课件】自然科学导论6第六讲-量子论共56页

4、物理化学 物理化学——是应用物理学的原理 和方法，从理论(lǐlùn)上研究物质的 结构与性能、化学反应的机理和控 制条件、化学反应的可能性和速度 等问题的基础学科。
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5、化学键理论的建立(jiànlì) 化学键——是指分子或晶体中两个或多
个原子（离子）之间的强烈的相互作 用。 键能——是指在原子之间形成化学键时 所放出的能量，或化学键断裂时所吸 收的能量，用“ev”或“kj*mol-1”表示。 化学键的基本类型——离子键（电价 键）、共价键和金属键。
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C：拉瓦锡对化学的重大贡献 发现了化学中的质量守恒定律。 揭示了燃烧的本质，建立了科学的燃烧理
论——氧化学说。 真正发现了氧元素。 完成了《化学纲要》一书，并对当时
(dàngshí)所知的化学现象提出了解释。 进一步明确了元素的定义，列出了元素表。 建立了化学元素和化合物的命名方法。
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B：分子论—意大利化学家阿佛加德罗 原子是物质参加化学变化时的最小单位，分子才是
物质游离存在时的基本单位。 同种元素的原子组成单质的分子，不同元素的原子
组成化合物质分子。 一切气体在相同的条件(tiáojiàn)下，在相同体积内含
有数目相同的分子。 每种单质气态分子一般有2个或成双的原子。
二、化学的发展概况 1、古代化学 A：人国古代在陶瓷(táocí)（硅酸盐）、
冶炼、染色、制盐、酿酒、造纸、火 药等化学工艺。 B：古代埃及和巴比伦：金属冶炼和使 用。
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2、近代化学 A：原子—分子论的提出。 B：元素周期律的发现。 C：化学价和化学结构理论的建立

开尔文
第一朵乌云---迈克耳逊-莫雷实 验
• 迈克耳孙-莫雷实验是对于以 太风的测定。当时人们认为 光是靠一种叫做以太的介质 传播，而且如果地球绕着太 阳转动，就会产生相对应的 速度的以太风，所以会影响 光的传播。这个实验模拟了 这个过程。实验的结果是光 的传播并不受到影响，进而 以太风就不应该存在。但当 时的人们是实验出错了，而 非以太不存在。和量子力学 貌似没有什么关系。这个实 验验证了光速不变定理，也 和我们有点关系，故而简略 说明一下。
c2 (eh / kT 1)
普朗克的量子假设突破了经典物理学的观念，第一次 提出了微观粒子具有分立的能量值,既微观粒子的能量 是量子化的。
光电效应 光量子学说
1.光电效应
当光线照射金属表面时，金属中有电子 逸出的现象，称为光电效应。逸出的电 子称为光电子。
光电效应实验
光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸 出----光电子。
2.爱因斯坦光电效应方程
在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电 子逸出功A，另一部分变为光电子的动能 Ek0 。
h
1 2
mvm 2
A
式中：A为电子逸出金属表面所需作的功，称为逸出功； 为
当 K、A 间加反向电压，光电子克服电 场力作功，当电压达到某一值UC时，光 电流恰为零。 UC称反向遏止电压。
E k max
1 2
mv
2
e
|UC
|
截止电压的大小反映光电子初动能的大小。
2.爱因斯坦的光量子假设
1.内容
光不仅在发射和吸收时以能量为h 的微粒形式出现，而且在空间传播 时也是如此。也就是说，频率为 的光是由大量能量为 =h 光子 组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。

1、美国“2061计划”
里根总统时期推出的《美国2061计划》 它是由美国促进科学协会制定的，全称为《普及 科学──美国2061计划》。其主旨是普遍提高美 国基础教育阶段的数学、科学、技术等核心课程 的教育质量。其期限是从1985年至2061年。
我国的2049计划
中国科协于1999年提出了一项为期50年的 国民科学素质行动计划——《全民科学素质 行动计划》，即“2049计划”。目标是到 2049年使18岁以上全体公民达到一定的科 学素质标准，使全体公民了解必要的科学知 识，并学会用科学态度和科学方法判断及处 理各种事务。
3、了解科学研究的类型
4、了解公众科学素养的内涵
本课主要教学内容
一、科学、技术的概念及二者关系
二、科学研究的类型
三、关于公众科学素养的内涵及测定
第一节、科学、技术的概念
1、什么是科学
2、什么是技术
3、科学与技术的关系
一、什么是科学
讨论:你所理解的科学是什么?
科学——“ science”，本义是“知 识”，什么是科学古今中外有各种各样 的回答： 在梵语中，“科学”指“特 殊的智慧”; 在拉丁语中， “科学” 指“知识”; 在法文中，指一切的学习形式;
了解自然科学的基本特性及其发展规律，为今后的
学习及工作实践打下宽厚的基础。
课程学习方式与要求
学习形式：讲授、讨论、研究性学习；注重理 清学科体系，学会利用网络资源；学会获取信 息资料的方法及信息处理的方法；
本课程强调学生对自然科学基本理论、基本概 念、科学研究方法的掌握与运用，鼓励学生在 教学过程中对教学的积极参与和平时学习的积 累，不主张期末突击复习、考试的投机学习行 为。
作业与思考
1、请谈谈你是怎样理解什么是科学的。

贝尔不等式实验
总结词
验证量子纠缠的非局域性
详细描述
贝尔不等式实验是用来验证量子纠缠特性的重要实验。通过测量纠缠光子的偏 振状态，实验结果违背了贝尔不等式，证明了量子纠缠的非局域性，即两个纠 缠的粒子之间存在着超光速的相互作用。
原子干涉仪实验
总结词
验证原子波函数的存在
详细描述
原子干涉仪实验通过让原子通过双缝，观察到干涉现象，证明了原子的波函数存在。这个实验进一步 证实了量子力学的预言，也加深了我们对微观世界的理解。
量子力学的意义与价值
推动物理学的发展
量子力学是现代物理学的基础之一，对物理学的发展产生了深远 的影响。
促进科技的创新
量子力学的发展催生了一系列高科技产品，如电子显微镜、晶体 管、激光器等。
拓展人类的认知边界
量子力学揭示了微观世界的奥秘，拓展了人类的认知边界。
量子力学对人类世界观的影响
01 颠覆了经典物理学的观念
量子力学在固体物理中的应用
量子力学解释了固体材料的电子 结构和热学性质，为半导体技术 和超导理论的发现和应用提供了
基础。
量子力学揭示了固体材料的磁性 和光学性质，为磁存储器和光电 子器件的发展提供了理论支持。
量子力学还解释了固体材料的相 变和晶体结构，为材料科学和晶
体学的发展提供了理论基础。
量子力学在光学中的应用
复数与复变函数基础
01
复数
复数是实数的扩展，包含实部和虚部，是量子力 学中描述波函数的必备工具。
02
复变函数
复变函数是定义在复数域上的函数，其性质与实 数域上的函数类似，但更为丰富。
泛函分析基础
函数空间
泛函分析是研究函数空间的数学分支，函数空间中的元素称为函数或算子。

假设一个物体能全部吸收投射在 它上面的辐射而无反射，这种物 体称为绝对黑体，简称黑体。
MB (T)
黑体：吸收和辐射都最大 黑洞：只吸收不辐射， 电磁波为黑洞所束缚， 无法逃逸出来。
(μm)
0 1 2 3 4 5 6 首页 上页 下页退出
1、 斯忒藩—玻尔兹曼定律 黑体辐射的总辐射身手〔辐射出射度〕
MB(T )
实验值
紫
外 灾
难
维恩
M B(T)C34T
瑞利--金斯
MB(T)C1 e 5 CT2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (m)
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普朗克量子假说
(1)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。
(2) 这些谐振子能量不能延续变化，只能取一些分立值 ，是最小能量 的整数倍,这个最小能量称为能量子。
红H656.21A
谱线是线状分立的
延 续
H
青 H 深绿 H
0
0
0
3645 .7 A 4340 .1 A 4860 .7 A
巴耳末公式
B
n2 n2
4
0
B364.57A
光谱公式
~1R(212
1 n2
)
n3,4,5,6,
R=4/B 里德伯常数 1.0967758×107m-1
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赖曼系
)
k1,2,3, n k 1 ,k 2 ,k 3 ,
~ T (k) T (n ) T(k)kR2 ,T(n)nR2称 为 光 谱 首页 上页 下页退出
二、玻尔氢原子实际
原子的核式构造的缺陷： 无法解释原子的稳定性 无法解释原子光谱的不延续性

“信息技术”是指获取， 传递，处理，利用信 息的技术
从信息学角度分
信息 获取技术
信息 利用技术
信息技术
信息 传递技术
信息 处理技术光电技术 电子技术
光电技术(激光的应用)
激光的概念：
原子受激发而辐射的光而成的。
激光的特性：
1，单色性
（时间相干性）
2，方向性 （空间相干性）
目前讲课用的是半导体激光器
气体激光器
半导体激光器
当前激光器研究的前沿
特大功率激光器的研制 X射线激光器的研制
飞秒激光器或亚阿秒激光器的研制
光储存技术与光盘
利用光子与物质的相互作用将各种信息，如 图像，语言，文字等数据记录下来，需要时再将 其读出的技术。
照相和电影是光学储存技术早期的伟大成就。
声盘（CD），影碟（VCD）和多用途光盘 （DVD）的问世标志着光储存时代的到来。
光的全息储存技术是容量更为巨大 的研究和开发方向
光盘是面储存，而光全息储存是体储存。光 盘储存器是在光盘表面烧制出光斑制成的，光斑 直径约为1um,甚至1um以下，所以光盘的储存 量非常大，即1c㎡的面积就有108-109个光斑（记 录点）然而，全息储存每立方厘米可储存10121013个数据，这还是指在波段而言。
维纳202149信息的定义至今众说不一可以简单地理解为消息或信号也可以理解为信源的不确定度如果某一信源只能产生一个消息且始终不变则说它发出的信息量等于零信息技术是指获取传递处理利用信息的技术202149信息技术信息传递技术信息处理技术信息利用技术信息获取技术信息技术的支撑技术从信息学角度分20214910信息技计算机技术光电技术电子技术20214911光电技术激光的应用激光的概念
强相干性

•2.电子的能量只是与光的频率有关，与光强无关，光
强只决定电子数目的多少。光电效应的这些规律是经典
理论无法解释的。按照光的电磁理论，光的能量只决定
于光的强度而与频率无关。
PPT课件
10
（3）原子光谱，原子结构
氢原子光谱有许多分立谱线组成，这是很早就 发现了的。1885年瑞士巴尔末发现紫外光附近的 一个线系，并得出氢原子谱线的经验公式是：
PPT课件
3Байду номын сангаас
§1 经典物理学的困难
(一）经典物理学的成功
19世纪末，物理学理论在当时看来已经发展到 相当完善的阶段。主要表现在以下两个方面：
(1) 应用牛顿方程成功的讨论了从天体到地上各种尺度的力 学客体体的运动，将其用于分子运动上，气体分子运动论， 取得有益的结果。1897年汤姆森发现了电子，这个发现表明 电子的行为类似于一个牛顿粒子。

1 n2

人们自然会提出如下三个问题：
1. 原子线状光谱产生的机制是什么？ 2. 光谱线的频率为什么有这样简单的规律？
nm
3. 光谱线公式中能用整数作参数来表示这一事实启发我们 思考： 怎样的发光机制才能认为原子P的PT课状件态可以用包含整数值的量来描写12 。
从前，希腊人有一种思想认为：


RH
C

1 22

1 n2

n 3,4,5,
其中RH 1.09677576 107 m 1是氢的Rydberg常数, C是光速。
•这就是著名的巴尔末公式（Balmer）。以后又发现了一
系列线系，它们都可以用下面公式表示：


RH
C

物质形态
能量守恒定律
物质与能量的关系
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一种形式转化为另一种形式。
物质中蕴含着能量，能量可以转化为物质，如核能转化为质量。
03
02
01
物质与能量
生物化学物理地质材料科学是自然科学的重要组成部分，它们之间相互联系、相互影响。
生物化学物理地质材料科学在人类生产生活中有着广泛的应用，如生物技术、制药、环保、能源等领域。
近代自然科学
近代自然科学开始于文艺复兴时期，通过科学实验和数学推理等方法，逐渐揭示了自然界的各种规律和原理。
现代自然科学
现代自然科学在20世纪以后得到了迅速发展，尤其是在物理学和化学领域，出现了许多新的理论和发现。
02
CHAPTER
自然科学基础知识
固、液、气三态及其转化，物质的基本单位是分子和原子。
环境治理
利用生态工程和环境修复技术，人类可以更好地应对环境问题，保护和恢复生态系统。
农业科技
通过转基因技术、智能农业等手段，提高农业生产效率和可持续性，满足全球不断增长的食物需求。
自然科学在未来的应用前景
THANKS
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01
生物医学工程概述
介绍生物医学工程的定义、发展历程、主要研究领域和应用领域。
02
生物医学工程应用
列举生物医学工程在医疗、康复、医疗器械等方面的应用案例，如人工器官、假肢、医疗机器人等。
生物医学工程
环境治理技术
介绍各种环境治理技术，如污水处理、垃圾处理、大气治理等，以及其原理和应用。
可持续发展与环境保护
化学
生物学是研究生物体的形态、结构、功能和演化的科学，包括动物学、植物学、微生物学等。

2019-8-11
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第一章 绪论
§1.1 量子力学发展简史
§1.2 经典物理学的困难 §1.3 光的量子性 §1.4 玻尔的量子论
§1.5 微观粒子的波粒二象性
§1.6 波函数的统计解释
2019-8-11
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8
§1.1 量子力学发展简史
1896年 1897年
气体放电管，发现阴极射线。
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普朗克能量子假说 * 辐射物体中包含大量谐振子，它们的能量取分立值
* 存在着能量的最小单元（能量子=h)
* 振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量
从理论上推出：
M 0 (,T ) 2hc 2 5
1
hc
e kT 1
k和c 分别是玻尔兹曼常数和光速。
2019-8-11
J.J Thomson 通过测定荷质比， 确定了电子的存在。
1900年
M.Plank 提出了量子化假说， 成功地解释了黑体辐射问题。
1905年 A.Einstein 将量子化概念明确为光子 的概念，并解释了光电效应。
同年创立了狭义相对论。
2019-8-11
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9
1911年 E.Rutherfold 确定了原子核式结构
b 2.897 103米开

2019-8-11
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经典物理遇到的困难
实验
瑞利和琼斯用
M 0 (,T )
能量均分定理
电磁理论得出：
M0
(,T
)

2ckT 4
只适于长波，有所谓的 “紫外灾难”。
T=1646k

To see a world in a grain of sand and a heaven in a wild flower Hold infinite in the palm of your hand and eternity in an hour.
一粒沙里有一个世界 一朵花里有一个天堂 把无穷无尽握于手掌 永恒宁非是刹那时光 (荷兰，乌仑贝克，1925年电子自旋发现者）
一． 黑体辐射问题
黑体：一个物体能全部吸收辐射在它上面的电磁波而无反 射。 热辐射：任何物体都有热辐射。 当黑体的辐射与周围物体处于平衡状态时的能量分布：
热力学+特殊假设→维恩公式, (长波部分不一致). 经典电动力学+统计物理学→瑞利金斯公式（短波部分完 全不一致） 二．光电效应
光照在金属上有电子从金属上逸出的现象，这种电子叫光 电子。光电效应的规律： （1）存在临界频率 ； （2）光电子的能量只与光的频率有关，与光强无关，光 频率越高，光电子能量越大，光强只影响光电子数目。光 强越大，光电子数目越多。
1921诺贝尔物理学奖
• A.爱因斯坦 • 对现代物理方面的
贡献，特别是阐明 光电效应的定律
二、爱因斯坦光量子理论
爱因斯坦在普朗克能量子论基础上进一步提出光量 子（或光子）的概念。辐射场是由光量子组成的，光 具有粒子特性，既有能量，又有动量。
光是以光速 c 运动的微粒流，称为光量子（光子）
光子的能量 h 说明光具有微粒性
m m0
1
v2 c2
h
n
c
h 0
c
n0
X
mv
0
2h m0c
sin2
2
康普顿散射公式
c
h m0c