第十七章波粒二象性

第十七章：波粒二象性1、物理學(xué)的新紀(jì)元：能量量子化19世紀(jì)末，牛頓定律在各個領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運動方面不用說，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)方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲----等都遵循的規(guī)律---能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到完美無缺的地步。

1900年，在英國皇家學(xué)會的新年慶祝會上,著名物理學(xué)家開爾文作了展望新世紀(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?！?---------開爾文也就是說：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驗再做一做，在實驗數(shù)據(jù)的小數(shù)點后面在加幾位罷了！

但開爾文畢竟是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學(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，-------------------”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驗有關(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論。經(jīng)典物理學(xué)的大廈被徹底動搖，物理學(xué)發(fā)展到了一個更為遼闊的領(lǐng)域。正可謂“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村”。

我們周圍的一切物體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長的電磁波，所輻射電磁波的特征與物體的溫度有關(guān)，所以叫熱輻射。1.熱輻射現(xiàn)象黑體與黑體輻射熱輻射及其特征1.熱輻射由于分子熱運動導(dǎo)致物體輻射電磁波，溫度不同時輻射的波長分布不同。溫度越高短波成分越強(qiáng)

例如：固體（鐵塊）在溫度升高時顏色的變化

熱輻射---熱能轉(zhuǎn)化為電磁能的過程800K1000K1200K1400K認(rèn)識熱輻射任何物體任何溫度均存在熱輻射溫度

發(fā)射的能量電磁波的短波成分如：一個白熾燈在所加電壓逐漸升高時昏黃色-----光亮-------刺眼直覺:低溫物體發(fā)出的是紅外光熾熱物體發(fā)出的是可見光高溫物體發(fā)出的是紫外光注意：

熱輻射與溫度有關(guān)激光日光燈發(fā)光不是熱輻射2、物體表面還會吸收和反射外界射來的電磁波。

Ⅰ、常溫下我們看到物體的顏色是反射所致。Ⅱ、如果物體能夠完全吸收各種波長的電磁波而不反射，這就是黑體。黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布只與溫度有關(guān)與材料及表面狀況無關(guān)。能全部吸收各種波長的輻射能而不發(fā)生反射、折射和透射的物體稱為絕對黑體。簡稱黑體

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)。黑體輻射實驗規(guī)律0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K實驗結(jié)果實驗結(jié)果可看出：隨著溫度升高，各種波長的輻射都增加。輻射強(qiáng)度的極大值向短波方向移動。人們總是力圖用已有的知識來解釋新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象和規(guī)律：當(dāng)時知道，物體中振動的帶電微粒產(chǎn)生變化的電磁場，從而產(chǎn)生電磁輻射。于是依據(jù)熱學(xué)和電磁學(xué)知識尋求黑體輻射的理論解釋。例如，維恩公式，瑞利公式等。o實驗值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線12345678維恩，瑞利解釋均與實驗有出入。為了得出與實驗相符的公式，普朗克做了多種嘗試，進(jìn)行了激烈的思想斗爭，做出了大膽的假設(shè)-----能量子假說。輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，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)。

對于頻率為ν的諧振子最小能量為能量量子經(jīng)典能量子假說λ(μm)123568947普朗克實驗值理論與實驗的高度吻合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，他才堅定地相信h的引入確實反映了新理論的本質(zhì)。

普朗克1900年把能量子引入物理學(xué)，正確的破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元。18年之后，1918年他榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。他的墓碑上只刻著他的：

姓名和物理難題：1888年，霍瓦(Hallwachs)發(fā)現(xiàn)一個帶負(fù)電的金屬板被紫外光照射會放電。近