1、普朗克普朗克能量子解釋宋體幅射；能量子解釋宋體幅射；愛因斯坦愛因斯坦光量子解釋光電效應；光量子解釋光電效應；玻爾玻爾基態解釋原子核式模型與氫波譜；基態解釋原子核式模型與氫波譜；德布羅意德布羅意提出實物粒子的波粒二象性；提出實物粒子的波粒二象性；海森伯、薛定諤、玻恩、狄拉克海森伯、薛定諤、玻恩、狄拉克量子理論。量子理論。19世紀末一系列重大的發覺，揭露了近世紀末一系列重大的發覺，揭露了近代數學學的帷幕。代數學學的帷幕。19.1量子化學的初期證據量子化學的初期證據(1)一、一、基本概念基本概念基本性質基本性質：體溫氣溫發射的能量發射的能量電磁波的電磁波的長波成份長波成份平衡熱幅射平衡熱
2、輻射：物體幅射的能量等于在同一時間內所物體幅射的能量等于在同一時間內所吸收的能量。吸收的能量。宋體幅射宋體幅射11、熱幅射熱幅射分子的熱運動使物體幅射電磁波分子的熱運動使物體幅射電磁波其能量按波長分布，隨氣溫而變化。其能量按波長分布，隨氣溫而變化。氣溫相同的不同物體，氣溫相同的不同物體，M曲線也不同。曲線也不同。單位：單位：Wm-2單位時間單位時間內從室溫為內從室溫為TT的物體的物體單位表面單位表面發出的發出的頻度在頻度在+d范圍范圍的電磁波的能量為的電磁波的能量為dM定義定義ddMM單位單位Wm-2幅射本領幅射本領M單位面積的幅射功率。單位面積的幅射功率。d0MM2
3、2、光譜輻射出射度、光譜輻射出射度M同一物體，不同水溫下同一物體，不同水溫下M曲線不同曲線不同。曲線下面積曲線下面積MvrE物體對不同頻度的幅射反射、物體對不同頻度的幅射反射、吸收能力不同。吸收能力不同。定義定義irEEr單色反射率單色反射率單色吸產率單色吸產率iaEEa3、單色反射率、單色反射率r與吸產率與吸產率a依據能量守恒定理，對每一種依據能量守恒定理，對每一種頻度都有頻度都有iEaE用用實驗證明實驗證明空腔內平衡熱幅射的兩個重要特點空腔內平衡熱幅射的兩個重要特點場場各向同性各向同性+均勻性均勻性物物=常量常量
4、MaMa1的物體稱的物體稱宋體，宋體，它能全部吸收它能全部吸收射到其表面的一切熱幅射，它的單色射到其表面的一切熱幅射，它的單色輻射出射度也大。輻射出射度也大。找尋宋體單色輻射出射度，成為研究平衡熱幅射場的臺階。找尋宋體單色輻射出射度，成為研究平衡熱幅射場的臺階。1oM注意：注意：宋體不一定是白色的，紅色的也不一定是宋體。宋體不一定是藍色的，藍色的也不一定是宋體。1、基爾霍夫定理、基爾霍夫定理（年年1212月）月）二、二、基本概念基本概念絕絕熱熱壁壁22、斯忒番、斯忒番玻爾茲曼定理（玻爾茲曼定理（年、年、年）年）測得不同頻度測得不同頻
5、率的幅射功率。的幅射功率。頻度不同折頻度不同折射率不同射率不同折折射角不同。射角不同。)K(.54284oTM0MT1T2T3棱鏡棱鏡G電爐電爐空腔空腔轉動平行光管轉動平行光管熱電偶熱電偶0MT1T2T333、維恩位移定理、維恩位移定理MCTM.5C斯忒番斯忒番-玻爾茲曼定理和維恩位移定理是宋體幅射玻爾茲曼定理和維恩位移定理是宋體幅射的基的基本定理，現代廣泛應用于低溫檢測、遙感、紅外追蹤等。本定理，現代廣泛應用于低溫檢測、遙感、紅外追蹤等。例題例題先后兩次測得煉鐵爐測溫孔（近似為宋體）輻射出射先后兩次測得煉
6、鋼爐測溫孔（近似為宋體）輻射出射度的峰值波寬度的峰值波長1m=0.8m、2m=0.4m，求：求：（11）相應的氣溫比；（相應的氣溫比；（22）相應的幅射本領之比。）相應的幅射本領之比。解解（11）按照維恩位移定理按照維恩位移定理T11==C11mT22==C2m（22）按照斯忒番）按照斯忒番--玻爾茲曼定理玻爾茲曼定理161)(TTEE10-14Hz12（1）維恩公式）維恩公式TeM3o)1900(222okTcM（2）瑞利）瑞利金斯公式金
7、斯公式.1k玻爾茲曼常數玻爾茲曼常數紫外災難！紫外災難！19世紀末，化學學最引人注目的課題之一世紀末，化學學最引人注目的課題之一欲從欲從理論上導入理論上導入宋體的單色輻射出射度宋體的單色輻射出射度Mo的物理式。的物理式。實驗曲線實驗曲線T=2000K三、經典化學的困難三、經典化學的困難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，在美國數學學會上講演在美國數學學會上講演:“能能量不連續，只能是量不連續，只能是h的整數倍。的整數倍。”這一這三天定為天定為量子熱學的誕生日量子熱學的誕生日。）、.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普朗克常數普朗克常數并按照玻爾茲曼統計法推出并按照玻爾茲曼統計法推出宋體幅射公式宋體幅射公式返回返回21887年年赫茲赫茲發覺發覺紫外光紫外光逸出帶逸出帶電粒子電粒子勒納證明晰勒納證明確實是電子實是電子!金屬金屬電磁波電磁波照射照射下金屬發射電下金屬發射電子的現象稱為子的現象稱為光電效應。光電效應。光電效應光電效應19.1量子化學的初期證據量子化學的初期證據(2)一、光電效應的實驗規律一、光電效應的實驗規律2、遏止電流、遏止電流Ua與與I無關無關單位時間逸出的光電子數單位時間逸出的光電子數
9、與照射光強成反比。與照射光強成反比。IiM、飽和飽和光電流光電流1Mi照射光強照射光強iiU0()221aUCa7.5Na5.50oUKKUoo紅限紅限當當o雖然光強極弱，光電效應也會在頓時（雖然光強極弱，光電效應也會在頓時（t10-9s）形成；形成；當當o雖然光強再強，也不會形成光電效應。雖然光強再強，也不會形成光電效應。、與與I無關無關、斜率斜率K與材料無關。與材料無關。截距截距Uo與材料有關。與材料有關。、應該與光強有關，而不是頻度。應當與光強有
10、關，而不是頻度。2、只要光強足夠，就應形成光電效應，不應存在紅限。、只要光強足夠，就應形成光電效應，不應存在紅限。3、產生光電效應須要時間積累能量，尤其光強較弱時。、產生光電效應須要時間積累能量，尤其光強較弱時。二、經典理論的困難二、經典理論的困難AAmvh221三、愛因斯坦的光量子理論（三、愛因斯坦的光量子理論（年）年）1、光子、光子能量能量E=h質量質量m=h/c2動量動量P=h/hA金屬的金屬的逸出功逸出功愛因斯坦等式愛因斯坦等式比較比較實驗結果實驗結果AhmvMhA0Ahv起碼起碼紅
11、限紅限heKAeUo2、光強光強I=Nh不變不變+INiM不變不變Ua不變不變3、電子吸收光子在頓時、電子吸收光子在頓時。通過實驗測通過實驗測定定K、U0可計可估算算h、A。例題例題光電效應實驗，已知陰極材料的逸出功光電效應實驗，已知陰極材料的逸出功A，照射光的，照射光的頻度頻度o，求：，求：（1）紅限紅限o；（；（2）抑止電流）抑止電流Ua。解解（1）由愛因斯坦等式）由愛因斯坦等式AmvhM221AhohAo（2）AeUha0heUha)(ohehUa光電效應的應用光電效應的應用1、iMI
12、可拿來實現光、電信號轉換。（影片、可拿來實現光、電信號轉換。（影片、電視、傳真等現代通信技術電視、傳真等現代通信技術)2、瞬時性用于手動控制、自動計數。、瞬時性用于手動控制、自動計數。3、光電管、光電倍增管、光電晶閘管、光電管、光電倍增管、光電晶閘管因為在理論化學方面的貢獻，非常是對光電效應的因為在理論化學方面的貢獻，非常是對光電效應的成功解釋，成功解釋，1921年，年，愛因斯坦愛因斯坦獲得獲得諾貝爾化學獎諾貝爾化學獎！按照不同的依據不同的n值把氫原子的波譜分成不同的線系。值把氫原子的波譜分成不同的線系。mn都是正整數都是正整數1、氫原子譜線、氫原子譜線)m1n1(22RcR
13、=1.107m1里德堡常數里德堡常數四、玻爾的原子理論四、玻爾的原子理論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、巴爾末系（巴爾末系（B.S.）疑惑：精典理論覺得，電磁波與發射振子的頻度是相疑惑：精典理論覺得，電磁波與發射振子的頻度是相應的。最簡單的氫原子中竟然有這么多的諧振子？應的。最簡單的氫原子中竟然有這么多的諧振子？原子中所有的電子都處于確定的軌原子中所有的電子都處于確定的軌道。道。具有確定的能量，不幅射電磁具有確定的能量，不幅射電磁波。波。2、玻爾理論、玻爾理論（1）定態）定態
14、（2）量子化條件）量子化條件nnhL2（3）基態的概念）基態的概念當原子中的電子從高能態當原子中的電子從高能態Em躍遷到低躍遷到低能態能態En時幅射電磁波，時幅射電磁波，頻度為頻度為hEEnm電子在方形軌道上運動，角動量電子在方形軌道上運動，角動量.022o一、現象一、現象晶體（作光柵）晶體（作光柵）偵測器偵測器石墨石墨X射線射線o（o）康普頓散射光康普頓散射光o光波譜譜儀儀o：正常光正常光波譜儀測得波譜儀測得散射光波長散射光波長.2康普頓效應康普頓效應0入射光入射光=0o=45o=90oLi（Z=3）Fe（Z=26）
15、00正常光光強正常光光強康普頓散康普頓散射光光強射光光強二、散射波譜圖二、散射波譜圖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礎理論，康普頓散射光光侵占總光強的比列不同。頓散射光光侵占總光強的比列不同。輕原子比列大輕原子比列大.重原子比列小重原子比列小.康普頓散射光波康普頓散射光波長與散射角有關長與散射角有關FeLi三、康普頓的解釋三、康普頓的解釋光子理論光子理論電子吸收光子電子吸收光子發射光子發射光子=彈性碰撞彈性碰撞內層電子內層電子自由自由與光子碰撞時獲得一部份能與光子碰撞時獲得一部份能量量光子能量光子能量康普頓散射光；康普頓散射光；外層電
16、子與核結合緊外層電子與核結合緊一體一體光子與之碰撞光子與之碰撞回調（不損失能量）回調（不損失能量）不變不變正常光正常光。輕的原子外層電子少，散射光中正常成份少；重輕的原子外層電子少，散射光中正常成份少；重的原子則相反，所以散射光中正常成份比較多。的原子則相反，所以散射光中正常成份比較多。電磁波（電磁波（00）散射物（電子受迫振蕩）散射物（電子受迫振蕩）幅射電磁波幅射電磁波波長、頻率只能是波長、頻率只能是00。精典精典波動理論波動理論hoXYvh能量守恒能量守恒X方向方向動量守恒動量守恒Y方向方向動量守恒動量守恒sins
17、考慮：考慮：oocccmh)nm(.0ocmh康普頓波長康普頓波長19.3微觀粒子的波動性微觀粒子的波動性一、經典粒子與精典波一、經典粒子與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：廣脆性、可疊加性。廣脆性、可疊加性。二、微觀粒子與德布羅意波二、微觀粒子與德布羅意波德布羅意德布羅意（1924年）：一個具有確定能量年）：一個具有確定能量E、動量、動量P的粒子，在個別檢測條件下顯示出沿動量方向傳播的粒子量子物理基礎理論，在個別檢測條件下顯示出沿動量方向傳播的單色平面波的行為，其頻
18、率的單色平面波的行為，其頻度、波長、波長滿足滿足hEhP量子理論：波和粒子是客觀世界的兩重性，一個量子理論：波和粒子是客觀世界的兩重性，一個客體，在一種檢測條件下，顯示波的特點；在另客體，在一種檢測條件下，顯示波的特點；在另一種檢測條件下，可能顯示波的特點。一種檢測條件下，可能顯示波的特點。他明晰強調：可以用他明晰強調：可以用電子波電子波貫串晶圓進行驗證。貫串晶圓進行驗證。U（V）（nm）540...012相當于相當于X射線射線三、實驗驗證三、實驗驗證U鎳晶鎳晶hPU225.1kdsin2.321、k1、戴
19、維孫和革末（、戴維孫和革末（1927年）年）電子的單縫、雙縫、三縫和四縫衍射實驗圖像電子的單縫、雙縫、三縫和四縫衍射實驗圖像多晶多晶鋁泊鋁泊2、湯姆遜（、湯姆遜（1927）3、約恩遜（、約恩遜（1961）2022-5-5作者余虹姜玉田29P=P1+P2=|1|2+|2|一、電子雙縫衍射一、電子雙縫衍射概概率率機率幅：機率幅：P1=|1|2P2=|2|2精典理論精典理論量子理論量子理論R.P.：“如果一個風波實際上有可能以幾種形式出假如一個風波實際上有可能以幾種形式出現，則該風波的機率幅就是各類形式單獨實現時的現，則該風波
20、的機率幅就是各類形式單獨實現時的機率幅機率幅之和之和。于是出現了干涉。于是出現了干涉。”P=|1+2|2=|1|2+|2|2+1*2+12*機率的概念并沒有改變，改變的是估算機率的方式。機率的概念并沒有改變，改變的是估算機率的方式。19.4機率波與機率幅機率波與機率幅精典理論精典理論：自然過程連續，檢測儀器對客體的干擾自然過程連續，檢測儀器對客體的干擾可無限地連續增大。可無限地連續增大。量子理論量子理論：儀器對客體的干擾不能連續增大，作藥量儀器對客體的干擾不能連續增大，作藥量子子h的存在規定了干擾的下限與性質。的存在規定了干擾的下限與性質。1、測量理論、測量理論
21、2、不確定關系、不確定關系電子流如電子流就像單色光同單色光通過狹縫通過狹縫衍射現象衍射現象二、不確定關系二、不確定關系1xx通過狹后粒子的動量可能改變，若只考慮中通過狹后粒子的動量可能改變，若只考慮中央極大，則粒子可能在央極大，則粒子可能在21的范圍內出現。的范圍內出現。hPPxx：位置不確定度位置不確定度1sinxpxx=hPxP考慮次極大考慮次極大pyyhpzzhEth不確定不確定關關系系動量沿動量沿X方向的方向的不確定度為不確定度為原子線度為原子線度為10-10m，估算原子中電子速率的不確定度。估算原子中電子速率的
22、不確定度。解：解：x=10-10P=m.7xmhv按精典熱學估算，氫原子中電子的軌道速率按精典熱學估算，氫原子中電子的軌道速率v106ms-1。例題例題化學量與其不確定度一樣數目級，數學量沒化學量與其不確定度一樣數目級，數學量沒有意義了！有意義了！在微觀領域內，精典的決定論和粒子的軌道在微觀領域內，精典的決定論和粒子的軌道概念一齊被取消！概念一齊被取消！電視機顯象管中的電子加速電流為電視機顯象管中的電子加速電流為9kV，電子槍半徑為，電子槍半徑為0.1mm。估算電子出槍后的縱向速率。估算電子出槍后的縱向速率。解：解：xmhvmeUv2e=1.61019CU=9103Vm=9.111031kg=5.6107ms-1v宏觀物體的不確定度遠遠大于化學宏觀物體的不確定度遠遠大于化學量量干擾可忽視。干擾可忽視。例題例題..91063.6作者作者余余虹虹2mcE按照相對論理論依據相對論理論EEpcp2在在t時間內粒午時間內粒子可能發生的位移可能發生的位移tvxtmptEpxhpxhtE