物理學(xué)史上的兩朵烏云課件

1900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(kāi)爾文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，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！?-開(kāi)爾文--也就是說(shuō)：物理學(xué)已經(jīng)沒(méi)有什么新東西了，后一輩只要把做過(guò)的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面在加幾位罷了！

但開(kāi)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：

“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，----”1900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(kāi)爾這兩朵烏云是指什么呢？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)。然而,事隔不到一年(1900年底)，就從第一朵烏云中降生了量子論，緊接著(1905年)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)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(wú)路,柳暗花明又一村一、普朗克能量子假說(shuō)這兩朵烏云是指什么呢？一朵與黑體輻射有關(guān)，然而,事隔不到一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)稱黑體1.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,可近似看作黑體。黑體模型研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。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0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K實(shí)驗(yàn)結(jié)果012o實(shí)驗(yàn)值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線12345678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。o實(shí)驗(yàn)值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線123452.能量子假說(shuō)：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)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量ε（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。

對(duì)于頻率為ν的諧振子最小能量為能量量子經(jīng)典2.能量子假說(shuō)：輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，這些諧普朗克的能量子假說(shuō)和黑體輻射公式黑體輻射公式1900.10.19普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上提出一個(gè)黑體輻射公式M.Planck德國(guó)人1858－1947普朗克的能量子假說(shuō)和黑體輻射公式黑體輻射公式1900.10.λ(μm)123568947普朗克實(shí)驗(yàn)值λ(μm)12356

當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。二、光電效應(yīng)1.什么是光電效應(yīng)當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象陽(yáng)極陰極石英窗

光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出----光電子。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)陽(yáng)極陰極石英窗光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出-陽(yáng)極陰極

將換向開(kāi)關(guān)反接，電場(chǎng)反向，則光電子離開(kāi)陰極后將受反向電場(chǎng)阻礙作用。

當(dāng)K、A間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值Uc時(shí)，光電流恰為0。Uc稱遏止電壓。遏止電壓陽(yáng)極陰極將換向開(kāi)關(guān)反接，電場(chǎng)反向，則光電子離開(kāi)IUcOU光強(qiáng)較弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏止電壓陽(yáng)極陰極光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律IUcOU光強(qiáng)較弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置IIsUaOU光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏止電壓飽和電流光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律陽(yáng)極陰極IIsUaOU光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較弱光電效應(yīng)伏安特性曲陽(yáng)極陰極石英窗2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律①.光電流與光強(qiáng)的關(guān)系飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。②.截止頻率c----極限頻率對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率c。

當(dāng)入射光頻率>c時(shí)，電子才能逸出金屬表面；當(dāng)入射光頻率<c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。③光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開(kāi)始照射到光電逸出所需時(shí)間<10-9s。陽(yáng)極陰極石英窗2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律①.光電流與光強(qiáng)的關(guān)系飽3.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)1.內(nèi)容

光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說(shuō)，頻率為的光是由大量能量為=h光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速c運(yùn)動(dòng)。

在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功A，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能Ek

。由能量守恒可得出：2.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功；

為光電子的最大初動(dòng)能。3.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)1.內(nèi)容光不僅在發(fā)射和吸收

1923年，德布羅意最早想到了這個(gè)問(wèn)題，并且大膽地設(shè)想，對(duì)于光子的波粒二象性會(huì)不會(huì)也適用于實(shí)物粒子。三、德布羅意物質(zhì)波的假設(shè)1.物質(zhì)波的引入光具有粒子性，又具有波動(dòng)性。光子能量和動(dòng)量為上面兩式左邊是描寫(xiě)粒子性的E、P；右邊是描寫(xiě)波動(dòng)性的、。

將光的粒子性與波動(dòng)性聯(lián)系起來(lái)。實(shí)物粒子：靜止質(zhì)量不為零的那些微觀粒子。一切實(shí)物粒子都有具有波粒二象性。1923年，德布羅意最早想到了這個(gè)問(wèn)題，并且大膽地設(shè)想，實(shí)物粒子的波粒二象性的意思是：微觀粒子既表現(xiàn)出粒子的特性，又表現(xiàn)出波動(dòng)的特性。實(shí)物粒子的波稱為德布羅意波或物質(zhì)波，物質(zhì)波的波長(zhǎng)稱為德布羅意波長(zhǎng)。2.德布羅意關(guān)系式德布羅意把愛(ài)因斯坦對(duì)光的波粒二象性描述應(yīng)用到實(shí)物粒子，動(dòng)量為P

的粒子波長(zhǎng)：德布羅意公式德布羅意是第一個(gè)由于博士論文（提出的物質(zhì)波的假設(shè)）獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。實(shí)物粒子的波粒二象性的意思是：微觀粒子既表現(xiàn)出粒子的特性，又二、不確定關(guān)系經(jīng)典力學(xué)中，物體初始位置、動(dòng)量以及粒子所在力場(chǎng)的性質(zhì)確定后，物體以后的運(yùn)動(dòng)位置就可確定。但對(duì)微觀粒子，因具有的波動(dòng)性，其坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)確定。我們不能用經(jīng)典的方法來(lái)描述它的粒子性。嚴(yán)格的理論給出的不確定性關(guān)系為：首先由海森堡給出(1927)海森堡不確定性關(guān)系(海森堡測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系)二、不確定關(guān)系經(jīng)典力學(xué)中，物體初始位置、動(dòng)量以它的物理意義是，微觀粒子不可能同時(shí)具有確定的位置和動(dòng)量。粒子位置的不確定量越小，動(dòng)量的不確定量就越大，反之亦然。因此不可能用某一時(shí)刻的位置和動(dòng)量描述其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。軌道的概念已失去意義，經(jīng)典力學(xué)規(guī)律也不再適用。二、不確定關(guān)系----------微觀粒子的“波粒二象”性的具體體現(xiàn)它的物理意義是，微觀粒子不可能同時(shí)具有確定的位置和動(dòng)量。粒子

1900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(kāi)爾文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，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！?-開(kāi)爾文--也就是說(shuō)：物理學(xué)已經(jīng)沒(méi)有什么新東西了，后一輩只要把做過(guò)的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面在加幾位罷了！

但開(kāi)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：

“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，----”1900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(kāi)爾這兩朵烏云是指什么呢？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)。然而,事隔不到一年(1900年底)，就從第一朵烏云中降生了量子論，緊接著(1905年)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)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(wú)路,柳暗花明又一村一、普朗克能量子假說(shuō)這兩朵烏云是指什么呢？一朵與黑體輻射有關(guān)，然而,事隔不到一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)稱黑體1.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,可近似看作黑體。黑體模型研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。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0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K實(shí)驗(yàn)結(jié)果012o實(shí)驗(yàn)值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線12345678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。o實(shí)驗(yàn)值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線123452.能量子假說(shuō)：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)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量ε（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。

對(duì)于頻率為ν的諧振子最小能量為能量量子經(jīng)典2.能量子假說(shuō)：輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，這些諧普朗克的能量子假說(shuō)和黑體輻射公式黑體輻射公式1900.10.19普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上提出一個(gè)黑體輻射公式M.Planck德國(guó)人1858－1947普朗克的能量子假說(shuō)和黑體輻射公式黑體輻射公式1900.10.λ(μm)123568947普朗克實(shí)驗(yàn)值λ(μm)12356

當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。二、光電效應(yīng)1.什么是光電效應(yīng)當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象陽(yáng)極陰極石英窗

光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出----光電子。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)陽(yáng)極陰極石英窗光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出-陽(yáng)極陰極

將換向開(kāi)關(guān)反接，電場(chǎng)反向，則光電子離開(kāi)陰極后將受反向電場(chǎng)阻礙作用。

當(dāng)K、A間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值Uc時(shí)，光電流恰為0。Uc稱遏止電壓。遏止電壓陽(yáng)極陰極將換向開(kāi)關(guān)反接，電場(chǎng)反向，則光電子離開(kāi)IUcOU光強(qiáng)較弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏止電壓陽(yáng)極陰極光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律IUcOU光強(qiáng)較弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置IIsUaOU光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏止電壓飽和電流光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律陽(yáng)極陰極IIsUaOU光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較弱光電效應(yīng)伏安特性曲陽(yáng)極陰極石英窗2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律①.光電流與光強(qiáng)的關(guān)系飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。②.截止頻率c----極限頻率對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率c。

當(dāng)入射光頻率>c時(shí)，電子才能逸出金屬表面；當(dāng)入射光頻率<c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。③光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開(kāi)始照射到光電逸出所需時(shí)間<10-9s。陽(yáng)極陰極石英窗2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律①.光電流與光強(qiáng)的關(guān)系飽3.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)1.內(nèi)容

光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說(shuō)，頻率為的光是由大量能量為=h光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速c運(yùn)動(dòng)。

在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功A，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能Ek

。由能量守恒可得出：2.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功；

為光電子的最大初動(dòng)能。3.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)1.內(nèi)容光不僅在發(fā)射和吸收

1923年，德布羅意最早想到了這個(gè)問(wèn)題，并且大膽地設(shè)想，對(duì)于光子的波粒二象性會(huì)不會(huì)也適用于實(shí)物粒子。三、德布羅意物質(zhì)波的假設(shè)1.物質(zhì)波的引入光具有粒子性，又具有波動(dòng)性。光子能量和動(dòng)量為上面兩式左邊是描寫(xiě)粒子性的E、P；右邊是描寫(xiě)波動(dòng)性的、。

將光的粒子性與波動(dòng)性聯(lián)系起來(lái)。實(shí)物粒子：靜止質(zhì)量不為