1　能量量子化 (2).pptx

1、第十七章 波粒二象性 第1節(jié) 能量量子化,19世紀(jì)末頁(yè)，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)方面不用說(shuō)，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(gè)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(shí)許多物理學(xué)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)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,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

2、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，-”,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,這兩朵烏云是指什么呢？,后來(lái)的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一場(chǎng)革命性的風(fēng)暴，烏云落地化為一場(chǎng)春雨，澆灌

3、著兩朵鮮花。,黑體輻射實(shí)驗(yàn),邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn),普朗克量子力學(xué)的誕生,相對(duì)論問(wèn)世,這兩朵烏云到底是怎么回事呢？,量 子 力 學(xué),相 對(duì) 論,微 觀 領(lǐng) 域,高 速 領(lǐng) 域,經(jīng) 典力 學(xué),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)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)。,固體在溫度升高時(shí)顏色的變化,一、黑體與黑體輻射,1、熱輻射現(xiàn)象,一、 熱輻射及其特點(diǎn),1、 熱輻射,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) 輻射的波長(zhǎng)分布不同,例如：鐵塊 溫度 從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色,這種與溫度有關(guān)的輻射 稱為熱輻射 熱輻射 - 熱能

4、轉(zhuǎn)化為電磁能的過(guò)程,2、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,溫度 發(fā)射的能量,電磁波的短波成分,如一個(gè)20瓦的白熾燈和一個(gè)200瓦的白熾燈,昏黃色,明亮 刺眼,直覺(jué): 低溫物體發(fā)出的是紅外光 熾熱物體發(fā)出的是可見(jiàn)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,3、平衡熱輻射 加熱一物體 物體的溫度恒定時(shí),物體所吸收的能量等于在同一 時(shí)間內(nèi)輻射的能量,這時(shí)得到的輻射稱為平衡熱輻射,1、定義：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,不透明的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。,研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物

5、體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。,二、黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律,2、黑體模型,空腔上的小孔 煉鋼爐上的小洞,向遠(yuǎn)處觀察打開(kāi)的窗子近似黑體,平衡態(tài)時(shí) 黑體輻射只依賴于物體的溫度,與構(gòu)成黑體的材料 形狀無(wú)關(guān),實(shí)驗(yàn)裝置,T,平行光管,三棱鏡,T,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)值,紫,外,難,維恩,瑞利、金斯,普朗克,能量量子化：物理學(xué)的新紀(jì)元,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。,3、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（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：,

6、 1, 2, 3, . n. n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。,對(duì)于頻率為的諧振子最小能量為,能量,量子,經(jīng)典,3、能量子假說(shuō)：,*輻射黑體中包含大量振動(dòng)著分子、原子,它們的振動(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。它們的能量是某一最小能量的整數(shù)倍 E=n n=1,2, 叫能量子，簡(jiǎn)稱量子，n為量子數(shù)，它只取正整數(shù)能量量子化,* 振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量,h=6.62610-34焦耳。-普朗克常數(shù),*對(duì)于頻率為的諧振子，最小能量為： =h ,(m),1 2 3 5 6 8

7、9,4,7,普朗克,實(shí)驗(yàn)值,三、普朗克的能量子假說(shuō)和黑體輻射公式,1、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 18581947,2、普朗克后來(lái)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(guò)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(jiān)定地相信h的引入確實(shí)反映了新理論的本質(zhì)。 1918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,意義： Planck拋棄了經(jīng)典物理中的能量可連續(xù)變化、物體輻射或吸收的能量可以為任意值的舊觀點(diǎn)，提出了能量子、物體輻射或吸收能量只能一份一份地按不連續(xù)的方式進(jìn)行的新觀點(diǎn)。這不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開(kāi)創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。,黑體輻射的研究卓有成效地展現(xiàn)在人們的眼前，紫外災(zāi)難的疑點(diǎn)找到了，為人類解決了一大難題。使熱愛(ài)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？,3、物理難題：1888年，霍瓦(Hallwachs)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。近10年以后，