第十八章 早量子论和量子力学基础.ppt
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第十八章 早期量子论和量子力学基础 ( Foundation of quantum physics ) §18-1 热辐射 普朗克的量子假设 1、热辐射现象 §18-2 光电效应 Einstein的光子理论 §18-3 康普顿效应 §18-4氢原子光谱 玻尔的氢原子理论 §18-5 德布罗意波 波粒二象性(dualism) §18-6 不确定度关系(uncertainty relatoin) §18-7 波函数 薛定谔方程 §18-8 势阱中的粒子 势垒 谐振子 §18-9 量子力学中的氢原子问题 §18-10 电子的自旋 原子的电子壳层结构 大量电子在屏上形成规则衍射条纹(统计规律); 对于三维空间,沿 r 方向传播的自由粒子的波函数为: 波函数的物理意义(概率解释) 波恩对电子衍射实验的分析: 电子通过狭缝,由于波、粒二象性: 少数电子在屏上分布杂乱无章(随机性); “明纹”----电子斑痕多的区域(概率大); “暗纹”---电子斑痕极少的区域(概率很小)。 与光波对比: 明纹区 (波动性) (粒子性) 波强大 ? 振幅的平方 粒子数多 ? 概率大 波恩对波函数的统计解释 可见,德布罗意波是一种概率波,轨道概念无意义。 在某一时刻,在空间某点,粒子出现的概率正比于该时刻、该地点的波函数的平方。 一般情况下,波函数为复数,故 波函数的平方为: 在空间某点附近发现粒子的几率与该区域的大小有关,故 可见, 表示在某点处单位体积内粒子出现的概率,称为概率密度。 波函数应满足的条件: 1 . 单值、连续、有限; 2 . 归一化条件: 2、薛定谔方程 在量子物理中,微观粒子的运动状态是用波函数来描述的 , ? 所遵循的方程就是薛定谔方程。 自由粒子的波函数为: 对 x 取二阶偏导数, ------(1) 对 t 取一阶偏导,得 ------(2) 以 乘以(1)式,以 乘式(2),在低速情况下, ,则有: 称为一维运动自由粒子含时的薛定谔方程。 若粒子在势场U(x,t)中运动,此时 由(2)得 于是得到: 若粒子在三维空间中运动,则有 这就是在势场中一维运动粒子的含时薛定谔方程。 由(1)得 利用拉普拉斯算符 表示, 只要知道粒子的质量m和势能函数,再根据初始条件和边界条件,就可由薛定谔方程求解,得到描述粒子运动状态的波函数。 由于波函数必须满足单值、连续、有限和归一化条件,只有当方程中的总能量 E 为某些特定值时才有解。 得: E ----能量的本征值; ? ----本征函数(本征值)。 若势能 U( x ) 只是坐标的函数时,可将 ? 分离变量: 上面等式只有两边都等于同一常数时才成立,以 E 表示该常数,等式右边为 代入式 积分后得: 等式左边也等于 E ,即: 这就是定态薛定谔方程。 可见 E 必须具有 能量的量纲。 称 为定态波函数。 粒子在空间某处出现的概率为: 由于与时间无关,称这样的态为定态。 于是,波函数为 电子在金属中的运动 , 质子在原子核中的运动 , 其势能曲线的形状可引 入势阱来描述。 1、一维无限深势阱 金属体 U x (a)电子在金属中的势能曲线 一维无限深势阱的 势能分布为: U(x)= 0 0 x a ? x ? 0,x ? 0 U r 原子核 (b)质子在原子核中的势能曲线 0 a U(x) x 粒子在阱内作一维运动,由于势能与时间无关,故可用定态薛定谔方程求解粒子的运动规律 : 设粒子的定态波函数为 ?(x), 则定态薛定谔方程为: 令 得 0 a U(x) x 方程解的形式为: c, ? 为待定常数,可由边界条件和归一化条件确定。 在边界上(阱壁),由于势垒无限高,表明粒子 受到极强排斥力, 故粒子只能在阱内运动,即 得: 再由归一化条件: 因为 c ? 0,必有 则 n=1,2,3,…... 于是得到定态波函数: 最后,得波函数为: 得 讨论: 1)势阱中运动的粒子的能量是不连续的; 由 而 量子数 可见,在量子力学中,能量量子化是在考虑波函数必须满足的条件而自然得到的,并
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