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高中物理竞赛辅导讲义:有关量子的初步知识、基本粒子(含答案解析)


有关量子的初步知识 § 3. 1 、初期量子理论 20 世纪之初,物理学家为解释一些经典物理所不能解释的实验规律,提出了量子 理论。量子理论经过进一步发展,形成了量子力学,使量子力学成为近代物理学的两大 支柱之一。 3 . 1 . 1、 3. 1. 1、 普朗克量子论 一切物体都发射并吸收电磁波。物体发射电磁波又称热辐射,温度越高,辐射的 能量越多,辐射中短波成份比例越大。完全吸收电磁辐射的物体发射电磁辐射的本领也 最强,称这种理想的物体为黑体。研究黑体辐射电磁波长的能量与黑体温度以及电磁波 波长的关系,从实验上得出了著名的黑体辐射定律。 假设电磁辐射是组成黑体的谐振子所发出,按照经典理论,谐振子的能量可以连续 地变化,电磁波的能量也是可以连续变化的,但是理论结果与实验定律相矛盾。 1900 年, 德国物理学家普朗克提出了量子理论: 黑体中的振子具有的能量是不连续的, 从而, 他们发射或吸收的电磁波的能量也是不连续的。 如果发射或吸收的电磁辐射的频率为 v , 则发射或吸收的辐射能量只能是 hv 的整倍数, h 为一普适常量,称为普朗克常量,普 朗克的量子理论成功地解释了黑体辐射定律,这种能量不连续变化的概念,是对经典物 理概念的革命,普朗克的理论预示着物理观念上革命的开端。 3. 1. 2、 爱因斯坦光子理论 因为电磁波理论也不能解释光电效应,在普朗克量子 论的基础上,爱因斯坦于 1905 年提出了光子概念。他认为 光的传播能量也是不连续的,而是一份一份的,每一份能 量称为一个光子,即光是由光子组成的,频率为 v 光的光子 能量等于 hv , h 为普朗 克常量。光子理论圆满地解释了光电效应。人们对光 本性的认识前进了一步:光具有波粒二象性。在经典物理 中,波是连续的,粒子是分立的,二者不相容。所以,不 能把光看作经典物理中的波,也不能把光看作经典物理中 的粒子。故此,有了爱因斯坦光电方程: 图 11—6 电子衍射图样 1 2 mv ? h? ? w 2 W 为逸出功, γ 为光子频率, m 为光电子质量。 3 、 1 、 3 电子及其他粒子的波动性 我们已经了解到,玻尔把普朗克的量子论和爱因斯坦 的光子理论,应用到原子系统上,于 1913 年提出了原子理 论。按照玻尔理论,原子中存在着分立的能级,电子从某 一能级向另一能级跃迁时,发射或吸收一个光子。这与经 典物理的概念也迥然不同。这就启发人们:组成原子的粒 图 11—7 伦琴射线衍射图 样 高中物理竞赛原子物理学教程 第三讲有关量子的初步知识 子,如电子,必然不是经典意义下的粒子,所遵从的规律也不同于经典物理的规律。在 光具有波粒二象性的启发下,法国物理学家德布罗意提出一个问题:“在光学中,比起 波的研究方法来,如果说过于忽视粒子的研究方法的话,那么,在粒子的理论上,是不 是发生了相反的错误,把粒子的图象想得太过分,而过分忽视了波的图象呢?”接着, 他在 1924 年提出了一个假说,认为波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括 电子、质子和中子,都有波粒二象性。他指出:具有质量 m 和速度 v 的运动粒子也具 有波动性,这种波长等于普朗克恒量 h 与粒子 mv 动量的比,即 λ = h/mv 。这个关系式 称做德布罗意公式。根据德布罗意公式,很容易算出运动粒子的波长。后来又用原子射 线和分子射线做类似的实验, 同样得到了衍射图样。 质子和中子的衍射实验也做成功了。 这就证明了一切运动的微观粒子都具有波粒二象性, 其波长与动量的关系都符合德布罗 意公式。粒子的波动性又称为德

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