物質(zhì)觀的革命量子論第1頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日神奇的空間隧道?

一個(gè)測不準(zhǔn)的世界?

一個(gè)不可知的世界?第2頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日任何物體在任何溫度下都要發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物質(zhì)中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象為熱輻射。一，黑體輻射的紫外災(zāi)難什么是熱輻射(自發(fā)輻射）1兩個(gè)概念第3頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日固體在溫度升高時(shí)顏色的變化1400K800K1000K1200K物體輻射總能量及能量按波長分布都決定于溫度。維恩定律：第4頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日能夠吸收外來一切電磁波輻射而毫無反射的物體—絕對(duì)黑體，簡稱黑體。物理模型什么是絕對(duì)黑體第5頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日2.黑體的輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

會(huì)聚透鏡空腔小孔平行光管棱鏡熱電偶第6頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日1700K1500K1300K1100K012345絕對(duì)黑體的輻出度按波長分布曲線實(shí)驗(yàn)曲線第7頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日(1)維恩公式如何從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)曲線的函數(shù)式

這個(gè)公式與實(shí)驗(yàn)曲線波長短處符合得很好，但在波長很長處與實(shí)驗(yàn)曲線相差較大。第8頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日(2)瑞利--金斯公式

這個(gè)公式在波長很長處與實(shí)驗(yàn)曲線比較相近，但在短波區(qū)，按此公式，將隨波長趨向于零而趨向無窮大的荒謬結(jié)果，即“紫外災(zāi)難”。

維恩公式和瑞利-金斯公式都是用經(jīng)典物理學(xué)的方法來研究熱輻射所得的結(jié)果，都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，明顯地暴露了經(jīng)典物理學(xué)的缺陷。黑體輻射實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)晴朗天空中一朵令人不安的烏云。第9頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日0123456789實(shí)驗(yàn)值維恩線瑞利-金斯線紫外災(zāi)難埃倫費(fèi)斯特稱之為紫外災(zāi)難。瑞利像第10頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日高頻段符合低頻段符合{

為了解決上述困難，普朗克利用內(nèi)插法將適用于短波的維恩公式和適用于長波的瑞利-金斯公式銜接起來，提出了一個(gè)新的公式：普朗克常數(shù)第11頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日o實(shí)驗(yàn)值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線12345678第12頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日3.2輻射的量子理論

普朗克

提出量子假說

普朗克（德）（1858--1947），量子論的奠基人，1900年12月14日他在德國物理學(xué)會(huì)上，宣讀了以《關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論》為題的論文，提出了能量的量子化假設(shè)，并導(dǎo)出了能量的分布公式，勞厄稱這一天是“量子論的誕生日”。第13頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日①.金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可視為一維諧振子，它吸收或發(fā)射電磁波輻射能時(shí)與振子的頻率成正比的能量子h為基本單元來吸收可發(fā)射能量。②.空腔壁上帶電諧振子所吸收或發(fā)射的能量是h的整數(shù)倍。普朗克量子假設(shè)的內(nèi)容第14頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日量子經(jīng)典

能量子的概念是非常新奇的，它沖破了傳統(tǒng)的概念，揭示了微觀世界中一個(gè)重要規(guī)律，開創(chuàng)了物理學(xué)的一個(gè)全新領(lǐng)域。第15頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日h——普朗克常數(shù)，就好象普羅米修斯從天上引來的一?；鸱N，使人們從傳統(tǒng)思想的束縛下獲得了解放!黑體輻射，光電效應(yīng)，原子光譜，康普頓效應(yīng)等都是普朗克假說的發(fā)展結(jié)果，是經(jīng)典物理所不能解釋的。由于普朗克發(fā)現(xiàn)了能量子，對(duì)建立量子理論作出了卓越貢獻(xiàn)，獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第16頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日這個(gè)發(fā)現(xiàn)將人類的觀念——不僅是有關(guān)經(jīng)典科學(xué)的觀念，而且是有關(guān)通常思維方式的觀念的基礎(chǔ)砸得粉碎?！柕?7頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日二．原子模型Thomson模型（1898年）葡萄干布丁模型正電荷均勻分布于原子球體內(nèi)，電子嵌于其中。第18頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日第一個(gè)鉆到原子中心的人——盧瑟福盧瑟福1871年8月13日生于新西蘭一個(gè)蘇格蘭移民后裔家庭。1894年大學(xué)畢業(yè)，考入劍橋大學(xué)三一學(xué)院，成為J.J.湯姆孫第一個(gè)外國研究生。

第19頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日盧瑟福的助手蓋革和學(xué)生馬斯登做的α粒子散射實(shí)驗(yàn)。盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如果你將一顆15英寸的大炮彈射向一張薄紙，炮彈竟然會(huì)反射回來打中你自己！”第20頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日這種α粒子被反射回來的現(xiàn)象是葡萄干布丁模型無法解釋的。在做了大量的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算和深思熟慮后，他才大膽地提出了有核原子模型，推翻了他的老師湯姆遜的實(shí)心帶電球原子模型第21頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日盧瑟福提出有核模型：全部正電荷Ze集中在原子球體中心，大約占原子體積幾萬分之一大小的范圍內(nèi)，構(gòu)成原子核。原子質(zhì)量幾乎全（99.9%以上）集中于此。Z個(gè)電子在核外憑借其與正電荷的庫侖力做繞核運(yùn)動(dòng)，也就類似于行星那樣的運(yùn)動(dòng)。

第22頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日布丁模型原子的散射有核模型原子的散射第23頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日二電子分布的殼層結(jié)構(gòu)就在盧瑟福高興地向同事們宣布“我現(xiàn)在總算知道原子是什么了”，“原子的真相大白了”的同時(shí)，新的問題又出現(xiàn)了。第24頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日1．原子行星模型的困難原子穩(wěn)定性困難電子加速運(yùn)動(dòng)輻射電磁波，能量不斷損失，電子回轉(zhuǎn)半徑不斷減小，最后落入核內(nèi)，原子塌縮。原子壽命光譜分立性困難電磁波頻率等于電子回轉(zhuǎn)頻率，發(fā)射光譜為連續(xù)譜。電子繞核運(yùn)動(dòng)頻率第25頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日尼爾斯·玻爾玻爾，丹麥物理學(xué)家，哥本哈根學(xué)派的創(chuàng)始人。1885年10月7日生于哥本哈根，1903年入哥本哈根大學(xué)數(shù)學(xué)和自然科學(xué)系，主修物理學(xué)。1907年以有關(guān)水的表面張力的論文獲得丹麥皇家科學(xué)文學(xué)院的金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?，并先后?909年和1911年分別以關(guān)于金屬電子論的論文獲得哥本哈根大學(xué)的科學(xué)碩士和哲學(xué)博士學(xué)位。隨后去英國學(xué)習(xí)，先在劍橋J．J．湯姆孫主持的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，幾個(gè)月后轉(zhuǎn)赴曼徹斯特，參加了以E．盧瑟福為首的科學(xué)集體，從此和盧瑟福建立了長期的密切關(guān)系第26頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日2．玻爾模型（1913年）背景：能量子和光子假設(shè)、核式模型、原子線光譜(1)定態(tài)（stationarystate）假設(shè)電子只能在一系列分立的軌道上繞核運(yùn)動(dòng)，且不輻射電磁波，能量穩(wěn)定。電子軌道和能量分立第27頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日(2)躍遷（transition）假設(shè)原子在不同定態(tài)之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發(fā)射能量。吸收發(fā)射頻率規(guī)則第28頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日弗蘭克－赫茲實(shí)驗(yàn)原子光譜分立性原子內(nèi)部能量量子化證據(jù)1914年Franck和Hertz實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原子經(jīng)電子碰撞后吸收能量的分立性第29頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日玻爾理論是經(jīng)典與量子理論的混合物，存在著內(nèi)在的不協(xié)調(diào)，內(nèi)在的矛盾。玻爾理論的缺陷玻爾理論仍然以經(jīng)典理論為基礎(chǔ)，定態(tài)假設(shè)又和經(jīng)典理論相抵觸?！窳孔踊瘲l件的引進(jìn)沒有適當(dāng)?shù)睦碚摻忉尅！駥?duì)譜線的強(qiáng)度、寬度、偏振等無法處理?！竦?0頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日四，物質(zhì)粒子的雙重屬性和量子力學(xué)的建立德布羅意

法國物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。第31頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

德布羅意之前，人們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)，只局限于兩種基本的物質(zhì)類型：

實(shí)物和場。第32頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日E=hv德布羅意的獲獎(jiǎng)?wù)撐牡虏剂_意的觀點(diǎn):

既然光具有波粒二象性，那么實(shí)物粒子如電子、質(zhì)子等也應(yīng)該具有波動(dòng)性和粒子性。第33頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日p德布羅意關(guān)系第34頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日第35頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日第36頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:X射線照在晶體上可以產(chǎn)生衍射，電子打在晶體上也能觀察電子衍射。1923年，德布羅意又提出了作電子衍射實(shí)驗(yàn)的設(shè)想。1924年，又提出用電子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。1927年，戴維孫和革末用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子具有波動(dòng)性，不久，G.P.湯姆孫與戴維孫完成了電子在晶體上的衍射實(shí)驗(yàn)。第37頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日戴維孫-革末實(shí)驗(yàn)示意圖

鎳單晶電子槍入射束散射束電子探測器戴維森像第38頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

1927年G.P.湯姆遜（J.J.湯姆遜之子）也獨(dú)立完成了電子衍射實(shí)驗(yàn)。與C.J.戴維森共獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。屏P多晶薄膜高壓柵極陰極G·P·湯姆遜像X射線衍射的圖樣

第39頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

電子的單縫、雙縫、三縫和四縫衍射實(shí)驗(yàn)。（約恩遜1961)自然界中的一切微觀粒子，不論它們的靜止質(zhì)量是否為零，都具有波粒二象性。30年代以后，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中子、質(zhì)子、中性原子都具有衍射現(xiàn)象。第40頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日波動(dòng)方程薛定諤像薛定諤（ErwinSchr?dinger,

1887--1961）奧地利物著名的理論物理學(xué)家，量子力學(xué)的重要奠基人之一，同時(shí)在固體的比熱、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、原子光譜及鐳的放射性等方面的研究都有很大成就。第41頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

薛定諤的波動(dòng)力學(xué)，是在德布羅意提出的物質(zhì)波的基礎(chǔ)上建立起來的。他把物質(zhì)波表示成數(shù)學(xué)形式，建立了稱為薛定諤方程的量子力學(xué)波動(dòng)方程。薛定諤方程在量子力學(xué)中占有極其重要的地位，它與經(jīng)典力學(xué)中的牛頓運(yùn)動(dòng)定律的價(jià)值相似。

薛定諤對(duì)原子理論的發(fā)展貢獻(xiàn)卓著，因而于1933年同英國物理學(xué)家狄拉克共獲諾貝爾物理獎(jiǎng)金。第42頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

質(zhì)量為m的粒子在勢能為的外力場中運(yùn)動(dòng)，含時(shí)薛定諤方程為：定態(tài)薛定諤方程第43頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日物質(zhì)波的統(tǒng)計(jì)解釋物質(zhì)波振幅的平方與粒子在該處鄰近出現(xiàn)的概率成正比。粒子觀點(diǎn)電子密處，概率大。電子疏處，概率小。波動(dòng)觀點(diǎn)電子密處，波強(qiáng)大。電子疏處，波強(qiáng)小。電子出現(xiàn)的概率反映該處的波強(qiáng)。波強(qiáng)振幅A2粒子密度概率機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在空間傳播，德波是對(duì)微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)。第44頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日氫原子五次瞬間照像若干張氫原子瞬間照片疊印第45頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日氫原子的電子云圖氫原子電子云界面圖電子在這個(gè)界面內(nèi)出現(xiàn)的幾率很大（95%以上），而在界面外出現(xiàn)的幾率很?。?%以下）。第46頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日海森堡像矩陣力學(xué)的創(chuàng)立

海森伯（W.K.Heisenberg，1901--1976）德國理論物理學(xué)家。他在1925年為量子力學(xué)的創(chuàng)立作出了最早的貢獻(xiàn)，于26歲時(shí)提出的不確定關(guān)系和物質(zhì)波的概率解釋，奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。為此，他于1932年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第47頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日

[u1]海森堡測不準(zhǔn)原理粒子坐標(biāo)x，動(dòng)量p，能量E和壽命t,它們的變化范圍分別為△x，△p，△E和△t，滿足△x·△p≥h△t·△E≥h即：

微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不可能同時(shí)被測準(zhǔn)微觀粒子的能量和壽命不可能同時(shí)被測準(zhǔn)第48頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日第49頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日第50頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日矩陣力學(xué)與波動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)一既然矩陣力學(xué)與波動(dòng)力學(xué)描述了同一物理現(xiàn)象，它們之間是否存在著內(nèi)在的聯(lián)系？薛定諤證明了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)的等價(jià)性。1926年，狄拉克提出了普遍的變換理論，使兩種力學(xué)進(jìn)一步得到和諧與統(tǒng)一，將其統(tǒng)稱為量子力學(xué)，并引進(jìn)了狄拉克符號(hào)，奠定了粒子物理和量子電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，因此狄拉克與薛定諤共獲1933年諾貝爾物理獎(jiǎng)。量子理論的發(fā)展第51頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日互補(bǔ)原理玻耳：既然微觀粒子具有波粒二象性，而且波動(dòng)特性和粒子特性不會(huì)在同一測量中同時(shí)出現(xiàn)，那么這兩種特性也不會(huì)在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中直接沖突；另一方面，盡管波和粒子這兩種經(jīng)典概念是互斥的，但它們能完整、全面地描述微觀現(xiàn)象和過程。從這個(gè)意義上說，波和粒子兩種描述是是互補(bǔ)的，缺一不可。尤如給繪畫中的互補(bǔ)色、音樂中的互補(bǔ)音?；堇眨骸霸谖?，互補(bǔ)觀念似乎是革命性的。然而，玻耳高興地發(fā)現(xiàn)，在東方?；パa(bǔ)觀念是一種自然的思想方法。為了采用象征性的方法來表達(dá)互補(bǔ)，玻耳選擇了中文的‘陰陽’”第52頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日U0勢壘123經(jīng)典理論1.E>U0的粒子，越過勢壘。2.E<U0的粒子，不能越過勢壘。量子理論1.E>U0的粒子，也存在被彈回的概率——反射波。2.E<U0的粒子，也可能越過勢壘到達(dá)3區(qū)——

隧道效應(yīng)。oa四、隧道效應(yīng)和掃描隧道顯微鏡第53頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日隧道效應(yīng)：在粒子總能量低于勢壘高的情況下，粒子能越過勢壘甚至能穿透有一定寬度的勢壘。賓寧和羅勒于1982年制成了掃描隧道顯微鏡。用一金屬探針在被觀察的金屬表面上方相距約10A0處平行移動(dòng)進(jìn)行掃描，于是探針、空氣隙、金屬表面構(gòu)成一個(gè)電子隧道體系。加一微小電壓，從隧道電流的變化，就可以分辨出金屬表面原子結(jié)構(gòu)的細(xì)微特征掃描隧道顯微鏡（STM）第54頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日STM裝置示意圖第55頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日STM獲得的硅晶體表面原子排列第56頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日利用STM不僅能直接關(guān)產(chǎn)原子排列情況，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)原子的操作。中國科學(xué)院用STM對(duì)材料表面進(jìn)行微加工，制成世界上最小的中國地圖。第57頁，共66頁，2023年，2月20日，星期日光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)：光子隧道信息PSTM成象原理第58頁，共66頁，2023年，2月20日，星