第一章 量子力学基础知识
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《结构化学基础》讲稿第一章孟祥军第一章 量子力学基础知识 (第一讲)1.1 微观粒子的运动特征☆ 经典物理学遇到了难题:19世纪末,物理学理论(经典物理学)已相当完善: ◆ Newton 力学 ◆ Maxwell 电磁场理论 ◆ Gibbs 热力学 ◆ Boltzmann 统计物理学上述理论可解释当时常见物理现象,但也发现了解释不了的新现象。
1.1.1 黑体辐射与能量量子化黑体:能全部吸收外来电磁波的物体。
黑色物体或开一小孔的空心金属球近似于黑体。
黑体辐射:加热时,黑体能辐射出各种波长电磁波的现象。
★经典理论与实验事实间的矛盾:经典电磁理论假定:黑体辐射是由黑体中带电粒子的振动发出的。
按经典热力学和统计力学理论,计算所得的黑体辐射能量随波长变化的分布曲线,与实验所得曲线明显不符。
按经典理论只能得出能量随波长单调变化的曲线:Rayleigh-Jeans 把分子物理学中能量按自由度均分原则用到电磁辐射上,按其公式计算所得结果在长波处比较接近实验曲线。
Wien 假定辐射波长的分布与Maxwell 分子速度分布类似,计算结果在短波处与实验较接近。
经典理论无论如何也得不出这种有极大值的曲线。
• 1900年,Planck (普朗克)假定:黑体中原子或分子辐射能量时作简谐振动,只能发射或吸收频率为ν, 能量为 ε=h ν 的整数倍的电磁能,即振动频率为 ν 的振子,发射的能量只能是 0h ν,1h ν,2h ν,……,nh ν(n 为整数)。
• h 称为Planck 常数,h =6.626×10-34J •S•按 Planck 假定,算出的辐射能 E ν 与实验观测到的黑体辐射能非常吻合:●能量量子化:黑体只能辐射频率为 ν ,数值为 h ν 的整数倍的不连续的能量。
能量波长黑体辐射能量分布曲线 ()1/8133--=kt h c h eE ννπν1.1.2 光电效应和光子学说光电效应:光照射在金属表面,使金属发射出电子的现象。
第一章量子力学基础知识总结微观粒子的运动特征1.黑体辐射和能量量子化●黑体是一种能全部吸收照射到它上面的各种波长辐射的物体。
●黑体辐射的能量量子化公式:●普朗克常数(h=6.626×10-34 J·s)2.光电效应和光子学说●只有当照射光的频率超过某个最小频率(即临阈频率)时,金属才能发射光电子。
●不同金属的临阈频率不同。
●随着光强的增加,发射的电子数也增加,但不影响光电子的动能。
●增加光的频率,光电子的动能也随之增加●式中h为Planck常数,ν为光子的频率●m = h /c2所以不同频率的光子有不同的质量。
●光子具有一定的动量(p)P = mc = h /c = h/λ●光的强度取决于单位体积内光子的数目,即光子密度。
Ek = h -W3.实物微粒的波力二项性● E = h v , p = h / λ●光(各种波长的电磁辐射)和微观实物粒子(静止质量不为0的电子、原子和分子等)都有波动性(波性)和微粒性(粒性)的两重性质,称为波粒二象性4.不确定度关系●具有波动性的粒子其位置偏差(△x )和动量偏差(△p )的积恒定.,有以下关系:量子力学基本假设1、波函数和微观粒子的状态●波函数ψ和微观粒子的状态●合格波函数的条件2、物理量和算符●算符:对某一函数进行运算,规定运算操作性质的符号。
如:sin,log等。
线性算符:Â( 1+ 2)=Â 1+Â 2自轭算符:∫ 1*Â 1 d =∫ 1(Â 1 )*d 或∫ 1*Â 2 d =∫2(Â 1 )*d3、本征态、本征值和Schrödinger方程●A的本征方程Aψ= aψa 称为力学量算符 A 的本征值,ψ称为A的本征态或本征波函数,4、态叠加原理●若 1, 2… n为某一微观体系的可能状态,由它们线性组合所得的 也是该体系可能的状态。
5、Pauli(泡利)原理●在同一原子轨道或分子轨道上,至多只能容纳两个自旋相反的电子。
第一章 量子力学基础知识1.1 微观粒子的运动特征基本内容一、微观子的能量量子化1. 黑体辐射黑体:是理想的吸收体和发射体.Plank 假设:黑体中原子或分子辐射能量时作简谐振动,它只能发射或吸收频率为ν,数值为ε=hν整数倍的电磁波,及频率为ν的振子发射的能量可以等于:0hν,1 hν,2 hν,3 hν,…..,n hν.由此可见,黑体辐射的频率为ν的能量,其数值是不连续的,只能为hν的倍数,称为能量量子化。
2. 光电效应和光子光电效应:是光照射在金属样品表面上,使金属发射出电子的现象。
金属中的电子从光获得足够的能量而逸出金属,称为光电子。
光电效应的实验结果:(1) 只有当照射光的频率超过某个最小频率ν时金属才能发射光电子,不同金属的ν值也不同。
(2) 随着光强的增加,发射的电子数也增加,但不影响光电子的动能。
(3) 增加光的频率,光电子的动能也随之增加。
光子学说的内容如下:(1) 光是一束光子流,每一种频率的光的能量都有一个最小单位称为光子,光子的能量与光子的频率成正比即:νεh =0(2) 光子不但有能量,还有质量(m ),但光子的静止质量为零。
按相对论质能联系定律,20mc =ε,光子的质量为:c h c m νε==2,所以不同频率的光子有不同的质量。
(3) 光子具有一定的动量(p) p=mc=c h ν=λh(4) 光子的强度取决于单位体积内光子的数目即光子密度:ττρτd dNN =∆∆=→∆0lim将频率为ν的光照射到金属上,当金属中的一个电子受到一个光子撞击时,产生光电效应,并把能量hν转移给电子。
电子吸收的能量,一部分用于克服金属对它的束缚力,其余部分则表现为光电子动能。
2021mv h E w h k +=+=νν 当νh <w 时,光子没有足够的能量,使电子逸出金属,不发生光电效应,当νh =w 时,这时的频率时产生光电效应的临阈频率0ν,当νh >w 时从金属中发射的电子具有一定的动能,它随ν的增加而增加,阈光强无关。
量子力学基础教程量子力学是一门研究微观世界的物理学科,它描述了微观粒子的行为和性质。
本文将为读者介绍量子力学的基础知识,帮助大家对这一领域有一个初步的了解。
第一章:量子力学的起源量子力学起源于20世纪初,当时科学家们发现传统物理学无法解释一些实验现象,例如黑体辐射和光电效应。
为了解决这些难题,一些科学家开始重新思考物质和能量的本质。
这些思考最终导致了量子力学的诞生。
第二章:波粒二象性量子力学的核心概念之一是波粒二象性。
在经典物理学中,我们认为光可以被看作是一种波动现象。
然而,量子力学揭示了光既可以表现出波动性,又可以表现出粒子性。
这种奇妙的特性不仅出现在光中,也出现在其他微观粒子(如电子和中子)中。
第三章:不确定性原理不确定性原理是量子力学的另一个重要概念。
它指出,在测量某个粒子的位置和动量时,我们无法同时获得精确的结果。
这意味着,我们无法完全预测微观粒子的行为。
不确定性原理的提出颠覆了经典物理学中确定性的观念,揭示了微观世界的混沌和难以捉摸的一面。
第四章:量子态和波函数量子态是描述微观粒子状态的数学概念。
它可以用波函数来表示,波函数是一个复数函数,描述了粒子的概率分布。
通过对波函数的测量,我们可以获得粒子的位置、动量等信息。
波函数的演化由薛定谔方程描述,它是量子力学的基本方程之一。
第五章:量子力学的应用量子力学在物理学和工程学的许多领域都有广泛的应用。
例如,它在原子物理学中用于解释原子的结构和性质;在材料科学中用于研究材料的电子结构和导电性;在量子计算中用于开发新型的计算机技术等等。
量子力学的应用正在不断拓展,为人类的科技发展带来了巨大的潜力。
结语:量子力学是一门复杂而奇妙的学科,它颠覆了传统物理学的观念,揭示了微观世界的独特规律。
本文介绍了量子力学的起源、波粒二象性、不确定性原理、量子态和波函数以及量子力学的应用。
希望通过这篇文章,读者对量子力学有了初步的了解,并能进一步探索这一神秘的学科。