第2節(jié) 量子世界PPT

第六章相對論與量子論初步第2節(jié)量子世界貴州興仁中學(xué) 通過前面的學(xué)習(xí)，我們知道在19世紀與20世紀之交（1900年前后），許多人認為物理學(xué)這座莊嚴雄偉、動人心弦的科學(xué)殿堂已經(jīng)基本建成了。只是“物理學(xué)晴朗天空的遠處，漂浮著兩朵小小的令人不安的烏云?！边@兩朵“烏云”是什么同學(xué)們能說說嗎？邁克爾遜—莫雷實驗：研究光沿不同方向傳播速度的差異。熱輻射實驗：研究熱輻射的能量與溫度的關(guān)系。這兩個實驗所觀測到的現(xiàn)象用當時已有的物理學(xué)理論無法進行合理的解釋。貴州興仁中學(xué)問1：這兩朵“烏云”給物理學(xué)的發(fā)展帶來了什么影響？

正是這兩朵烏云，后來釀成了物理學(xué)中一場巨大的變革。

在研究第一朵“烏云”后愛因斯坦開創(chuàng)了相對論。問2：現(xiàn)在我們再來看看當年物理學(xué)的天空中這令人不安的第二朵“烏云”：熱輻射的能量與溫度的關(guān)系有什么規(guī)律？貴州興仁中學(xué)1.“紫外災(zāi)難”問1：我們知道，燃燒的物體都會發(fā)光，后來人們發(fā)現(xiàn)那是因為燃燒使物體溫度升高的緣故。同學(xué)們能不能舉出一些高溫物體發(fā)光的例子呢？（二）新課學(xué)習(xí)火山口流出的高溫巖漿問2：若你在高溫的物體周圍，你會有什么樣的感覺？ 明顯感覺到它輻射出來的熱；溫度越高，熱輻射越強烈。貴州興仁中學(xué)1.“紫外災(zāi)難”

人們用更精確的觀測儀器發(fā)現(xiàn)，其實任何溫度的物體都有熱輻射，只是常溫和低溫的物體熱輻射較弱，輻射的電磁波波長較長，難被我們的身體直接感覺到。這種常溫和低溫物體輻射的電磁波波長比紅光還長，稱為紅外線，可以用一些特殊的儀器探測到。（二）新課學(xué)習(xí)貴州興仁中學(xué)1.“紫外災(zāi)難”問3：同學(xué)們有沒有見過在沒有可見光的黑暗中利用紅外線感光拍攝到的照片呢？（二）新課學(xué)習(xí)熱輻射：物體中的分子、原子在任何溫度下都會發(fā)射出各種波長的電磁波.

一般的物體不但會發(fā)出熱輻射，也會吸收和反射從別的物體射來的熱輻射。為了進一步研究物體的熱輻射強度的定量規(guī)律，物理學(xué)家們設(shè)想了一種理想的物體：能夠發(fā)射熱輻射，也能完全吸收熱輻射，但是完全不反射任何熱輻射的物體，叫做黑體。貴州興仁中學(xué)1.“紫外災(zāi)難”（二）新課學(xué)習(xí)煉鋼爐爐膛上開的觀察小孔就是可以看成是一個黑體。在爐膛是冷的時候，這個小孔是黑洞洞的，通過小孔射入其中的光和各種電磁輻射完全被爐膛中吸收掉了，沒有任何輻射被反射回來。當爐膛中的溫度很高時，這個小孔就會有很強的熱輻射發(fā)射出來。觀察孔通過精確的實驗觀測，發(fā)現(xiàn)黑體熱輻射強度與溫度和波長都有關(guān)系，可以把某一溫度下測得各種波長的輻射強度的實驗數(shù)據(jù)描繪成如右圖所示的曲線。從曲線可以看出，不同的溫度下熱輻射的強弱有什么變化呢？在同一溫度下，不同波長的電磁輻射強度有何不同？

溫度越高，輻射最強的電磁波波長有何變化？結(jié)論：1：可以看出溫度越高，熱輻強度越大。2：在同一溫度下，不同波長的電磁輻射強度不同，有某一種波長的電磁輻射最強。3：溫度越高，輻射最強的電磁波波長變短。貴州興仁中學(xué)1.“紫外災(zāi)難”（二）新課學(xué)習(xí)

問4：圖中是一條奇妙的曲線，黑體的熱輻射為什么會有這樣的規(guī)律呢？ 許多物理學(xué)家根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的理論進行分析，試圖從當時經(jīng)典的物理學(xué)理論中推導(dǎo)出一個描述黑體輻射規(guī)律的公式，比較著名的有兩個用不同方法推導(dǎo)出的公式：一個是維恩公式，還有一個是瑞利-金斯公式，貴州興仁中學(xué)1.“紫外災(zāi)難”（二）新課學(xué)習(xí)維恩公式：瑞利-金斯公式：

但是這用兩個公式算出各種同波長的輻射強度，都與實驗觀測到的結(jié)果不完全符合。

維恩公式算得的結(jié)果在短波區(qū)域與實驗較吻合，但長波區(qū)域與實驗結(jié)果偏差較大；

瑞利-金斯公式算得的結(jié)果則在長波區(qū)域與實驗較吻合，在短波區(qū)域卻與實驗結(jié)果相差較大.

更糟的是瑞利-金斯公式算得隨著波長變短即輻射在紫外波長區(qū)域時，輻射強度會變成無限大，但實驗測得在波長很短的紫外區(qū)域的輻射強度卻是趨于零。 當時科學(xué)界稱其為“紫外災(zāi)難”，這就是第二朵“烏云”的由來。面對這樣令人不安局面，同學(xué)們想想看，怎么辦呢？貴州興仁中學(xué)

由于我們的物理知識有限，所以暫時沒有辦法了解他們公式推導(dǎo)的過程和方法，不過當時的確有不少的物理學(xué)家按照經(jīng)典的物理學(xué)原理對推導(dǎo)過程做過各種修正，但總是顧此失彼無法得到能與實驗結(jié)果完全吻合的公式。（二）新課學(xué)習(xí)后來德國的物理學(xué)家普朗克，經(jīng)過長時間的研究，在百思不得其解的困境中，迫不得已做了一個大膽的假設(shè)，他發(fā)現(xiàn)只有做這個假設(shè)，得到的公式才會與實驗結(jié)果完全吻合。這個假設(shè)在今天看起來具有劃時代的意義，叫做量子假說。德國物理學(xué)家普朗克量子假說認為：

物質(zhì)輻射或吸收能量不是經(jīng)典物理理論中認識的那種可以任意大小連續(xù)不斷的。而是不連續(xù)的、一份一份的，物質(zhì)輻射或吸收的能量只能是某個最小能量的整數(shù)倍。這個最小的能量ε叫做一個量子。貴州興仁中學(xué)2.量子假說：（二）新課學(xué)習(xí)內(nèi)容：物質(zhì)輻射或吸收的能量是不連續(xù)的，只能是一種最小能量的整數(shù)倍。 E=nε（n=0,1,2,3,…）

ε=hγ=hc/λ(h=6.63×10-34Js稱為普朗克常數(shù))經(jīng)典物理理論認為：

能量的輻射和吸收可以是任意大小的，連續(xù)不斷的。量子觀認為：能量的大小是不連續(xù)的，只能是最小能量子的整數(shù)倍。電磁輻射的最小能量值與頻率成正比。

在宏觀領(lǐng)域中，這種量子化（或不連續(xù)性）相對宏觀量或宏觀尺度極微小，完全可以忽略不計。

在微觀領(lǐng)域里，量子化或不連續(xù)性明顯的。物體之間傳遞的相互作用是量子化的，物體的狀態(tài)及其變化也是量子化的。 量子觀點開創(chuàng)了一場物理學(xué)的巨大變革。貴州興仁中學(xué)2.量子假說：（二）新課學(xué)習(xí)量子觀點與經(jīng)典物理的能量觀點比較經(jīng)典物理能量觀： 能量的大小可以是連續(xù)的任意值，電磁輻射的能量由電磁波的振幅決定；量子觀： 能量的大小是不連續(xù)的，只能是最小能量子的整數(shù)倍。電磁輻射的最小能量值與頻率成正比。貴州興仁中學(xué)3.物質(zhì)的波粒二象性（二）新課學(xué)習(xí)

請同學(xué)們閱讀教材，找出歷史上對光的認識. 人類歷史上對光的本質(zhì)有兩種不同的認識，其實不管是牛頓的微粒說還是惠更斯的波動說都是為了解釋某一特定的現(xiàn)象才引入的.所以它們都有各自的弊端，一些問題的難以解決又將人們帶入了對光的本質(zhì)的重新認識. 關(guān)鍵時刻又是愛因斯坦帶來了新鮮的血液.他將普朗克的量子化理論用在了解釋光的本質(zhì)上.

閱讀教材，看看愛因斯坦是如何解釋這個問題的？愛因斯坦進一步發(fā)展普朗克的量子理論，并大膽地提出了光量子假設(shè)。愛因斯坦認為：光是不連續(xù)的、分成許多單元的、具有一定能量的物質(zhì)，這些單元叫做光量子（簡稱為光子）。 光具有波粒二象性。在一定條件下，突出的表現(xiàn)為微粒性實質(zhì)為不連續(xù)性；而在另一些條件下，又突出表現(xiàn)出波動性.貴州興仁中學(xué)3.物質(zhì)的波粒二象性（二）新課學(xué)習(xí)

問題好像到此應(yīng)該結(jié)束了，人們將光的本質(zhì)已經(jīng)很好地解釋了，接下來有發(fā)生了什么事情呢？

大家接著看書思考。法國物理學(xué)家德布羅意進一步提出了物質(zhì)波的理論（獲1929年諾貝爾物理學(xué)獎），根據(jù)這一理論，每個物質(zhì)粒子（不管是宏觀的或是微觀的）都伴隨著一種波，即物質(zhì)波，又稱為概率波.這個理論揭示了物質(zhì)的統(tǒng)一性.德布羅意貴州興仁中學(xué)3.物質(zhì)的波粒二象性（二）新課學(xué)習(xí)

總之，物質(zhì)具有波粒二象性，我們要注意粒子性的本質(zhì)在于不連續(xù)；波動性的實質(zhì)在于對微觀物體狀態(tài)及運動描述的不確定性，不能把物質(zhì)波理解為經(jīng)典的機械波和電磁波.總結(jié)光本性學(xué)說發(fā)展史：（1）17世紀牛頓的微粒說：光是從光源發(fā)出的一種物質(zhì)微粒，在均勻介質(zhì)中以一定的速度傳播.能解釋光的反射等現(xiàn)象，不能解釋光的互不干擾、同時發(fā)生的反射和折射、在介質(zhì)中v<c等問題.（2）17世紀惠更斯的波動說：光是在空間傳播的某種波.能解釋光的互不干擾、同時發(fā)生的反射和折射，但不能解釋影子的形成、傳播不需要介質(zhì)等問題.（3）19世紀60年代麥克斯韋的電磁說：光是一種電磁波，具電磁本性.使波動理論發(fā)展到了相當完美的地步.根據(jù)有：電磁波速等于光速；傳播不需要介質(zhì)；不能完美地解釋光電效應(yīng).（4）20世紀初愛因斯坦的光子說：光是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫一個光子，E=hν.注意，這完全不同于牛頓的“微粒