第一節(jié)能量量子化物理學(xué)的新紀(jì)元

1、第一節(jié)第一節(jié) 能量量子化能量量子化 物理學(xué)的新紀(jì)元物理學(xué)的新紀(jì)元 19世紀(jì)末頁，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都世紀(jì)末頁，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面不取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個(gè)能推斷一切電磁現(xiàn)象的面，建立了一個(gè)能推斷一切電磁現(xiàn)象的 Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、方程。另外還找到了力、電、光、聲聲-等都遵循的規(guī)律等都遵循的規(guī)律-能量轉(zhuǎn)化與守恒能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都沉醉于這些定律。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)

2、家都沉醉于這些成績(jī)和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)成績(jī)和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。發(fā)展到頭了。 1900年，在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年慶祝會(huì)上年，在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年慶祝會(huì)上,著名物理學(xué)家開爾文著名物理學(xué)家開爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言: “科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。的修補(bǔ)工作就行了?！?-開爾文開爾文-也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)只要把做過的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3、的小數(shù)點(diǎn)后面在加幾位罷了！后面在加幾位罷了！ 但開爾文畢竟是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，但開爾文畢竟是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：就在上面提到的文章中他還講到： “但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，人不安的烏云，-”這兩朵烏云是指什么呢？這兩朵烏云是指什么呢？一朵與黑體輻射有關(guān)，一朵與黑體輻射有關(guān)，另一朵與邁克爾遜實(shí)驗(yàn)有關(guān)。另一朵與邁克爾遜實(shí)驗(yàn)有關(guān)。然而然而, 事隔不到一年事隔不到一年(1900年底年底)，就從，就從第第一朵烏云中降生了量子論一朵烏云中降生了量子論，緊接著，緊接著(1905年年)從第二

4、朵烏云中降生了相對(duì)論。從第二朵烏云中降生了相對(duì)論。經(jīng)典物理學(xué)的大廈被徹底動(dòng)搖，物理學(xué)經(jīng)典物理學(xué)的大廈被徹底動(dòng)搖，物理學(xué)發(fā)展到了一個(gè)更為遼闊的領(lǐng)域。正可謂發(fā)展到了一個(gè)更為遼闊的領(lǐng)域。正可謂“山重水復(fù)疑無路山重水復(fù)疑無路, 柳暗花明又一村柳暗花明又一村 固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長(zhǎng)固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征與溫度有關(guān)。特征與溫度有關(guān)。固體在溫度升高時(shí)顏色的變化固體在溫度升高時(shí)顏色的變化1400K

5、800K1000K1200K1. 1. 熱輻射現(xiàn)象熱輻射現(xiàn)象黑體與黑體與 黑體輻射黑體輻射一、一、 熱輻射及其特點(diǎn)熱輻射及其特點(diǎn)1. 熱輻射熱輻射由于分子熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致物體輻射電磁波由于分子熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致物體輻射電磁波溫度不同時(shí)溫度不同時(shí) 輻射的波長(zhǎng)分布不同輻射的波長(zhǎng)分布不同 例如：鐵塊例如：鐵塊 溫度溫度 從從看不出發(fā)光看不出發(fā)光到到暗紅暗紅到到橙色橙色到到黃白色黃白色這種與溫度有關(guān)這種與溫度有關(guān)的的輻射輻射 稱為稱為熱輻射熱輻射熱輻射熱輻射 - - 熱能轉(zhuǎn)化為電磁能的過程熱能轉(zhuǎn)化為電磁能的過程2. 對(duì)熱輻射的初步認(rèn)識(shí)對(duì)熱輻射的初步認(rèn)識(shí)任何物體任何溫度均存在熱輻射任何物體任何溫度均存在熱輻射溫度溫度

6、 發(fā)射的能量發(fā)射的能量 電磁波的短波成分電磁波的短波成分 如一個(gè)如一個(gè)20瓦的白熾燈和一個(gè)瓦的白熾燈和一個(gè)200瓦的白熾燈瓦的白熾燈昏黃色昏黃色賊亮賊亮 刺眼刺眼直覺直覺: : 低溫物體發(fā)出的是低溫物體發(fā)出的是紅外光紅外光 熾熱物體發(fā)出的是熾熱物體發(fā)出的是可見光可見光 高溫物體發(fā)出的是高溫物體發(fā)出的是紫外光紫外光注意：注意： 熱輻射與溫度有關(guān)熱輻射與溫度有關(guān) 激光激光 日光燈發(fā)光不是熱輻射日光燈發(fā)光不是熱輻射二、平衡熱輻射二、平衡熱輻射 加熱一物體加熱一物體 物體的溫度恒定時(shí)物體的溫度恒定時(shí)物體所吸收的能量等于在同一物體所吸收的能量等于在同一時(shí)間內(nèi)輻射的能量時(shí)間內(nèi)輻射的能量這時(shí)得到的輻射稱為平

7、衡熱輻射這時(shí)得到的輻射稱為平衡熱輻射能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生反射，能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體。簡(jiǎn)稱折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體。簡(jiǎn)稱黑體黑體2. 2. 黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律 不透明的材料制成帶小孔的的空腔不透明的材料制成帶小孔的的空腔, ,可近似看可近似看作作黑體黑體。黑體模型黑體模型 研究黑體輻射的研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。黑體模型黑體模型空腔上的小孔空腔上的小孔煉鋼爐上的小洞煉鋼爐上的小洞向遠(yuǎn)處觀察打開向遠(yuǎn)處觀察打開的窗子的窗子近似黑體近似黑體平衡態(tài)時(shí)平衡態(tài)時(shí) 黑體輻

8、射只依賴于黑體輻射只依賴于物體的溫度物體的溫度,與構(gòu)成黑體的材料與構(gòu)成黑體的材料 形狀無關(guān)形狀無關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置T平行光管平行光管三棱鏡三棱鏡T0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K),(0Te 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果o實(shí)驗(yàn)值/m)(0TM維恩線維恩線瑞利瑞利-金斯線金斯線紫紫外外災(zāi)災(zāi)難難普普朗朗克克線線12345678黑體輻射實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)晴朗天空中黑體輻射實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)晴朗天空中 一朵令人不安的烏云。一朵令人不安的烏云。3.3.能量子假說能量子假說：輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但作諧振子，這些諧

9、振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量（稱為（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：能量子）的整數(shù)倍，即：, 1, 1, 2, 2, 3, 3, , . . n n. . n n為正整數(shù)，稱為為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。量子數(shù)。 對(duì)于頻率為對(duì)于頻率為的諧振子最小能量為的諧振子最小能量為能量能量量子量子經(jīng)典經(jīng)典h(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值),(0

10、Te 普朗克的能量子假說和黑體輻射公式普朗克的能量子假說和黑體輻射公式1.黑體輻射公式黑體輻射公式1900.10.19 普朗克在德國(guó)普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上提出一個(gè)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上提出一個(gè)黑體輻射公式黑體輻射公式12)(/32kThechTMsJ1055. 634hM.Planck 德國(guó)人德國(guó)人 18581947 普朗克后來又為這種與經(jīng)典物理格格不入普朗克后來又為這種與經(jīng)典物理格格不入的觀念深感不安，只是在經(jīng)過十多年的努力的觀念深感不安，只是在經(jīng)過十多年的努力證明任何復(fù)歸于經(jīng)典物理的企圖都以失敗而證明任何復(fù)歸于經(jīng)典物理的企圖都以失敗而告終之后，他才堅(jiān)定地相信告終之后，他才堅(jiān)定地相信h的引入確實(shí)

11、反的引入確實(shí)反映了新理論的本質(zhì)。映了新理論的本質(zhì)。 1918年他榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年他榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 他的墓碑上只刻著他的姓名和他的墓碑上只刻著他的姓名和秒焦3410626. 6h 黑體輻射的研究卓有成效地展現(xiàn)黑體輻射的研究卓有成效地展現(xiàn)在人們的眼前，在人們的眼前，紫外災(zāi)難的疑點(diǎn)找紫外災(zāi)難的疑點(diǎn)找到了到了，為人類解決了一大難題。使為人類解決了一大難題。使熱愛科學(xué)的人們又一次倍感欣慰，熱愛科學(xué)的人們又一次倍感欣慰，但真理與謬誤之爭(zhēng)就此平息了嗎？但真理與謬誤之爭(zhēng)就此平息了嗎？物理難題：物理難題：1888年，霍瓦年，霍瓦(Hallwachs)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)一個(gè)帶負(fù)電的金屬板被紫外光照射會(huì)放電一個(gè)帶負(fù)電的金屬板被紫外光照射會(huì)放電。近近10年以后，年以后，1897年年，J.Thomson發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了電子電子 ，此時(shí)，此