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第十七章 波粒二象性,材料鉴赏：19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的 Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声-等都遵循的规律-能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。,1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:,“科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”(开尔文),但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，”,这两朵乌云是指什么呢？,黑体辐射实验,迈克尔逊-莫雷实验,后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。,普朗克量子力学的诞生,相对论问世,这两朵乌云到底是什么回事呢？,量子力学,相对论,微观领域,高速领域,经典力学,思考与讨论1:在火炉旁边有什么感觉?投在炉中的铁块开始是什么颜色？过一会又是什么颜色？,例如，铁块随着温度升高：现象：表明：铁块辐射电磁波,不发光,暗红,赤红,橘红,黄白色,1.一切物体，在任何温度下都在辐射各种波长的电磁波，这种辐射与物体的温度有关,故称为热辐射。热辐射辐射电磁波的特性与温度有关。,一、热辐射,但是强度不同。,热辐射强度按波长(频率)的分布和温度有关，,高温物体发出的是紫外光。,炽热物体发出的是可见光，,低温物体发出的是红外光，,温度 短波长的电磁波的比例。,2.任何物体（气、液、固）在任何温度下，,都会有热辐射。,热辐射波谱是连续谱，,各种波长(频率)都有，,3、平衡热辐射 加热一物体 物体的温度恒定时,物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量,这时得到的辐射称为平衡热辐射,冶金工业的发展及对恒星研究的需要促进了对黑体辐射的研究,不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。,二.黑体及黑体辐射 1.理想的热辐射体是“绝对黑体”，简称“黑体”，它能完全吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射.,2.黑体模型,带小孔的不透明空腔带小洞的炼钢炉,向远处观察打开的窗子近似黑体,平衡态时 黑体辐射只依赖于物体的温度,与构成黑体的材料 形状无关,3.说明：黑体是个理想化的模型。例：开小洞的炼钢炉，远处的窗口等可近似看作黑体。对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关，但黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。,三、黑体辐射的实验规律 研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。1、测量黑体辐射的实验原理图：加热空腔使其温度升高，空腔就成了不同温度下的黑体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。,0 1 2 3 4 5 6,(m),1700K,1500K,1300K,1100K,辐射强度:单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。,2、黑体辐射实验规律,辐射强度,发现：随温度的升高各种波长的辐射强度都在增加；辐射强度的最大值向短波方向移动,3、经典物理学所遇到的困难解释实验曲线一朵令人不安的乌云,1）维恩的半经验公式：短波符合；长波不符合2）瑞利-金斯公式：长波符合；短波荒唐-紫外灾难,普朗克能量子假说 辐射物体中包含大量振动着的带电微粒，它们的能量是某一最小能量的整数倍 E=n n=1,2,叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数能量量子化 谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量 对于频率为 的谐振子，最小能量为：=h,h=6.62610-34Js 普朗克常量,四、能量子：超越牛顿的发现,辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：1，2，3，.n。n为正整数，称为量子数。,能量,1900年12月14日普朗克在德国物理学会上报告了自己的研究结果，他的公式受到欢迎，但他的能量子假说，却受到冷遇，当时没有人相信他的假说。能量子假说的提出，给经典物理学打开了一个缺口，为量子物理学安放了一块奠基石，宣告量子物理学的诞生。,意义：（阅读书本p29）Planck抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。,黑体辐射公式：1900年10月19日，普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式,M.Planck 德国人 18581947,(m),9,4,7,普朗克,实验值,1,2,3,5,6,8,普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信 h 的引入确实反映了新理论的本质。1918年他荣获诺贝尔物理学奖。他的墓碑上只刻着他的姓名和,【例1】下列叙述正确的是（）A一切物体都在辐射电磁波 B一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关 C黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关 D黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波,ACD,【例2】炼钢工人通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉内的温度，这是根据什么道理?答案 根据热辐射的规律可知，当物体的温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强，可见光所占份额增大，温度越高红光成分减少，频率比红光大的其他颜色的光，为橙、黄、绿、蓝、紫等光的成分就增多。因此可根据炉内光的颜色大致估计炉内的温度,【例3】对应于3.4l0-l9J的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？它是什么颜色？,解析 根据公式=h和=c/得=/h=5.131014Hz=c/=5.8510-7Hz 5.1310-14Hz的频率属于黄光的频率范围，它是黄光，其波长为5.85l07m。,黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，为人类解决了一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就此平息了吗？物理难题：1888年，霍瓦(Hallwachs)发现一个带负电的金属板被紫外光照射会放电。近10年以后，1897年，J.Thomson发现了电子，此时，人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子(photoelectron)，相应的效应叫做光电效应。人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？,问题:既然灯向外辐射的光能是分立的，一份份的。为何我们看不到灯的亮度发生变化？,结论：1、在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的,能量变化是连续的,不必考虑量子化2、在研究微观粒子时必需考虑能量量子化,问题与结论,普朗克理论:能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。能量是h 的整数倍。,每份能量为:E=h,1900年12月14日，普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文，宣告了量子的诞生。那一年他42岁。普朗克把能量子引入物理学,正确地破除了”能量连续变化”的传统观念,成为现代物理学思想的基石之一,为我们打开了量子之门,就在1900年，一个名叫爱因斯坦(Albert Einstein)的青年从苏黎世联邦工业大学(ETH)毕业，正在为将来的生活发愁。5年后他受量子化启发提出了光量子,成功的解释了光电效应.,能量量子化:物理学的新纪元,就在那一年,在丹麦，15岁的玻尔(Niels Bohr)正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动的性格。学习方面，他在数学和科学方面显示出了非凡的天才，但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全校有名。13年后他提出了原子轨道量子化.德布罗意(Louis de Broglie)当时8岁，还正在家里接受良好的幼年教育。后来他提出了物质波.再过12个月，维尔兹堡(Wurzberg)的一位著名希腊文学教授就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海森堡(Werner Karl Heisenberg)呱呱坠地。以上人物都将在我们的课文中出现.请同学们记住他们的名字.,能量量子化:物理学的新纪元,能量的变化竟然是不连续的，这与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”的原则直接矛盾，因此量子论出现之后，许多物理学家不予接受。量子论的出现，物理学界最初的反应是极其冷淡的。人们只承认普朗克那个同实验一致的经验性的辐射公式，而不承认他的理论性的量子假说。,遗憾的是，普朗克虽然发现了能量子，但他不能理解这一发现的意义，对自己的发现长期惴惴不安。在发现能量子之后的长达年时间，他总想退回到经典物理学的立场。他曾在散步时对儿子说：“我现在做的事情，要么毫无意义，要么可能成为牛顿以后物理学上最大的发现。”,普朗克在做出量子假说时已年过四十。他受过严格的经典物理学训练，对经典物理学十分熟悉和热爱。他不愿意同经典物理学决裂，只是迫于事实的压力，才不得不做出能量子的假说。他的能量子假说是不彻底的，他的理论还是以承认电磁波本身的连续性为基础的。他把自己的量子假说仅仅局限于振子对电磁波的吸收和发射的特殊性上。,年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了光电效应；年，他又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功；年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了经典理论解释原子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展；年，康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性，从而使量子理论得到科学界的普遍承认。,