1、普朗克普朗克能量子解释宋体幅射；能量子解释宋体幅射；爱因斯坦爱因斯坦光量子解释光电效应；光量子解释光电效应；玻尔玻尔基态解释原子核式模型与氢波谱；基态解释原子核式模型与氢波谱；德布罗意德布罗意提出实物粒子的波粒二象性；提出实物粒子的波粒二象性；海森伯、薛定谔、玻恩、狄拉克海森伯、薛定谔、玻恩、狄拉克量子理论。量子理论。19世纪末一系列重大的发觉，揭露了近世纪末一系列重大的发觉，揭露了近代数学学的帷幕。代数学学的帷幕。19.1量子化学的初期证据量子化学的初期证据(1)一、一、基本概念基本概念基本性质基本性质：体温气温发射的能量发射的能量电磁波的电磁波的长波成份长波成份平衡热幅射平衡热
2、辐射：物体幅射的能量等于在同一时间内所物体幅射的能量等于在同一时间内所吸收的能量。吸收的能量。宋体幅射宋体幅射11、热幅射热幅射分子的热运动使物体幅射电磁波分子的热运动使物体幅射电磁波其能量按波长分布，随气温而变化。其能量按波长分布，随气温而变化。气温相同的不同物体，气温相同的不同物体，M曲线也不同。曲线也不同。单位：单位：Wm-2单位时间单位时间内从室温为内从室温为TT的物体的物体单位表面单位表面发出的发出的频度在频度在+d范围范围的电磁波的能量为的电磁波的能量为dM定义定义ddMM单位单位Wm-2幅射本领幅射本领M单位面积的幅射功率。单位面积的幅射功率。d0MM2
3、2、光谱辐射出射度、光谱辐射出射度M同一物体，不同水温下同一物体，不同水温下M曲线不同曲线不同。曲线下面积曲线下面积MvrE物体对不同频度的幅射反射、物体对不同频度的幅射反射、吸收能力不同。吸收能力不同。定义定义irEEr单色反射率单色反射率单色吸产率单色吸产率iaEEa3、单色反射率、单色反射率r与吸产率与吸产率a依据能量守恒定理，对每一种依据能量守恒定理，对每一种频度都有频度都有iEaE用用实验证明实验证明空腔内平衡热幅射的两个重要特点空腔内平衡热幅射的两个重要特点场场各向同性各向同性+均匀性均匀性物物=常量常量
4、MaMa1的物体称的物体称宋体，宋体，它能全部吸收它能全部吸收射到其表面的一切热幅射，它的单色射到其表面的一切热幅射，它的单色辐射出射度也大。辐射出射度也大。找寻宋体单色辐射出射度，成为研究平衡热幅射场的台阶。找寻宋体单色辐射出射度，成为研究平衡热幅射场的台阶。1oM注意：注意：宋体不一定是白色的，红色的也不一定是宋体。宋体不一定是蓝色的，蓝色的也不一定是宋体。1、基尔霍夫定理、基尔霍夫定理（年年1212月）月）二、二、基本概念基本概念绝绝热热壁壁22、斯忒番、斯忒番玻尔兹曼定理（玻尔兹曼定理（年、年、年）年）测得不同频度测得不同频
5、率的幅射功率。的幅射功率。频度不同折频度不同折射率不同射率不同折折射角不同。射角不同。)K(.54284oTM0MT1T2T3棱镜棱镜G电炉电炉空腔空腔转动平行光管转动平行光管热电偶热电偶0MT1T2T333、维恩位移定理、维恩位移定理MCTM.5C斯忒番斯忒番-玻尔兹曼定理和维恩位移定理是宋体幅射玻尔兹曼定理和维恩位移定理是宋体幅射的基的基本定理，现代广泛应用于低温检测、遥感、红外追踪等。本定理，现代广泛应用于低温检测、遥感、红外追踪等。例题例题先后两次测得炼铁炉测温孔（近似为宋体）辐射出射先后两次测得炼
6、钢炉测温孔（近似为宋体）辐射出射度的峰值波宽度的峰值波长1m=0.8m、2m=0.4m，求：求：（11）相应的气温比；（相应的气温比；（22）相应的幅射本领之比。）相应的幅射本领之比。解解（11）按照维恩位移定理按照维恩位移定理T11==C11mT22==C2m（22）按照斯忒番）按照斯忒番--玻尔兹曼定理玻尔兹曼定理161)(TTEE10-14Hz12（1）维恩公式）维恩公式TeM3o)1900(222okTcM（2）瑞利）瑞利金斯公式金
7、斯公式.1k玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数紫外灾难！紫外灾难！19世纪末，化学学最引人注目的课题之一世纪末，化学学最引人注目的课题之一欲从欲从理论上导入理论上导入宋体的单色辐射出射度宋体的单色辐射出射度Mo的物理式。的物理式。实验曲线实验曲线T=2000K三、经典化学的困难三、经典化学的困难1232o四、普朗克的量子假定四、普朗克的量子假定1900年年12月月14日，日，在美国数学学会上讲演在美国数学学会上讲演:“能能量不连续，只能是量不连续，只能是h的整数倍。的整数倍。”这一这三天定为天定为量子热学的诞生日量子热学的诞生日。）、.321(nnh
8、E1900年，普朗克提出能量子年，普朗克提出能量子h，h=6.6310-34J.s普朗克常数普朗克常数并按照玻尔兹曼统计法推出并按照玻尔兹曼统计法推出宋体幅射公式宋体幅射公式返回返回21887年年赫兹赫兹发觉发觉紫外光紫外光逸出带逸出带电粒子电粒子勒纳证明晰勒纳证明确实是电子实是电子!金属金属电磁波电磁波照射照射下金属发射电下金属发射电子的现象称为子的现象称为光电效应。光电效应。光电效应光电效应19.1量子化学的初期证据量子化学的初期证据(2)一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律2、遏止电流、遏止电流Ua与与I无关无关单位时间逸出的光电子数单位时间逸出的光电子数
9、与照射光强成反比。与照射光强成反比。IiM、饱和饱和光电流光电流1Mi照射光强照射光强iiU0()221aUCa7.5Na5.50oUKKUoo红限红限当当o虽然光强极弱，光电效应也会在顿时（虽然光强极弱，光电效应也会在顿时（t10-9s）形成；形成；当当o虽然光强再强，也不会形成光电效应。虽然光强再强，也不会形成光电效应。、与与I无关无关、斜率斜率K与材料无关。与材料无关。截距截距Uo与材料有关。与材料有关。、应该与光强有关，而不是频度。应当与光强有
10、关，而不是频度。2、只要光强足够，就应形成光电效应，不应存在红限。、只要光强足够，就应形成光电效应，不应存在红限。3、产生光电效应须要时间积累能量，尤其光强较弱时。、产生光电效应须要时间积累能量，尤其光强较弱时。二、经典理论的困难二、经典理论的困难AAmvh221三、爱因斯坦的光量子理论（三、爱因斯坦的光量子理论（年）年）1、光子、光子能量能量E=h质量质量m=h/c2动量动量P=h/hA金属的金属的逸出功逸出功爱因斯坦等式爱因斯坦等式比较比较实验结果实验结果AhmvMhA0Ahv起码起码红
11、限红限heKAeUo2、光强光强I=Nh不变不变+INiM不变不变Ua不变不变3、电子吸收光子在顿时、电子吸收光子在顿时。通过实验测通过实验测定定K、U0可计可估算算h、A。例题例题光电效应实验，已知阴极材料的逸出功光电效应实验，已知阴极材料的逸出功A，照射光的，照射光的频度频度o，求：，求：（1）红限红限o；（；（2）抑止电流）抑止电流Ua。解解（1）由爱因斯坦等式）由爱因斯坦等式AmvhM221AhohAo（2）AeUha0heUha)(ohehUa光电效应的应用光电效应的应用1、iMI
12、可拿来实现光、电信号转换。（影片、可拿来实现光、电信号转换。（影片、电视、传真等现代通信技术电视、传真等现代通信技术)2、瞬时性用于手动控制、自动计数。、瞬时性用于手动控制、自动计数。3、光电管、光电倍增管、光电晶闸管、光电管、光电倍增管、光电晶闸管因为在理论化学方面的贡献，非常是对光电效应的因为在理论化学方面的贡献，非常是对光电效应的成功解释，成功解释，1921年，年，爱因斯坦爱因斯坦获得获得诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖！按照不同的依据不同的n值把氢原子的波谱分成不同的线系。值把氢原子的波谱分成不同的线系。mn都是正整数都是正整数1、氢原子谱线、氢原子谱线)m1n1(22RcR
13、=1.107m1里德堡常数里德堡常数四、玻尔的原子理论四、玻尔的原子理论n=1：m=2、3、4拉曼系（拉曼系（L.S.）n=3：m=4、5、6、帕邢系帕邢系P.S.n=2：m=3、4、5、巴尔末系（巴尔末系（B.S.）疑惑：精典理论觉得，电磁波与发射振子的频度是相疑惑：精典理论觉得，电磁波与发射振子的频度是相应的。最简单的氢原子中竟然有这么多的谐振子？应的。最简单的氢原子中竟然有这么多的谐振子？原子中所有的电子都处于确定的轨原子中所有的电子都处于确定的轨道。道。具有确定的能量，不幅射电磁具有确定的能量，不幅射电磁波。波。2、玻尔理论、玻尔理论（1）定态）定态
14、（2）量子化条件）量子化条件nnhL2（3）基态的概念）基态的概念当原子中的电子从高能态当原子中的电子从高能态Em跃迁到低跃迁到低能态能态En时幅射电磁波，时幅射电磁波，频度为频度为hEEnm电子在方形轨道上运动，角动量电子在方形轨道上运动，角动量.022o一、现象一、现象晶体（作光栅）晶体（作光栅）侦测器侦测器石墨石墨X射线射线o（o）康普顿散射光康普顿散射光o光波谱谱仪仪o：正常光正常光波谱仪测得波谱仪测得散射光波长散射光波长.2康普顿效应康普顿效应0入射光入射光=0o=45o=90oLi（Z=3）Fe（Z=26）
15、00正常光光强正常光光强康普顿散康普顿散射光光强射光光强二、散射波谱图二、散射波谱图特征特性同一散射角，不同的散射物，康普同一散射角，不同的散射物量子物理基础理论，康普顿散射光光侵占总光强的比列不同。顿散射光光侵占总光强的比列不同。轻原子比列大轻原子比列大.重原子比列小重原子比列小.康普顿散射光波康普顿散射光波长与散射角有关长与散射角有关FeLi三、康普顿的解释三、康普顿的解释光子理论光子理论电子吸收光子电子吸收光子发射光子发射光子=弹性碰撞弹性碰撞内层电子内层电子自由自由与光子碰撞时获得一部份能与光子碰撞时获得一部份能量量光子能量光子能量康普顿散射光；康普顿散射光；外层电
16、子与核结合紧外层电子与核结合紧一体一体光子与之碰撞光子与之碰撞回调（不损失能量）回调（不损失能量）不变不变正常光正常光。轻的原子外层电子少，散射光中正常成份少；重轻的原子外层电子少，散射光中正常成份少；重的原子则相反，所以散射光中正常成份比较多。的原子则相反，所以散射光中正常成份比较多。电磁波（电磁波（00）散射物（电子受迫振荡）散射物（电子受迫振荡）幅射电磁波幅射电磁波波长、频率只能是波长、频率只能是00。精典精典波动理论波动理论hoXYvh能量守恒能量守恒X方向方向动量守恒动量守恒Y方向方向动量守恒动量守恒sins
17、考虑：考虑：oocccmh)nm(.0ocmh康普顿波长康普顿波长19.3微观粒子的波动性微观粒子的波动性一、经典粒子与精典波一、经典粒子与精典波精典粒子的特性：定域性、排他性。精典粒子的特性：定域性、排他性。精典波的特性：精典波的特性：广脆性、可叠加性。广脆性、可叠加性。二、微观粒子与德布罗意波二、微观粒子与德布罗意波德布罗意德布罗意（1924年）：一个具有确定能量年）：一个具有确定能量E、动量、动量P的粒子，在个别检测条件下显示出沿动量方向传播的粒子量子物理基础理论，在个别检测条件下显示出沿动量方向传播的单色平面波的行为，其频
18、率的单色平面波的行为，其频度、波长、波长满足满足hEhP量子理论：波和粒子是客观世界的两重性，一个量子理论：波和粒子是客观世界的两重性，一个客体，在一种检测条件下，显示波的特点；在另客体，在一种检测条件下，显示波的特点；在另一种检测条件下，可能显示波的特点。一种检测条件下，可能显示波的特点。他明晰强调：可以用他明晰强调：可以用电子波电子波贯串晶圆进行验证。贯串晶圆进行验证。U（V）（nm）540...012相当于相当于X射线射线三、实验验证三、实验验证U镍晶镍晶hPU225.1kdsin2.321、k1、戴
19、维孙和革末（、戴维孙和革末（1927年）年）电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图像电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图像多晶多晶铝泊铝泊2、汤姆逊（、汤姆逊（1927）3、约恩逊（、约恩逊（1961）2022-5-5作者余虹姜玉田29P=P1+P2=|1|2+|2|一、电子双缝衍射一、电子双缝衍射概概率率机率幅：机率幅：P1=|1|2P2=|2|2精典理论精典理论量子理论量子理论R.P.：“如果一个风波实际上有可能以几种形式出假如一个风波实际上有可能以几种形式出现，则该风波的机率幅就是各类形式单独实现时的现，则该风波
20、的机率幅就是各类形式单独实现时的机率幅机率幅之和之和。于是出现了干涉。于是出现了干涉。”P=|1+2|2=|1|2+|2|2+1*2+12*机率的概念并没有改变，改变的是估算机率的方式。机率的概念并没有改变，改变的是估算机率的方式。19.4机率波与机率幅机率波与机率幅精典理论精典理论：自然过程连续，检测仪器对客体的干扰自然过程连续，检测仪器对客体的干扰可无限地连续增大。可无限地连续增大。量子理论量子理论：仪器对客体的干扰不能连续增大，作药量仪器对客体的干扰不能连续增大，作药量子子h的存在规定了干扰的下限与性质。的存在规定了干扰的下限与性质。1、测量理论、测量理论
21、2、不确定关系、不确定关系电子流如电子流就像单色光同单色光通过狭缝通过狭缝衍射现象衍射现象二、不确定关系二、不确定关系1xx通过狭后粒子的动量可能改变，若只考虑中通过狭后粒子的动量可能改变，若只考虑中央极大，则粒子可能在央极大，则粒子可能在21的范围内出现。的范围内出现。hPPxx：位置不确定度位置不确定度1sinxpxx=hPxP考虑次极大考虑次极大pyyhpzzhEth不确定不确定关关系系动量沿动量沿X方向的方向的不确定度为不确定度为原子线度为原子线度为10-10m，估算原子中电子速率的不确定度。估算原子中电子速率的
22、不确定度。解：解：x=10-10P=m.7xmhv按精典热学估算，氢原子中电子的轨道速率按精典热学估算，氢原子中电子的轨道速率v106ms-1。例题例题化学量与其不确定度一样数目级，数学量没化学量与其不确定度一样数目级，数学量没有意义了！有意义了！在微观领域内，精典的决定论和粒子的轨道在微观领域内，精典的决定论和粒子的轨道概念一齐被取消！概念一齐被取消！电视机显象管中的电子加速电流为电视机显象管中的电子加速电流为9kV，电子枪半径为，电子枪半径为0.1mm。估算电子出枪后的纵向速率。估算电子出枪后的纵向速率。解：解：xmhvmeUv2e=1.61019CU=9103Vm=9.111031kg=5.6107ms-1v宏观物体的不确定度远远大于化学宏观物体的不确定度远远大于化学量量干扰可忽视。干扰可忽视。例题例题..91063.6作者作者余余虹虹2mcE按照相对论理论依据相对论理论EEpcp2在在t时间内粒午时间内粒子可能发生的位移可能发生的位移tvxtmptEpxhpxhtE