主题 9 — 量子物理与量子光学
量子化 · 发射/吸收 · 光电效应 · 双缝 · 退相干与薛定谔的猫 · 阿斯佩尔迈尔 · 海森堡 · 绝对零度 · 拉普拉斯妖
章节
- 9.1 能量的量子化
- 9.2 发射、吸收与光电效应
- 9.2a 玻尔原子模型与氢光谱
- 9.3 双缝实验
- 9.3a 薛定谔方程、德布罗意物质波与玻恩诠释
- 9.3b 隧道效应与势阱
- 9.4 退相干与薛定谔的猫
- 9.5 振动的镜子——马库斯·阿斯佩尔迈尔(维也纳大学)
- 9.6 海森堡不确定性原理
- 9.7 绝对零度
- 9.8 拉普拉斯妖
- 9.9 量子哲学
- 9.10 光学三领域
Selfcheck / 自测
- 量子化(
)是什么意思?谁认真对待了普朗克的公式,得出什么结论? - 线状光谱如何产生(发射/吸收)?
- 光电效应中波动理论为何失效(两条论证)?
- 写出光电效应方程。电子数量与能量各取决于什么?
- 单光子双缝会发生什么?它如何反驳纯波动图像?
- 什么是波函数
?「哪条路」探测器会做什么? - 什么是退相干?薛定谔的猫说明了什么?
- 阿斯佩尔迈尔研究什么?为什么绝对零度对它重要?
- 写出海森堡不确定性原理。为什么它不是测量误差?
- 什么是拉普拉斯妖?它被什么推翻?
- **计算:**原子中电子从
eV 跃回 eV,求所发光子的能量、频率与波长。再用数字说明:红光为什么打不出锌板上的电子? - 描述光电效应的学校实验(Hallwachs)。为什么带正电的锌板不放电?玻璃板证明了什么?
- 零点能如何从不确定性原理推出?阿斯佩尔迈尔的镜子与引力有什么关系?
- 解释玻尔原子模型(两条假设)和主量子数
。哪个谱系是可见的?为什么玻尔模型尽管有缺陷却仍值得称道? - 计算:用里德伯公式算出
谱线( )的波长。得到什么颜色? - 德布罗意波长怎么写?哪个实验证明了物质波?薛定谔方程起什么作用?玻恩诠释(含归一化)说了什么?
- 什么是隧道效应(为什么能发生?)?举两个应用。势阱如何解释能量的量子化?
§§ANTWORTEN
- 能量只以离散份额(量子)交换:
。爱因斯坦认真对待普朗克公式,并于 1905 年得出:光由光子组成,每个光子能量为 。(§9.1) - 电子占据离散能级;吸收时电子跃迁到高能级,发射时跃回并放出能量
的光子。这些量子跃迁形成各元素特有的线状光谱。(§9.2) - 经典上能量
,那么很亮的红光也应打出电子——但并不能。而弱紫外光本应有起振时间——实际上电子立即逸出。(§9.2) 。电子的数量取决于强度(光子数),但单个电子的动能只取决于频率 。(§9.2) - 单个光子打成点;积累许多后出现干涉图样。光子「同时走两条路」(叠加态)并与自己干涉——可单个光子仍只打在一个位置,这反驳了纯波动图像。(§9.3)
是在某处出现的概率( 为复数 → 取模平方)。「哪条路」探测器会使干涉图样消失——波函数坍缩(退相干)。(§9.3) - 退相干 = 测量时波函数坍缩到一个状态(粒子越多越快)。薛定谔的猫揭示把量子叠加态(死+活)搬到宏观世界的荒谬性。(§9.4)
- 阿斯佩尔迈尔研究宏观量子光力学:一面微小的镜子处于叠加态。需要绝对零度(量子基态)才能让宏观物体上的量子效应得以显现。(§9.5)
:位置与动量无法同时任意精确确定。这不是测量误差,而是基本原理(波粒二象性的后果)。(§9.6) - 一个能从每个粒子的位置和动量算出整个未来的设想之物 → 决定论。被海森堡不确定性(输入数据无法获取)和量子随机性(如放射性衰变)推翻。(§9.8)
eV J; Hz; nm(可见蓝绿光)。红光光子仅 eV eV——单个光子能量不够,而光子不会「凑份」,故亮度再高也没用。(§9.2) - 验电器上带负电的锌板被紫外灯照射 → 放电、指针落下。插入玻璃板(吸收紫外)→ 效应停止:证明起作用的是紫外成分。带正电时,被打出的电子立刻被正电荷拉回,故不放电。(§9.2)
- 完全静止意味着
且 ,违背 → 必留零点能(残余运动)。镜子质量可观,其引力场原则上可测;若它处于叠加态,便可首次在实验上探问「引力场是否也叠加 / 引力是否量子化」。(§9.5/§9.7) - 两条假设(玻尔 1913):(1)电子只在离散轨道上无辐射地运动;(2)能量只在轨道间跳跃时以一个光子交换(
)。主量子数 给轨道编号( = 基态)。可见的是巴尔末系( )。值得称道之处:尽管模型半经典且只适用于氢(后被量子力学取代),它能正确算出氢谱线。(§9.2a) → nm —— 红光。(§9.2a) (德布罗意波长)。由戴维森-革末实验证明(1927 年电子在镍晶体上的衍射)。薛定谔方程 决定 的时间演化(量子力学基本方程)。玻恩诠释: 是概率密度,并有归一化 (粒子必定在某处)。(§9.3a) - 隧道效应:粒子穿透一道它经典上无法越过的势垒,因为
在势垒中不会立刻变零(只指数衰减)→ 势垒另一侧有有限的出现概率。应用如 α 衰变和扫描隧道显微镜(STM)(还有隧道二极管)。在势阱中 在壁上须为零 → 只有某些驻波能放入 → 离散能级正是边界条件的后果。(§9.3b)