量子物理初步課件

1、 量子物理初步（3）絕對黑體只吸收輻射能而不反射的物體，理想模型。自然界中吸收能力最強(qiáng)的煤煙和黑色琺瑯質(zhì)吸收能力為：99%。黑體模型：見圖，小孔可視為黑體表面。測量小孔的輻射能量規(guī)律，即為黑體輻射規(guī)律。測量裝置：黑體平行光管棱鏡熱電偶一.量子物理的建立 1.晴朗天空中的另一朵烏云黑體輻射規(guī)律 （1）熱輻射現(xiàn)象 物體輻射電磁波 解釋：物體內(nèi)的分子或原子可視為帶電的線性諧振子，振動時將輻射電磁波。諧振子的振動頻率各不相同，輻射的電磁波中含有各種波長，同一頻率的諧振子個數(shù)不同，不同波長的輻射能量也不同。 （2）描述輻射的物理量 單色輻出度 M(T) 在+d范圍內(nèi)物體單位面積上的輻射功率。 輻出度 M

2、(T) 物體單位面積上的輻射功率 輻出度與溫度及物體有關(guān)。熱電偶在不同方位可測出波長不同的電磁波對應(yīng)的能量。實驗曲線如下：M對此實驗曲線，1893年維恩用類比法（將黑體的能譜分布假設(shè)與麥克斯威速率分布一致）得到一理論公式，但僅在短波處吻合。1900年瑞利（Lord Rayleigh）與金斯（J.H Jeans）用能均分定理（每個諧振子的能量均為 kT）導(dǎo)出另一公式，但僅在長波處相近，在短波處M,物理學(xué)史上稱為紫外災(zāi)難。2.普朗克假說普朗克：1858年生于德國基爾，著名的物理學(xué)家，量子理論的創(chuàng)始人。1900年普朗克在維恩與瑞利公式的啟發(fā)下，嘗試在二人的公式之間建立一個內(nèi)插式公式，使它在長波方面接

3、近瑞利公式，短波方面接近維恩公式，經(jīng)過努力獲得成功，并以論維恩位移公式的改進(jìn)為題于1900.10.19公布在德國物理學(xué)會的年會上。發(fā)表的當(dāng)晚，德國實驗物理學(xué)家魯本斯就將此公式與其擁有的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)精確相符。本來普朗克是將實驗數(shù)據(jù)與兩個不正確的公式湊出的一個半經(jīng)驗公式，從理論上得不到任何解釋。普朗克曾說：“即使這個新的輻射公式竟然證明是絕對正確的，但是如果把它僅僅看作是一個僥幸揣測出來的內(nèi)插式公式，那么它的價值也是有限的。” 在有了實驗的支持后，普朗克開始了兩個月的緊張工作，他認(rèn)為這兩個月是他一生中最困難的時期，他發(fā)現(xiàn)，要想合理解釋自己提出的新公式，只有冒天下之大不違，提出一個假說

4、，物體在發(fā)射或吸收輻射時能量是不連續(xù)的，機(jī)械鎮(zhèn)子的能量值是分離的，只能是某一最小能量的整倍數(shù)。，2，3， 4，振動頻率為的諧振子最小能量為 1900.12.14普朗克以正常光譜中能量分布的理論為題宣布了自己的大膽假設(shè)及由此而推導(dǎo)公式的簡便方法。這一天后被視為量子理論及原子物理的誕生日。與經(jīng)典理論的沖突： 從十七世紀(jì)牛頓力學(xué)創(chuàng)立以來，以及微積分的建立，一切自然過程都被理所當(dāng)然的視為連續(xù)的。法國大數(shù)學(xué)家萊布尼茲曾說：“現(xiàn)在把未來抱在懷中，任何一個給定的狀態(tài)只能用緊接在前面的那個狀態(tài)來解釋，如果對這一點(diǎn)提出疑問，那么世界將會呈現(xiàn)許多間隙，而這些間隙就會將這條具有充分理由的普遍規(guī)律推翻，結(jié)果迫使我們不

5、得不乞求于奇跡或純粹的機(jī)遇來解釋自然現(xiàn)象了?！彼€說：“自然界無跳躍”普朗克理論的遭遇： 由于經(jīng)典理論的輝煌成就，普朗克理論在發(fā)表十年里一直很少受人重視。在1908年出版的自然科學(xué)和技術(shù)史手冊上詳細(xì)列舉了1900年全世界120項發(fā)現(xiàn)與發(fā)明，未提及普朗克的發(fā)現(xiàn)。由于外界反應(yīng)冷淡，及自身傳統(tǒng)觀念的束縛，普朗克對自己理論的正確性也產(chǎn)生了懷疑，他說他的理論“純粹是一種形式上的假設(shè)”。他告誡自己與別人“在將作用量子 h 引入理論時，應(yīng)當(dāng)盡量保守從事，除非證明絕對必要，否則不要改變現(xiàn)有理論”。在愛因斯坦提出光量子理論時，首先反對的是普朗克，他說愛因斯坦“在思變中走的太遠(yuǎn)了，迷失了方向”。在1911年，他開

6、始對他的量子概念在條件上加以限制，認(rèn)為黑體只有在發(fā)射電磁波時才是不連續(xù)的，1911年以后，他甚至認(rèn)為，只有再做一些努力，他就可以用經(jīng)典理論得出他的公式，到1914年他完全放棄了量子理論，此后他對量子理論再未起任何作用。對自己的后退行為，普朗克曾做過自我評價，他說：“企圖使基本作用量子與經(jīng)典理論調(diào)和起來的這種徒勞無益的打算，我持續(xù)了很多年（直到1915年），它使我付出了巨大的精力。我的許多同僚們認(rèn)為這近乎一個悲劇，但是我對此有不同的看法。因為我由此而獲得的透徹的啟示是更有價值的?！?為表彰普朗克對量子理論的開創(chuàng)所做出的不朽貢獻(xiàn)，1920年他獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。3. 光子理論的提出 （1）光電效

7、應(yīng)實驗現(xiàn)象：光照射金屬表面使其逸出電子的現(xiàn)象。實驗結(jié)果：存在紅線頻率使電子逸出金屬表面的頻率下限。馳豫時間：光照射金屬表面電子逸出的時間。無論光強(qiáng)大小，電子逸出的時間幾乎使瞬時的 ，10-9s。波動學(xué)說無法解釋：紅線頻率：波動理論，光的能量正比與光強(qiáng)，只要光強(qiáng)足夠大，時間足夠長，電子總能夠吸收足夠的能量克服金屬表面的束縛，不應(yīng)有紅限頻率。馳豫時間：波動理論，電子吸收能量需要時間，時間的長短與光強(qiáng)有關(guān)。 愛因斯坦從普朗克的能量子假設(shè)中受到啟發(fā)，他認(rèn)為諧振子在發(fā)射與吸收時是量子化的，輻射能本身也是量子化的，他把光想象成一束以光速運(yùn)動的粒子流，粒子被稱為光量子，現(xiàn)稱光子。光子的能量：光子的動量：光電

8、效應(yīng)方程：光子理論可以很好的解釋光電效應(yīng)，但在1905年，這種提法被大多數(shù)物理學(xué)家視為數(shù)學(xué)上的技巧，他們認(rèn)為光實質(zhì)是電磁波這是不容置疑的，雖然他們知道光子學(xué)說可以有效的解釋光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象。1921年愛因斯坦因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎。（2）康普頓 X 射線實驗實驗裝置X 源散射物質(zhì)晶體探測器晶體與探測器組成攝譜儀，可測量散射光線的波長?？灯疹D發(fā)現(xiàn)散射光譜中除有原波長外，還有的射線，此稱為康普頓效應(yīng)。實驗規(guī)律： 散射波長的改變與散射物質(zhì)無關(guān)，僅與散射角有關(guān)。原子量小的物質(zhì)康普頓效應(yīng)強(qiáng)。波動學(xué)說無法解釋：按光的波動理論，當(dāng)電磁波入射媒質(zhì)，媒質(zhì)原子中的電偶極子將作受迫振動，振動頻率為入射電磁波的頻率，所發(fā)出電磁波的頻率應(yīng)與入射電磁波的頻率相同。光子說解釋： 光子與電子相撞，失去部分能量， 光子與原子實（原子核與內(nèi)層電子的結(jié)合體）相撞，能量基本無損失，波長不變。重原子內(nèi)層電子較多，效應(yīng)不明顯，輕原子則反之。 波長的改變量僅與散射角有關(guān)，可由光子與電子碰撞時遵守能量守恒與動量守恒推導(dǎo)出來。 以上三個實驗均證實了光的粒子性，即光在發(fā)射、傳播、接收過程中具有明