量子物理基础--习题
量子物理基础--习题 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
习题十五
15-1 将星球看做绝对黑体，利用维恩位移定律测量m λ便可求得T ．这是测量星球表面温度的方法之一．设测得：太阳的m 55.0m μλ=，北极星的
m 35.0m μλ=，天狼星的m 29.0m μλ=，试求这些星球的表面温度．
解：将这些星球看成绝对黑体，则按维恩位移定律：
K m 10897.2,3??==-b b T m λ
对太阳： K 103.51055.010897.236
311
?=??==
--m
b
T λ 对北极星：K 103.81035.010897.236
322
?=??==
--m
b
T λ 对天狼星：K 100.110
29.010897.246
333
?=??==
--m
b
T λ 15-2 用辐射高温计测得炉壁小孔的辐射出射度(总辐射本领)为22.8W ·cm -2，求炉内温度．
解：炉壁小孔视为绝对黑体，其辐出度 242
m W 108.22cm W 8.22)(--??=?=T M B
按斯特藩-玻尔兹曼定律：
=)(T M B 4T σ
41
8
44
)1067.5108.22()
(-??==σ
T M T B K 1042.110)67
.58.22(
334
1?=?= 15-3 从铝中移出一个电子需要4.2 eV 的能量，今有波长为2000ο
A 的光投射到铝表面．试问：(1)由此发射出来的光电子的最大动能是多少(2)遏止电势差为多大(3)铝的截止(红限)波长有多大
解：(1)已知逸出功eV 2.4=A 据光电效应公式2
2
1m mv hv =A + 则光电子最大动能：
A hc A h mv E m -=-==
λ
υ2max k 21 eV
0.2J 1023.310
6.12.41020001031063.61919
10
834=?=??-????=---- m 2
max k 2
1)2(mv E eU a =
=
∴遏止电势差 V 0.2106.11023.319
19
=??=
--a U (3)红限频率0υ,∴0
00,λυυc
A h =
=又
∴截止波长 19
8
3401060.12.41031063.6--?????==A hc λ m 0.296m 10
96.27
μ=?=-
15-4 在一定条件下，人眼视网膜能够对5个蓝绿光光子(m 105.0-7?=λ)产生光的感觉．此时视网膜上接收到光的能量为多少如果每秒钟都能吸收5个这样的光子，则到
达眼睛的功率为多大
解：5个兰绿光子的能量
J
1099.1100.51031063.65187
8
34---?=?????=
==λ
υhc
n
nh E 功率 W 1099.118-?==
t
E
15-5 设太阳照射到地球上光的强度为8 J ·s -1
·m -2
，如果平均波长为5000ο
A ，则每秒钟落到地面上1m 2的光子数量是多少若人眼瞳孔直径为3mm ，每秒钟进入人眼的光子数是多少
解：一个光子能量 λ
υhc
h E =
=
1秒钟落到2m 1地面上的光子数为
2
1198347m s 1001.21031063.6105888----??=?????=
==hc E n λ 每秒进入人眼的光子数为
1
1462192
s 1042.14
/10314.31001.24
--?=????==d n
N π
15-6若一个光子的能量等于一个电子的静能，试求该光子的频率、波长、动量．
解：电子的静止质量S J 1063.6,kg 1011.93431
0??=?=--h m 当 2
0c m h =υ时，
则
Hz
10236.11063.6)103(1011.92034
2
83120?=????=
=--h c m υ ο
12
A 02.0m 10
4271.2=?==
-υ
λc
1
228310201
22s m kg 1073.21031011.9s m kg 1073.2-----???=???=====???==
c m c
c m c E p cp
E h
p 或
λ
15-7 光电效应和康普顿效应都包含了电子和光子的相互作用，试问这两个过程有什么不同
答：光电效应是指金属中的电子吸收了光子的全部能量而逸出金属表面，是电子处于原子中束缚态时所发生的现象．遵守能量守恒定律．而康普顿效应则是光子与自由电子(或准自由电子)的弹性碰撞，同时遵守能量与动量守恒定律．
15-8 在康普顿效应的实验中，若散射光波长是入射光波长的1.2倍，则散射光子的能量ε与反冲电子的动能k E 之比k E /ε等于多少
解：由 2
200mc h c m hv +=+υ
)(00202υυυυ-=-=-=h h h c m mc E k
υεh =
∴
5)(00=-=-=
υ
υυ
υυυε
h h E k
已知
2.10=λλ
由2.10=∴=υ
υλυc 2.110=υυ则
52
.0112.110==-=-υυυ 15-9 波长ο
0A 708.0=λ的X 射线在石腊上受到康普顿散射，求在2
π
和π方向上所散射的X 射线波长各是多大
解：在2
π
?=
方向上：
ο
12
83134200A
0243.0m 10
43.24sin 1031011.91063.622
sin 2Δ=?=?????==
-=---π
?λλλc m h 散射波长ο
0A 732.00248.0708.0Δ=+=+=λλλ 在π?=方向上
ο12
0200A 0486.0m 1086.422sin 2Δ=?===-=-c
m h c m h ?λλλ
散射波长 ο
0A 756.00486.0708.0Δ=+=+=λλλ
15-10 已知X 光光子的能量为0.60 MeV ，在康普顿散射之后波长变化了20%，求反冲电子的能量．
解：已知X 射线的初能量,MeV 6.00=ε又有
00
,ελλεhc
hc
=
∴=
经散射后 000020.1020.0λλλλ?λλ=+=+=
此时能量为 002
.11
2.1ελλ
ε==
=
hc hc
反冲电子能量 MeV 10.060.0)2
.11
1(0=?-
=-=εεE 15-11 在康普顿散射中，入射光子的波长为0.030 ο
A ，反冲电子的速度为0.60c ，求散射光子的波长及散射角．
解：反冲电子的能量增量为
20202
202
0225.06.01c m c m c m c m mc E =--=
-=?
由能量守恒定律，电子增加的能量等于光子损失的能量， 故有 200
25.0c m hc
hc
=-
λ
λ
散射光子波长
ο
12
10
83134
10
34000
A
043.0m 10
3.410
030.0103101.925.01063.610030.01063.625.0=?=??????-????=
-=
------λλλc m h h 由康普顿散射公式
2
sin 0243.022sin 22200??λλλ??==
-=c m h 可得 2675.00243
.02030
.0043.02
sin
2
=?-=
?
散射角为 7162'=ο
?
15-12 实验发现基态氢原子可吸收能量为12.75eV 的光子． (1)试问氢原子吸收光子后将被激发到哪个能级
(2)受激发的氢原子向低能级跃迁时，可发出哪几条谱线请将这些跃迁画在能级图上． 解：(1)2
eV
6.13eV 85.0eV 75.12eV 6.13n
-
=-=+- 解得 4=n 或者 )111(
2
2n Rhc E -=?
75
.
12
)
1
1.(
136
2
=
-
=
n
解出4
=
n
题15-12图题15-13图
(2)可发出谱线赖曼系3条，巴尔末系2条，帕邢系1条，共计6条.
15-13 以动能12.5eV 的电子通过碰撞使氢原子激发时，最高能激发到哪一能级当回到基态时能产生哪些谱线
解：设氢原子全部吸收eV
5.
12能量后，最高能激发到第n个能级，则
]
1
1[6.
13
5.
12
,
eV
6.
13
],
1
1
1
[
2
2
2
1
n
Rhc
n
Rhc
E
E
n
-
=
=
-
=
-
即
得5.3
=
n，只能取整数，
∴最高激发到3
=
n，当然也能激发到2
=
n的能级．于是
ο
3
2
2
ο
2
2
2
ο
7
7
1
2
2
1
A
6563
5
36
,
36
5
3
1
2
1
~:2
3
A
1216
3
4
,
4
3
2
1
1
1
~:1
2
A
1026
m
10
026
.1
10
097
.1
8
9
8
9
,
9
8
3
1
1
1
~:1
3
=
=
=
??
?
??
?
-
=
→
=
=
=
??
?
??
?
-
=
→
=
?
=
?
?
=
=
=
??
?
??
?
-
=
→
-
R
R
R
n
R
R
R
n
R
R
R
n
λ
υ
λ
υ
λ
υ
从
从
从
可以发出以上三条谱线．
题15-14图
15-14 处于基态的氢原子被外来单色光激发后发出巴尔末线系中只有两条谱线，试求这两
条谱线的波长及外来光的频率．
解：巴尔末系是由2>n 的高能级跃迁到2=n 的能级发出的谱线．只有二条谱线说明激发后最高能级是4=n 的激发态．
ο19
8
3424ο
10
198342
32
22324A 487210
6.1)85.04.3(1031063.6A
6573m 10
65731060.1)51.14.3(10331063.6e 4.326.13e 51.136.13e 85.046.13=??-???=-==?=??-????=
-=
∴
-=∴-==
-=-=-=-=-=-=-----E E hc E E hc E E hc E E hc
h V
E V E V E a m
n m n βλλλλ
υ 基态氢原子吸收一个光子υh 被激发到4=n 的能态 ∴ λ
υhc
E E h =
-=14
Hz 1008.310
626.6106.1)85.06.13(1534
19
14?=???-=-=--h E E υ 15-15 当基态氢原子被12.09eV 的光子激发后，其电子的轨道半径将增加多少倍
解： eV 09.12]1
1[6.132
1=-
=-n E E n 26
.1309.126.13n
=-
51
.16
.1309.12.1366.132=-=n , 3=n
12r n r n =,92=n ,19r r n =
轨道半径增加到9倍.
15-16德布罗意波的波函数与经典波的波函数的本质区别是什么
答：德布罗意波是概率波，波函数不表示实在的物理量在空间的波动，其振幅无实在的物理意义,2
φ仅表示粒子某时刻在空间的概率密度．
15-17 为使电子的德布罗意波长为1ο
A ，需要多大的加速电压
解： o
o A
1A 25.12==
u
λ 25.12=U
∴ 加速电压 150=U 伏
15-18 具有能量15eV 的光子，被氢原子中处于第一玻尔轨道的电子所吸收，形成一个
光电子．问此光电子远离质子时的速度为多大它的德布罗意波长是多少
解：使处于基态的电子电离所需能量为eV 6.13，因此，该电子远离质子时的动能为
eV 4.16.13152
112
=-=+==
E E mv E k φ 它的速度为
31
1910
11.9106.14.122--????==m E v k -1
5s m 100.7??= 其德布罗意波长为：
o 9
5
3134A 10.4m 1004.1100.71011.91063.6=?=????==---mv h λ
15-19 光子与电子的波长都是2.0ο
A ，它们的动量和总能量各为多少
解：由德布罗意关系：2
mc E =，λ
h
mv p =
=波长相同它们的动量相等．
1
-2410
34s m kg 103.310
0.21063.6???=??==---λh
p 光子的能量
eV 102.6J 109.9103103.3316824?=?=???===
=--pc hc
h λ
υε
电子的总能量 2202)()(c m cp E +=
,eV 102.63?=cp
而 eV 100.51MeV 51.06
20?==c m ∴ cp c m >>2
∴ MeV 51.0)()(202202==+=
c m c m cp E
15-20 已知中子的质量kg 1067.127n -?=m ，当中子的动能等于温度300K 的热平衡中子气体的平均动能时，其德布罗意波长为多少
解：kg 10
67.127
n -?=m ,S J 1063.634??=-h ,-123K J 1038.1??=-k
中子的平均动能 m
p KT E k 2232
==
德布罗意波长 o A 456.13==
=mkT
h
p h λ 15-21 一个质量为m 的粒子，约束在长度为L 的一维线段上．试根据测不准关系估算这个粒
子所具有的最小能量的值．
解：按测不准关系，h p x x ≥??，x x v m p ?=?，则
h v x m x ≥??,x
m h
v x ?≥
? 这粒子最小动能应满足
2
22222
min
22)(21)(21mL h x m h x m h m v m E x =?=?≥?= 15-22 从某激发能级向基态跃迁而产生的谱线波长为4000ο
A ，测得谱线宽度为10-4
ο
A ，求该激发能级的平均寿命．
解：光子的能量 λ
υhc
h E =
=
由于激发能级有一定的宽度E ?，造成谱线也有一定宽度λ?，两者之间的关系为：
λλ?=
?2
hc
E 由测不准关系，h t E ≥???，平均寿命t ?=τ，则
λ
λτ?=?=?=c E h t 2
s 103.510
10103)104000(8
10
48210----?=????=
15-23 一波长为3000ο
A 的光子，假定其波长的测量精度为百万分之一，求该光子位置的测不准量．
解： 光子λ
h
p =
，λλλλ?=
?-
=?2
2
h
h
p
由测不准关系，光子位置的不准确量为
cm 30A 10310
3000o 9
62=?=====-λ?λλ?λ??p h x
15-24波函数在空间各点的振幅同时增大D 倍，则粒子在空间分布的概率会发生什么变化
解：不变．因为波函数是计算粒子t 时刻空间各点出现概率的数学量．概率是相对值．则21、点的概率比值为：
2
2
212
2
21φφφφD D =
∴ 概率分布不变．
15-25 有一宽度为a 的一维无限深势阱，用测不准关系估算其中质量为m 的粒子的零点能．
解：位置不确定量为a x =?，由测不准关系：
h p x x ≥???，可得：x h P x ?≥
?,x
h
P P x x ?≥?≥ ∴2
2
2222)(22ma h x m h m P E x x =
?≥=，即零点能为222ma h ． 15-26 已知粒子在一维矩形无限深势阱中运动，其波函数为：
a
x
a
x 23cos
1)(πψ=
? )(a x a ≤≤- 那么，粒子在a x 6
5
=处出现的概率密度为多少
解： 2
2
*)23cos
1(a
x a
πψ
ψψ==
a
a a a a a a
a 21)21(14cos 1)4(cos 145cos 12653cos 122222===+===πππππ
15-27 粒子在一维无限深势阱中运动，其波函数为：
)sin(2)(a
x n a x n πψ=
)0(a x << 若粒子处于1=n 的状态，在0～a 4
1
区间发现粒子的概率是多少
解：x a
x a x w d sin 2d d 22
πψ== ∴ 在4
~
0a
区间发现粒子的概率为： ??
?===40
2024
4)(d sin 2d sin 2a a a
x a
a x a a x a x a dw p ππππ
091.0)(]2cos 1[212
4
/0
=-=
?
x a
d a x a π
ππ
15-28 宽度为a 的一维无限深势阱中粒子的波函数为x a
n A x π
ψsin )(=，求：(1)归一化系数A ；(2)在2=n 时何处发现粒子的概率最大
解：(1)归一化系数??
==+∞
∞
-a
x x 0
2
2
1d d ψψ
即
??=a
a x a
n x a n A n a x x a n A 0022
2)(d sin d sin ππππ ?-=a x a n x a n A n a 02
)(d )2cos 1(2πππ
12
222===A a
n A n a ππ ∴ =
A a
2
粒子的波函数 x a
n a x πψsin 2)(=
(2)当2=n 时， x a
a πψ2sin 22= 几率密度]4cos 1[12sin 222
2
x a
a x a a w ππψ-==
= 令0d d =x w ，即04sin 4=x a a ππ,即,04sin =x a
π， ,2,1,0,4==k k x a
ππ
∴ 4
a
k x =
又因a x <<0，4 ∴当4a x =和a x 43 =时w 有极大值， 当2 a x =时，0=w ． ∴极大值的地方为4a ，a 4 3 处 15-29 原子内电子的量子态由s l m m l n ,,,四个量子数表征．当l m l n ,,一定时，不同的量子态数目是多少当l n ,一定时，不同的量子态数目是多少当n 一定时，不同的量子态数目是多少 解：(1)2 )2 1(±=s m (2))12(2+l ，每个l 有12+l 个l m ，每个l m 可容纳2 1 ±=s m 的2个量子态． (3)2 2n 15-30求出能够占据一个d 分壳层的最大电子数，并写出这些电子的s l m m ,值． 解：d 分壳层的量子数2=l ，可容纳最大电子数为10)122(2)12(2=+?=+=l Z l 个，这些电子的： 0=l m ，1±，2±， 2 1± =s m 15-31 试描绘：原子中4=l 时，电子角动量L 在磁场中空间量子化的示意图，并写出L 在磁场 方向分量z L 的各种可能的值． 解： 20)14(4)1(=+=+=l l L 题15-31图 磁场为Z 方向， l Z m L =，0=l m ,1±，2±，3±，4±． ∴ )4,3,2,1,0,1,2,3,4(----=Z L 15-32写出以下各电子态的角动量的大小：(1)s 1态；(2)p 2态；(3)d 3态；(4)f 4态． 解： (1)0=L (2)1=l , 2)11(1=+=L (3)2=l 6)12(2=+= L (4)3=l 12)13(3=+=L 15-33 在元素周期表中为什么n 较小的壳层尚未填满而n 较大的壳层上就开始有电子填入对 这个问题我国科学工作者总结出怎样的规律按照这个规律说明s 4态应比d 3态先填入电子． 解：由于原子能级不仅与n 有关，还与l 有关，所以有些情况虽n 较大，但l 较小的壳层能级较低，所以先填入电子．我国科学工作者总结的规律：对于原子的外层电子，能级高低以)7.0(l n +确定，数值大的能级较高． s 4(即0,4==l n )，代入4)07.04()7.0(=?+=+l n )2,3(3==l n d ，代入4.4)27.03(=?+ s 4低于d 3能级，所以先填入s 4壳层． (薛定谔方程、一维无限深势阱、隧道效应、能量和角动量量子化、电子自旋、多电子原子) 一. 选择题 [ C ]1. （基础训练 10）氢原子中处于2p 状态的电子，描述其量子态的四个量子数(n ，l ，m l ，m s )可能取的值为 (A) (2，2，1，2 1 -)． (B) (2，0，0，21)． (C) (2，1，-1，2 1 -)． (D) (2，0，1，21)． ★提示：2p 电子对应的量子数n = 2; l = 1，只有答案（C ）满足。 [ C ]2. （基础训练11）在激光器中利用光学谐振腔 (A) 可提高激光束的方向性，而不能提高激光束的单色性． (B) 可提高激光束的单色性，而不能提高激光束的方向性． (C) 可同时提高激光束的方向性和单色性. (D) 既不能提高激光束的方向性也不能提高其单色性． [ D ]3. （自测提高7）直接证实了电子自旋存在的最早的实验之一是 (A) 康普顿实验． (B) 卢瑟福实验． (C) 戴维孙－革末实验． (D) 斯特恩－革拉赫实验． [ C ]4. （自测提高9）粒子在外力场中沿x 轴运动，如果它在力场中的势能分布如图19-6所示，对于能量为 E < U 0从左向右运动的粒子，若用 ρ1、ρ2、ρ3分别表示在x < 0，0 < x a 三个区域发现粒子的概率，则有 (A) ρ1 ≠ 0，ρ2 = ρ3 = 0． (B) ρ1 ≠ 0，ρ2 ≠ 0，ρ3 = 0． (C) ρ1 ≠ 0，ρ2 ≠ 0，ρ3 ≠ 0． (D) ρ1 = 0，ρ2 ≠ 0，ρ3 ≠ 0． ★提示：隧道效应。 二. 填空题 1. （基础训练17）在主量子数n =2，自旋磁量子数2 1 =s m 的量子态中，能够填充的最大电子数是___4___． ★提示：主量子数n =2的L 壳层上最多可容纳228n =个电子（电子组态为2622s p ），如 仅考虑自旋磁量子数2 1 =s m 的量子态，则能够填充的电子数为上述值的一半。 图 19-6 量子信息论简介 一、什么是量子信息论？ 近20年来，量子力学除了更深入地应用于物理学本身许多分支学科之外，还迅速广泛地应用到了化学、生物学、材料科学、信息科学等领域。量子理论这种广泛，深入应用的结果、极大地促进了这些学科的发展，从根本上改变了它们的面貌，形成了众多科学技术研究热点，产生了许多崭新的学科；与此同时，量子力学本身也得到了很大的丰富和发展。 热点之一就是已经诞生、正在形成和发展中的量子信息科学———量子通信和量子计算机，简称为量子信息论。它是将量子力学应用于现有电子信息科学技术而形成的交叉学科。量子信息论不但将以住的经典信息扩充为量子信息，而且直接利用微观体系的量子状态来表达量子信息。从而进入人为操控、存储和传输量子状态的崭阶段。 近10多年来，量子信息论从诞生到迅猛发展，显示出十分广阔的科学和技术应用前景。这种崭新的交叉结合已经并正在继续大量生長出许多科学技术研究热点，并逐渐形成一片新兴广阔的研究领域，不断取得引人瞩目的輝煌成就。 量子信息论的诞生和发展，在科学方面有着深远的意义。因为它反过来极大地丰富了量子理论本身的内容，并且有助于加深对量子理论的理解，突出暴露并可能加速解决量子理论本身存在的基础性问题。借助这一新兴交叉学科的实验技术，改造量子力学基础，加速变革现有时空观念，加深对定域因果律的认识也许是可能的。 量子信息论在技术方面也有着重大影响。因为它的发展前景是量子信息技朮（QIT）产业，它是更新换代目前庞大IT产业的婴儿，是推动IT产业更新换代的动力，指引IT技朮彻底变革的方向。在这方面大量、迅猛、有效的探索性研究正在逐步导致以下各色各样的新兴分支学科的诞生：量子比特和量子存储器的构造，人造可控量子微尺度结构，量子态的各类超空间传送，量子态的制备、存诸、调控与传送，量子编码及压缩、纠错与容错，量子中继站技朮，量子网络理论，量子计算机，量子算法等等。它们必将对国际民生和金融安全技朮以及国防技朮产生深刻的影响。 目前，一方面是寻求各色各样存取量子信息的载体———量子比特和量子信息处理器。相关的实验和理论研究正在蓬勃开展。实验中的量子信息载体，不仅包括自然的微观系统，更着重于形形色色的人造可控微尺度结构———也就是人造可控量子系统。在研制可控量子比特和量子存储器件时，必须考虑它们和传送环节的光场之间的可控耦合，以保证量子信息的有效写入和取出。这里最重要的是研究光场和人造原子系综的相互作用。 第二方面是关于量子信息的传送。量子通信是量子信息论领域中首先走向实用化的研究方向。目前量子通信主要以极化光子作为信息载体，釆用纠缠光子对作为传送的量子通道。量子通信可以分为光纤量子通信和自由空间量子通信两个方向。关于光纤量子通信方面，建立光纤量子通信局域网和延长光纤量子通信鉅离的时机已经到来。而利用纠缠光子实施自由空间量子通信，其最终目标是通过卫星实现全球化量子通信。量子通信要求长程、高品质、高強度的纠缠光源。这需要掌握包括纠缠纯化、纠缠交换与纠缠焊接的量子中继器技术。同时还需要展开各类量子编码(纠错码、避错码、防错码)研究，各类量子态超空间传送方式研究，进而逐步创立完善的量子网络理论。 第三方面是关于量子计算机。目前的经典计算机受到经典物理原理限制，己经接近其处理能力的极限。而由于量子态迭加原理和量子纠缠特性，量子计算机具有经典计算机无法比拟的、快速的、高保密的计算功能，所以，有必要研究量子计算机。制造量子计算机的核心任务是造出可控多位量子比特的量子信息处理器。这里的关键是寻求能够避免退相干、易于操控和规模化的多位量子比特。这正是制约量子计算机研制进度的主要困难。1994年，计算机专家Chair C.H.Bennett宣布，量子计算机的研制己进入工程阶段。根据近10年来各国量子计算机研制己报导的有关资料预计，量子计算机技术的长远发展，最终有赖于固体方案。关于量子计算机研制进度：乐观估计是到20l0年可以在硅片技朮基础上制造出10多位可控量子比特，从而造出简单的台式计算机; 较稳健的估计是可能在下一个l0年之內; 持悲观估计的人们有个比喻：现在不必做出发展量子计算机的“哈曼顿计划”，因为现在还没有发现“核裂变”。 二、国內外量子信息专业的发展状况 2006年9月1日～4日，来自世界21个国家和地区的近200名科技人员聚集在北京友谊宾馆，参加由中国科大量子信息国家重点实验室举办的亚洲量子信息科学会议。在这次会议中首次提出量子隐形传态思想、首次提出第一个量子密钥分配协议的IBM研究机构科学家Chair C.H.Bennett接受采访时说：“量子信息现在还是个婴儿！”但鉴于量子信息科学技术的巨大发展潜力，目前已受到各国政府、科技专家和公众的广泛关注。 １、国外量子信息的研究和进展： 国际上重要的西方国家（美、英、法、加拿大、以色列、日本、瑞典、奥地利、意大利、瑞士等），特别是美国和欧盟均投入大量人力物力于量子通讯和量子计算的理论和实验研究，量子信息已成为学术界的热门课题，其发展十分迅猛，参与研究的国家、机构和人员日益增多，有关国际会议连接不断。以美国为例，加州理工大学、MIT和南加州大学联合成立了量子信息和计算研究所，其长远目标就是 清华大学大学物理习题库：量子物理 一、选择题 1．4185：已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是1.2 eV ，而钠的红限波长是5400 ?，那么入射光的波长是 (A) 5350 ? (B) 5000 ? (C) 4350 ? (D) 3550 ? ［ ］ 2．4244：在均匀磁场B 内放置一极薄的金属片，其红限波长为??。今用单色光照射，发现有电子放出，有些放出的电子(质量为m ，电荷的绝对值为e )在垂直于磁场的平面内作半径为R 的圆周运动，那末此照射光光子的能量是： (A) 0λhc (B) 0λhc m eRB 2)(2+ (C) 0λhc m eRB + (D) 0λhc eRB 2+ ［ ］ 3．4383：用频率为??的单色光照射某种金属时，逸出光电子的最大动能为E K ；若改用 频率为2??的单色光照射此种金属时，则逸出光电子的最大动能为： (A) 2 E K (B) 2h ??- E K (C) h ??- E K (D) h ??+ E K ［ ］ 4．4737： 在康普顿效应实验中，若散射光波长是入射光波长的1.2倍，则散射光光子能量?与反冲电子动能E K 之比??/ E K 为 (A) 2 (B) 3 (C) 4 (D) 5 ［ ］ 5．4190：要使处于基态的氢原子受激发后能发射赖曼系(由激发态跃迁到基态发射的各谱线组成的谱线系)的最长波长的谱线，至少应向基态氢原子提供的能量是 (A) 1.5 eV (B) 3.4 eV (C) 10.2 eV (D) 13.6 eV ［ ］ 6．4197：由氢原子理论知，当大量氢原子处于n =3的激发态时，原子跃迁将发出： (A) 一种波长的光 (B) 两种波长的光 (C) 三种波长的光 (D) 连续光谱 ［ ］ 7．4748：已知氢原子从基态激发到某一定态所需能量为10.19 eV ，当氢原子从能量为－0.85 eV 的状态跃迁到上述定态时，所发射的光子的能量为 (A) 2.56 eV (B) 3.41 eV (C) 4.25 eV (D) 9.95 eV ［ ］ 8．4750：在气体放电管中，用能量为12.1 eV 的电子去轰击处于基态的氢原子，此时氢原子所能发射的光子的能量只能是 (A) 12.1 eV (B) 10.2 eV (C) 12.1 eV ，10.2 eV 和 1.9 eV (D) 12.1 eV ，10.2 eV 和 3.4 eV ［ ］ 9．4241： 若?粒子(电荷为2e )在磁感应强度为B 均匀磁场中沿半径为R 的圆形轨道运动，则?粒子的德布罗意波长是 (A) )2/(eRB h (B) )/(eRB h (C) )2/(1eRBh (D) )/(1eRBh ［ ］ 10．4770：如果两种不同质量的粒子，其德布罗意波长相同，则这两种粒子的 (A) 动量相同 (B) 能量相同 (C) 速度相同 (D) 动能相同 ［ ］ 量子信息学 20世纪前半叶，自然学科诞生了最具影响力的两门学科，量子力学和信息学。前者成为目前研究微观粒子运动规律离不开的理论基础，使人类对自然界的认识发生了里程碑的突破，它解释和预言了大量奇妙的物理现象，如微观粒子的波粒二象性、隧道效应和纠缠现象等等。利用量子力学原理，不仅解释了原子结构、化学键、超导现象、基本粒子的产生和湮灭等重要物理问题，而且也促成了现代微电子技术、激光技术和核能利用技术等的出现。而后者已明显地改变了人们的生产和生活方式，提高了工作效率和生活质量。20世纪末叶，它们交汇在一起，产生了一门新的交叉学科——量子信息学。 鉴于量子信息学研究与应用的巨大潜力，特别是关系到国家信息安全的重大问题，许多国家投入了大量人力物力开展相关方面的研究工作，促进了这一学科在诞生后的10多年时间内飞速发展。目前主要在以下几个方面开展研究。下面简单介绍两个方面。 纠缠理论的研究：在量子信息学中，量子态是信息的载体，量子信息的许多技术是建立在量子态纠缠的基础之上 的。因此，量子纠缠是量子信息学中最重要的研究课题，在理论和实验上均有重要意义。但遗憾的是，对此问题的研究还处于初级阶段。现在只有2×3量子系统纠缠的充要判断|，而对一般量子体系仅有充分性或必要性判据。对于不同纠缠态，其内部的关联程度也是不同的。如果量子态之间纠缠，那么就要掌握其纠缠的程度(即纠缠度)。纠缠度是系统各个部分之间纠缠程度的量度，理想的纠缠度应满足3个条件：①对任意量子态，纠缠度大于零；对正交直积态，纠缠度等于零；②在子系统的么正变换下纠缠度不变；③在局域操作和经典通信条件下纠缠度不能增加。对对多粒子多维纠缠态的纠缠性质研究是目前量子信息学最重要、最活跃的研究方向之一。 量子计算机设计和硬件研究：由于量子计算机具有很高的商业价值，所以研制量子计算机从一开始就是各个国家关注的一个研究重点。目前，关于量子计算机的可行性问题已经解决，IBM公司在实验室中已经研制出7位量子计算机原型系统。由于量子计算机的信息媒介是量子比特，因此对它的储存、处理、提取所使用的方法与设备和经典计算机相比是完全不同的。虽然利用核磁共振、离子阱等物理技术已实现了量子态的纠缠与储存，但总的来说量子器件实现技术还处于实验研究阶段。由于量子态储存过程中，量子系统不可 大学物理 量子物理基础知识点 1.黑体辐射 （1）黑体：在任何温度下都能把照射在其上所有频率的辐射全部吸收的物体。 （2）斯特藩—玻尔兹曼定律：4 o M T T σ（）= （3）维恩位移定律：m T b λ= 2.普朗克能量量子化假设 （1）普朗克能量子假设：电磁辐射的能量是由一份一份组成的，每一份的能量是：h εν= 其中h 为普朗克常数，其值为346.6310h J s -=?? （2）普朗克黑体辐射公式：2 5 21M T ( )1 hc kt hc e λπλλ =-（,） 3.光电效应和光的波粒二象性 （1）遏止电压a U 和光电子最大初动能的关系为：21 2 a mu eU = （2）光电效应方程： 21 2 h mu A ν= + （3）红限频率：恰能产生光电效应的入射光频率： 00V A K h ν= = （4）光的波粒二象性（爱因斯坦光子理论）：2mc h εν==；h p mc λ ==；00m = 其中0m 为光子的静止质量，m 为光子的动质量。 4.康普顿效应： 00(1cos )h m c λλλθ?=-= - 其中θ为散射角，0m 为光子的静止质量，1200 2.42610h m m c λ-= =?，0λ为康普顿波长。 5.氢原子光谱和玻尔的量子论： （1）里德伯公式: ()221 11 T T H R m n n m m n ν λ ==-=->（）()(), % （2）频率条件: k n kn E E h ν-= (3) 角动量量子化条件：, 1,2,3...e L m vr n n === 其中 2h π = ，称为约化普朗克常量，n 为主量子数。 （4）氢原子能量量子化公式： 122 13.6n E eV E n n =-=- 6.实物粒子的波粒二象性和不确定关系 （1）德布罗意关系式： h h p u λμ= = （2）不确定关系: 2 x p ??≥ ； 2 E t ??≥ 7.波函数和薛定谔方程 （1）波函数ψ应满足的标准化条件：单值、有限、连续。 （2）波函数的归一化条件: (,)(,)1V r t r t d ψψτ* =? （3）波函数的态叠加原理: 1122(,)(,)(,)...(,)i i i r t c r t c r t c r t ψψψψ=++= ∑ （4）薛定谔方程: 22(,)()(,)2i r t U r r t t ψψμ??? =-?+????? 8.电子自旋和原子的壳层结构 （1）电子自旋： 1,2 S s = = ；1, 2 z s s S m m ==± 注：自旋是一切微观粒子的基本属性. （2）原子中电子的壳层结构 ①原子核外电子可用四个量子数(,,,l s n l m m )描述： 主量子数：0,1,2,3,...n = 它主要决定原子中电子的能量。 角量子数：0,1,2,...1l n =- 它决定电子轨道角动量。 磁量子数：0,1,2,...l m l =±±± 它决定轨道角能量在外磁场方向上的分量。 自旋磁量子数：1 2 s m =± 它决定电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。 量子物理基础--习题 习题十五 15-1 将星球看做绝对黑体，利用维恩位移定律测量m λ便可求得T ．这是测量星球表面温度的方法之一．设测得：太阳的m 55.0m μλ=，北极星的 m 35.0m μλ=，天狼星的m 29.0m μλ=，试求这些星球的表面温度． 解：将这些星球看成绝对黑体，则按维恩位移定律： K m 10897.2,3??==-b b T m λ 对太阳： K 103.51055.010897.236 311 ?=??== --m b T λ 对北极星：K 103.81035.010897.236 322 ?=??== --m b T λ 对天狼星：K 100.110 29.010897.246 333 ?=??== --m b T λ 15-2 用辐射高温计测得炉壁小孔的辐射出射度(总辐射本领)为22.8W ·cm -2，求炉内温度． 解：炉壁小孔视为绝对黑体，其辐出度 242 m W 108.22cm W 8.22)(--??=?=T M B 按斯特藩-玻尔兹曼定律： =)(T M B 4T σ 41 8 44 )10 67.5108.22() (-??==σ T M T B K 1042.110)67 .58.22( 334 1?=?= 15-3 从铝中移出一个电子需要4.2 eV 的能量，今有波长为2000ο A 的光投射到铝表面．试问：(1)由此发射出来的光电子的最大动能是多少?(2)遏止电势差为多大?(3)铝的截止(红限)波长有多大? 解：(1)已知逸出功eV 2.4=A 据光电效应公式2 2 1m mv hv =A + 则光电子最大动能： A hc A h mv E m -=-== λ υ2max k 21 eV 0.2J 1023.310 6.12.41020001031063.61919 10 834=?=??-????=---- m 2 max k 2 1)2(mv E eU a = =Θ ∴遏止电势差 V 0.210 6.11023.319 19 =??=--a U (3)红限频率0υ,∴0 00,λυυc A h = =又 ∴截止波长 198 34010 60.12.41031063.6--?????==A hc λ m 0.296m 10 96.27 μ=?=- 15-4 在一定条件下，人眼视网膜能够对5个蓝绿光光子(m 105.0-7?=λ)产生光的感觉．此时视网膜上接收到光的能量为多少?如果每秒钟都能吸收5个这样的光子，则到 达眼睛的功率为多大? 解：5个兰绿光子的能量 J 1099.1100.51031063.65187 8 34---?=?????= ==λ υhc n nh E 功率 W 1099.118-?== t E 15-5 设太阳照射到地球上光的强度为8 J ·s -1 ·m -2 ，如果平均波长为5000ο A ，则每秒钟落到地面上1m 2的光子数量是多少?若人眼瞳孔直径为3mm ，每秒钟进入人眼的光子数是多少? 量子信息 量子信息是量子力学与信息科学的巧妙结合。而量子信息的内容主要包括量子计算机与量子通讯两个部分。下图[1]生动地展示了量子信息与量子力学、信息科学间的错综复杂又富有逻辑的关系。 图1 量子力学与信息科学间的联系 量子计算机（quantum computer）是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。不同于电子计算机（传统电脑），量子计算用来存储数据的对象是量子比特（quantum qubit），它使用量子算法来进行数据操作。实际上，现在的计算机技术已经接近量子极限,量子计算机是一个新的发展方向。量子计算机具有巨大的信息携载量，在量子机和经典机中n个比特都可以表示2"个数。但在某一时刻,经典计算机只能表示其中的一个，而量子计算机可以同时表示所有的数的线性叠加。量子物理资源只需要经典计算机的对数多，即若经典机的需要为N，量子机的需要为log&N；经典平行计算时，每个计算机都在作不同的计算，而量子计算机的一个相同操作完成了不同的计算任务。以上两点便是量子计算机最大的特点。 早在1969年，史蒂芬·威斯纳最早提出“基于量子力学的计算设备”。而关于“基于量子力学的信息处理”的最早文章则是由亚历山大·豪勒夫（1973）、帕帕拉维斯基（1975）、罗马·印戈登（1976）和尤里·马尼（1980）发表。史蒂芬·威斯纳的文章发表于1983年。1980年代一系列的研究使得量子计算机的理论变得丰富起来。1982年，理查德·费曼（Feynman）在一个著名的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的想法[3]。紧接着1985年大卫·杜斯（Deutsch）提出了量子图灵机模型[4]。人们研究量子计算机最初很 量子物理基础--习题 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN 习题十五 15-1 将星球看做绝对黑体，利用维恩位移定律测量m λ便可求得T ．这是测量星球表面温度的方法之一．设测得：太阳的m 55.0m μλ=，北极星的 m 35.0m μλ=，天狼星的m 29.0m μλ=，试求这些星球的表面温度． 解：将这些星球看成绝对黑体，则按维恩位移定律： K m 10897.2,3??==-b b T m λ 对太阳： K 103.51055.010897.236 311 ?=??== --m b T λ 对北极星：K 103.81035.010897.236 322 ?=??== --m b T λ 对天狼星：K 100.110 29.010897.246 333 ?=??== --m b T λ 15-2 用辐射高温计测得炉壁小孔的辐射出射度(总辐射本领)为22.8W ·cm -2，求炉内温度． 解：炉壁小孔视为绝对黑体，其辐出度 242 m W 108.22cm W 8.22)(--??=?=T M B 按斯特藩-玻尔兹曼定律： =)(T M B 4T σ 41 8 44 )1067.5108.22() (-??==σ T M T B K 1042.110)67 .58.22( 334 1?=?= 15-3 从铝中移出一个电子需要4.2 eV 的能量，今有波长为2000ο A 的光投射到铝表面．试问：(1)由此发射出来的光电子的最大动能是多少(2)遏止电势差为多大(3)铝的截止(红限)波长有多大 解：(1)已知逸出功eV 2.4=A 据光电效应公式2 2 1m mv hv =A + 则光电子最大动能： 《大学物理》作业 No .8量子力学基础 班级 ________ 学号 ________ 姓名 _________ 成绩 _______ 一、选择题：（注意：题目中可能有一个或几个答案正确。） 1. 静止质量不为零的微观粒子作高速运动，这时粒子物质波的波长λ与速度v 有如下关系： [ C ] (A) v ∝λ (B) v 1 ∝λ (C) 2211c v -∝ λ (D) 22v c -∝λ 解：由德布罗意公式和相对论质 — 速公式 2 201 1c v m mv h p -= == λ 得2 20 1 1c v m h - =λ，即2211c v -∝λ 2. 不确定关系式 ≥???x p x 表示在x 方向上 [ D ] (A) 粒子位置不能确定 (B) 粒子动量不能确定 (C) 粒子位置和动量都不能确定 (D) 粒子位置和动量不能同时确定 3. 将波函数在空间各点的振幅同时增大D 倍，则粒子在空间的分布概率将 [ D ] (A) 增大2 D 倍。 (B) 增大2D 倍。 (C) 增大D 倍。 (D) 不变。 4. 已知粒子在一维矩形无限深势阱中运动，其波函数为： )(23cos 1)(a x a a x a x ≤≤-= πψ 那么粒子在6 5a x =处出现的概率密度为 [ A ] a 21(A ) a 1 (B) a 21(C) a 1(D) 解：概率密度 )23(cos 1)(22 a x a x πψ= 将65a x =代入上式，得 a a a a x 21)6523(cos 1)(22=?=πψ 5. 波长 λ = 5000 ?的光沿x 轴正方向传播，若光的波长的不确定量?λ=103-?，则利用不确定关系h p x x ≥???可得光子的x 坐标的不确定量至少为： [ C ] (A) 25cm （B ）50cm (C) 250cm (D) 500cm 解：由公式p = λh 知： △322105000 -?-=?-=h h p λλ 利用不确定关系h p x x ≥???，可得光子的x 坐标满足 91025?=?≥ ?x p h x ?=250cm 二、填空题 1. 低速运动的质子和α粒子，若它们的德布罗意波长相同，则它们的动量之比=αP :p p 1:1 ；动能之比=αP :E E 4:1 。 解：由p = λ h 知，动量只与λ有关，所以1:1:αP =p p ； 由非相对论动能公式m p E 22 k =，且αp p p =，所以1:4:αP ==p m m E E α 2. 在B = 1.25×10 2 -T 的匀强磁场中沿半径为R =1.66cm 的圆轨道运动的α粒子的德布罗 意波长是 0.1 ? 。(普朗克常量h = 6.63×10-34J·s ,基本电荷e = 1.6×10-19 C) 解：由牛顿第二定律= evB 2R mv 2得eBR mv p 2==，又由λ h p =得 1.0(m)10998.010 66.11025.1106.121063.62112 21934 ≈?=???????===-----eBR h p h λ? 3. 若令c m h e c = λ (称为电子的康普顿波长，其中m e 为电子静止质量，c 为光速，h 为普 量子物理基础 17.1 夜间地面降温主要是由于地面的热辐 射。如果晴天夜里地面温度为-5° C ，按黑体辐射计算，每平方米地面失去热量的速率多大？ 解：每平方米地面失去热量的速率即地面的辐射出射度 2 4 8 4 W /m 29226810 67.5=??==-T M σ 17.2 在地球表面，太阳光的强度是1.0?103W/m 2。地球轨道半径以1.5?108 km 计，太阳半径以7.0?108 m 计，并视太阳为黑体，试估算太阳表面的温度。 解： 4 22 44T R I R M S E σππ== K 103.510 67.5)107.6(100.1)105.1(3 4 8 2 8 32 11 4 2 2 ?=??????= = -σ S E R I R T 17.3宇宙大爆炸遗留在宇宙空间的均匀背景辐射相当于3K 黑体辐射．求： （1）此辐射的单色辐射强度在什么波长下有极大值？ （2）地球表面接收此辐射的功率是多少？ [解答]（1）根据公式λm T = b ，可得辐射的极值波长为 λm = b/T = 2.897×10-3/3 = 9.66×10-4(m)． （2）地球的半径约为R = 6.371×106m ， 表面积为 S = 4πR 2． 根据公式：黑体表面在单位时间，单位面积上辐射的能量为 M = σT 4 ， 因此地球表面接收此辐射的功率是 P = MS = 5.67×10-8 ×34 ×4π(6.371×106)2 = 2.34×109(W)． 17.4 铝的逸出功是eV 2.4，今有波长nm 200=λ的光照射铝表面，求： （1）光电子的最大动能； （2）截止电压； （3）铝的红限波长。 解：（1） A c h A h E k -=-=λ ν eV 0.22.410 6.110 20010 31063.619 9834 =-??????= --- （2）V 0.21/0.2/===e E U k c （3）A hc c = = 0νλ nm 296m 1096.210 6.12.410 310 63.67 19 8 34 =?=?????= --- 17.5 康普顿散射中入射X 射线的波长是λ = 0.70×10-10m ，散射的X 射线与入射的X 射线垂直．求： （1）反冲电子的动能E K ； （2）散射X 射线的波长； （3）反冲电子的运动方向与入射X 射线间的夹角θ． [解答]（1）（2）根据康普顿散射公式得波长变化为 2 12 2 2sin 2 2.42610 sin 2 4 ? π λΛ-?==?? = 2.426×10-12 (m)， 散射线的波长为 λ` = λ + Δλ = 0.72426×10-10(m)． 反冲电子的动能为 ` k hc hc E λ λ= - 34 8 34 8 10 10 6.6310 310 6.6310 310 0.710 0.7242610 ----??????= - ?? = 9.52×10-17(J)． （3）由于 /`tan /` hc hc λλθλ λ== ， 0.70.96650.72426 = =， 所以夹角为θ = 44°1`． 大学物理量子物理基础知识点 1.黑体辐射 （1）黑体：在任何温度下都能把照射在其上所有频率的辐射全部吸收的物体。 （2）斯特藩—玻尔兹曼定律：4 o M T T σ（）= （3）维恩位移定律：m T b λ= 2.普朗克能量量子化假设 （1）普朗克能量子假设：电磁辐射的能量是由一份一份组成的，每一份的能量是： h εν= 其中h 为普朗克常数，其值为346.6310h J s -=?? （2）普朗克黑体辐射公式：2 5 21 M T ( )1 hc kt hc e λπλλ =-（,） 3.光电效应和光的波粒二象性 （1）遏止电压a U 和光电子最大初动能的关系为：21 2 a mu eU = （2）光电效应方程： 21 2 h mu A ν= + （3）红限频率：恰能产生光电效应的入射光频率： 00V A K h ν= = （4）光的波粒二象性（爱因斯坦光子理论）：2 mc h εν==；h p mc λ ==；00m = 其中0m 为光子的静止质量，m 为光子的动质量。 4.康普顿效应： 00(1cos )h m c λλλθ?=-= - 其中θ为散射角，0m 为光子的静止质量，1200 2.42610h m m c λ-= =?，0λ为康普顿波长。 5.氢原子光谱和玻尔的量子论： （1）里德伯公式: ()221 11 T T H R m n n m m n ν λ ==-=->（）()(), % （2）频率条件: k n kn E E h ν-= (3) 角动量量子化条件：, 1,2,3...e L m vr n n === 其中2h π = ，称为约化普朗克常量，n 为主量子数。 （4）氢原子能量量子化公式： 12213.6n E eV E n n =-=- 6.实物粒子的波粒二象性和不确定关系 （1）德布罗意关系式： h h p u λμ= = （2）不确定关系: 2x p ??≥ ； 2 E t ??≥ 7.波函数和薛定谔方程 （1）波函数ψ应满足的标准化条件：单值、有限、连续。 （2）波函数的归一化条件: (,)(,)1V r t r t d ψψτ*=? （3）波函数的态叠加原理: 1122(,)(,)(,)...(,)i i i r t c r t c r t c r t ψψψψ=++=∑ （4）薛定谔方程: 22(,)()(,)2i r t U r r t t ψψμ???=-?+????? 8.电子自旋和原子的壳层结构 （1）电子自旋： 1 ,2 S s = = ；1, 2 z s s S m m ==± 注：自旋是一切微观粒子的基本属性. （2）原子中电子的壳层结构 ①原子核外电子可用四个量子数(,,,l s n l m m )描述： 主量子数：0,1,2,3,...n = 它主要决定原子中电子的能量。 角量子数：0,1,2,...1l n =- 它决定电子轨道角动量。 磁量子数：0,1,2,...l m l =±±± 它决定轨道角能量在外磁场方向上的分量。 自旋磁量子数：1 2 s m =± 它决定电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。 ②在多电子原子中，决定电子所处状态的准则是泡利不相容原理和能量最低原理。 9．X 射线的发射和发射谱 （1）X 射线谱是由两部分构成的，即连续谱和线状谱（也称标识谱）。 （2）连续谱是由高速电子受到靶的制动产生的韧致辐射；线状谱是由高速电子的轰击而使靶原子内层出现空位、外层电子向该空位跃迁所产生的辐射。 量子力学基础 部门： xxx 时间： xxx 整理范文，仅供参考，可下载自行编辑 第一章量子力学基础 一、教案目的： 通过本章学习，掌握微观粒子运动的特征、量子力学的基本假设，并初步学习运用薛定谔方程去分析和计算势箱中粒子运动的有关问题:b5E2RGbCAP 二、教案内容： 1、微观粒子的运动特征 黑体辐射和能量量子化；光电效应和光子学说；实物粒子的波粒二相性；不确定关系； 2、量子力学基本假设 波函数和微观粒子的状态；物理量和算符；本征态、本征值和薛定谔方程；态叠加原理；泡利原理； 3、箱中粒子的薛定谔方程及其解 三、教案重点 微观粒子运动的特征、量子力学的基本假设 四、教案难点： 量子力学的基本假设 五、教案方法及手段 课堂教案 六、课时分配： 微观粒子的运动特征 2学时 量子力学基本假设 4学时 箱中粒子的薛定谔方程及其解 2学时 七、课外作业 课本p20～21 八、自学内容 1-1微观粒子的运动特征 1900年以前，物理学的发展处于经典物理学阶段<由Newton的经典力学，Maxwell的的电磁场理论，Gibbs的热力学和Boltzmann的统计物理学），这些理论构成一个相当完善的体系，对当时常见的物理现象都可以从中得到说明。p1EanqFDPw 在经典物理学取得上述成就的同时，通过实验又发现了一些新现象，它们是经典物理学无法解释的。如黑体辐射、光电效应、电子波性等实验现象，说明微观粒子具有其不同于宏观物体的运动特征。DXDiTa9E3d 电子、原子、分子和光子等微观粒子，它们表现的行为在一些场合显示粒性，在另一些场合又显示波性，即具有波粒二象性的运动特征。人们对这种波粒二象性的认识是和本世纪物理学的发展密切联系的，是二十世纪初期二十多年自然科学发展的集中体现。RTCrpUDGiT 1.1.1黑体辐射和能量量子化——普朗克< planck）的量子假 说：量子说的起源 黑体是一种能全部吸收照射到它上面的各种波长的光，同时也能在同样条件下发射最大量各种波长光的物体。 带有一个微孔的空心金属球，非常接近于黑体，进入金属球小孔的辐射，经过多次吸收、反射，使射入的辐射全部被吸收。当空腔受热时，空腔壁会发出辐射，极小部分通过小孔逸出。5PCzVD7HxA 17-1 在加热黑体过程中，其单色辐出度的峰值波长是由μm 69.0变化到μm 50.0，求总辐出度改变为原来的多少倍？ 解：由 4 )(T T M B σ=，b T m =λ 得 63.3)5 .069.0()()()(4 42112===m m B B T M T M λλ 17-2 解：（1）m 10898.210 10898.2107 3 --?=?==T b m λ （2）J 1086.610 898.210310 63.616 10834 ---?=????===λ νc h h E 17-3 解：（1）4 )(T T M B σ=，K 17001067.5001 .0/6.473) (4 8 4 =?== -σ T M T B （2）m 1070.11700 10898.263 --?=?= =T b m λ （3） 162)()()(441212===T T T M T M B B ，2612W/m 10578.7001 .06.47316)(16)(?=?==T M T M B B 17-4 钾的光电效应红限波长为μm 62.00=λ。求：(1)钾的逸出功；(2)在波长nm 330=λ的紫外光照射下，钾的截止电压。 解：（1）eV 2J 1021.310 62.010310 63.61968 34 0=?=????===---λνc h h A （2）A h mv eU a -== ν2 2 1 V 76.11060.11021.31033010310 63.619 199 834 =??-????= -= -=----e A c h e A h U a λ ν 17-5 铝的逸出功为eV 2.4。今用波长为nm 200的紫外光照射到铝表面上，发射的光电子的最大初动能为多少？截止电压为多大？铝的红限波长是多大？ 解：（1）eV 2J 1023.3106.12.410 2001031063.62119 199 8342≈?=??-????=-=-=----A c h A h mv λν （2）221mv eU a = ，V 2eV 2==e U a （3）Hz 10014.110 63.6106.12.41534190?=???==--h A ν No.6 量子物理 （运输） 一 选择题 1. 已知某单色光照射到一金属表面产生了光电效应，若此金属的逸出电势是U 0（使电子从金属逸出需做功eU 0），则此单色光的波长λ必须满足 （A ）λ≤ 0eU hc （B ）λ≥0 eU hc （C ）λ≤hc eU 0 （D ）λ≥hc eU 0 [ A ] 2. 光子能量为 0.5 MeV 的X 射线，入射到某种物质上而发生康普顿散射．若反冲电子的动能为 0.1 MeV ，则散射光波长的改变量?λ与入射光波长λ0之比值为 （A ） 0.20． (B) 0.25． (C) 0.30． (D) 0.35． ［ B ］ 3．氢原子从能量为－0.85eV 的状态跃迁到激发能（从基态到激发态所需的能量）为－10.19eV 的状态时，所发射的光子的能量为 （A ）2.56 eV （B ）3.41 eV （C ）4.26 eV （D ）9.34 eV [ A ] 4. 若α粒子(电荷为2e )在磁感应强度为B 均匀磁场中沿半径为R 的圆形轨道运动，则α粒子的德布罗意波长是 (A) )2/(eRB h ． (B) )/(eRB h ． (C) )2/(1eRBh ． (D) )/(1eRBh ． ［ A ］ 5. 关于不确定关系 ≥??x p x ()2/(π=h )，有以下几种理解： (1) 粒子的动量不可能确定． (2) 粒子的坐标不可能确定． (3) 粒子的动量和坐标不可能同时准确地确定． (4) 不确定关系不仅适用于电子和光子，也适用于其它粒子． 其中正确的是： (A) (1)，(2). (B) (2)，(4). (C) (3)，(4). (D) (4)，(1). ［ C ］ 6．描述氢原子中处于2p 状态的电子的量子态的四个量子数（n ，l ，m l ，m s ）可能取值为 （A ）（3，2，1，－21） （B ）（2，0，0，21 ） （C ）（2，1，－1，－21） （D ）（1，0，0，2 1 ） 关键词:量子通信安全性中国发展 摘要:用国际顶级量子专家王肇中教授的话说，量子通信就是单模光纤两端加上能代替常用光模块功能的、光量子态的发送和接收设备，实现基于物理加密的保密通信。 量子通信技术基于量子物理学的基本原理，克服了经典加密技术内在的安全隐患，是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式。为了拓展应用、与现有通信系统兼容以及大量减少成本，需对点对点的通信方式进行组网并充分利用经典通信设施。与此同时，量子克隆技术的出现也使得我们开始重新审视量子通信的安全性问题。量子通信是相对最安全的，但任何事情都不是绝对的，有矛就有盾。一方面有“量子非克隆原理”，另一方面有实现近似量子克隆的“量子克隆机”。怎样可靠地评估安全性？怎样进行攻击？是值得研讨的问题。在不久的将来，量子通信与经典通信的融合发展将会带来通信世界的新纪元。 例如一个量子态可以同时表示0和1两个数字，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：0~127。光量子通信的这样一次传输，就相当于经典通信方式的128次。可以想象如果传输带宽是64位或者更高，那么效率之差将是惊人的2，以及更高。 1. 欧洲联合了来自12个欧盟国家的41个伙伴小组成立了SECOQC量子通信网络[8][9]。并于2008年10月在维也纳现场演示了一个基于商业网络的安全量子通信系统。该系统集成了多种量子密码手段，包含6个节点。其组网方式为在每个节点使用多个不同类型量子密钥分发的收发系统并利用可信中继进行联网。 息量子通信验证网”在北京开通，在世界上首次将量子通信技术应用于金融信息安全传输。 2014年11月15日，团队研发的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里，刷新世界纪录。 2. 应用与用途 潘建伟教授指出，量子通信技术的实际应用将分三步走：一是通过光纤实现城域量子通信网络；二是通过量子中继器实现城际量子通信网络；三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域量子通信网络。 对市场角度来说，互联网本质上是一个不安全的网络，而量子通信在理论上的绝对保密特征，已经得到物理定理的证明，很显然在军事、国防、金融等领域有着广阔的应用前景。在大众商业市场，随着技术成熟，量子通信也将具有极大的发展潜力。 3.量子通信技术的发展趋势 4.不足 但量子通信本身，仍然处在研究阶段，还远远没有达到大规模商用化的水平，实用的量子通信网络其保密的绝对性还有待商榷。 量子通信面临四项难点：可扩展、强抗毁、广覆盖、立体化 子密钥分发在未来推广应用方面面临两大挑战：融合性和安全性。量子通信从量子力学的 15. 量子物理 班级 学号 姓名 成绩 一、选择题 1.黑体辐射、光电效应及康普顿效应皆突出表明了光的 (A)波动性； (B)粒子性； (C)单色性； (D)偏振性。 （ B ） 解：黑体辐射、光电效应及康普顿效应皆突出表明了光的粒子性。 2.已知某金属中电子逸出功为eV 0，当用一种单色光照射该金属表面时，可产生光电效应。则该光的波长应满足： (A))/(0eV hc λ≤； (B) )/(0eV hc λ≥； (C))/(0hc eV λ≤； (D) )/(0hc eV λ≥。（ A ） 解：某金属中电子逸出功 0000000 eV c ch W h eV h eV ννλλ==?==?= 产生光电效应的条件是 000 ch eV ννλλ≥?≤= 3.康普顿效应说明在光和微观粒子的相互作用过程中，以下定律严格适用 (A)动量守恒、动能守恒； (B)牛顿定律、动能定律； (C)动能守恒、机械能守恒； (D)动量守恒、能量守恒。 （ D ） 解：康普顿效应说明在光和微观粒子的相互作用过程中，动量守恒、能量守恒严格适用。 4.某可见光波长为550.0nm ，若电子的德布罗依波长为该值时，其非相对论动能为： (A)5.00×10-6eV; (B)7.98×10-25eV; (C)1.28×10-4eV; (D)6.63×10-5eV 。 （ A ） 解：根据h p h p λλ=?=，c <第十三章 量子力学基础2作业答案
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