1量子论的发展十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日臻完善 ，并不断取得新的成就。l 由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行的 深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础 。特别是麦克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的 存在，随即被赫兹的实验所证实。l 牛顿、惠更斯和菲涅耳建立光学，纳入电动力学l 首先在牛顿力学基础上，哈密顿和拉格朗日等人建 立起来的分析力学 l 通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的努力，建 立了热力学和统计力学.2当时许多著名的物理学家都认为物理学的基本规 律都已被发现.当时赫赫有名权威人物开耳文勋爵在一篇于1900 年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“ 在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要 做一些零星的修补工作就行了”，不过他还不愧为一 名确有远见卓识的物理学家，因为他接着又指出：“ 但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不 安的乌云”，即运用当时的物理学理论所无法正确解 释的两个实验现象，(1)热辐射现象中的紫外灾难，(2)否定绝对时空观的迈克尔逊-莫雷实验，3这些内容统称为量子物理学。事实上还有第三朵小小的乌云，这就是放射性现象的 发现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元 ，原子也是可以分割的。所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的， 它们使经典物理处于十分困难的境地.在二十世纪初期，建立起了近代物理的两大支柱- -量子论和相对论，并在这个基础上又建立起以研究原 子的结构、性质及其运动规律为目的的原子物理学， 后来又进一步发展，相继建立起原子核物理学和基本 粒子物理学。4量子论的发展阶段 19901990年年 普朗克普朗克 量子假说量子假说 19051905年年 爱因斯坦爱因斯坦 光量子假说光量子假说 19131913年年 玻尔玻尔 原子理论原子理论 5量子论的发展 19001900年年 普朗克（德国人）普朗克（德国人） 19181918年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖 19001900年年1212月月1414日日 量子论的诞生日量子论的诞生日 提出量子假说（能量不是连续的）提出量子假说（能量不是连续的） 解释黑体辐射谱分布解释黑体辐射谱分布 被称为量子论之父被称为量子论之父6量子论的发展 爱因斯坦爱因斯坦 19211921年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖 光量子假说光量子假说 成功解释了光电效应成功解释了光电效应 康普顿康普顿X X散射实验进一步验证了光量子假说。散射实验进一步验证了光量子假说。7光电效应光电效应康普顿散射康普顿散射8量子论的发展 玻尔玻尔 丹麦丹麦 19221922年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖 原子的结构模型原子的结构模型 玻尔将量子推进到原子物理学中，提出了玻尔将量子推进到原子物理学中，提出了电子角动量的量子化条件和量子跃迁理论，提出互补原理电子角动量的量子化条件和量子跃迁理论，提出互补原理 卢瑟福散射实验卢瑟福散射实验 夫兰克赫兹（夫兰克赫兹（19141914年）实验年）实验9卢瑟福散射实验卢瑟福散射实验 是现代核物理学是现代核物理学 的基石的基石 10黑体辐射与普朗克的量子假说l描述热辐射的物理量l黑体和黑体辐射的基本规律l经典物理学所遇到的困难l普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式l量子假说的含义及其与宏观现象的关系11分子(含有带电粒子)的热运动使物体辐射电磁波。这种与温度有关的辐射称为热辐射 (heat radiation)。热辐射的电磁波能量对频率有一个分布。频率分布跟温度有关例如加热铁块，随着温度的升高:开始不发光暗红橙色黄色白色黑体辐射12温度为T 时,单位时间内从物体单位表面发出的频率 在 附近单位频率区间内的电磁波的能量,称为光谱辐出度M(T)1.光谱辐(射)出(射)度M单位-W/(m2Hz)dE 温度为T 时,单位时间内从物体单位表面 发出的频率在 +d 间隔内的电磁波的能量。M(T) 描述热辐射能量按频率的分布。T单位面积物质种类表面情况T一.描述热辐射的物理量13M 的单位为W/m23.光谱吸收比以上这些物理量均与 物体种类及其表面情况有关。 （T）温度为T 时,（单位时间内）入射 到物体（单位表面）的,频率在 +d 间隔 内的电磁波的能量被物体吸收的百分比。2.总辐出度14此时物体具有固定的温度。 我们下面只讨论平衡热辐射的情况。物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收 的能量时，热辐射过程达到热平衡，称为 平衡热辐射。热辐射的情况与物体种类及其表面有关， 太复杂了，怎么去研究热辐射的规律呢？提出 “理想模型”的方法。平衡热辐射151. 黑体维恩设计的黑体：黑体这小孔（黑体）能吸收各种频率的电磁波。黑体的光谱吸收比 (T) =1-理想模型。为不透明材料的空腔开的一个小孔。能完全吸收照射到它上面的各种 频率电磁波的物体，称为黑体。二.黑体和黑体辐射的基本规律16而黑体的热辐射正好与空腔的形状、材料及表面状态 都无关，是最好的研究对象。 研究热辐射本身的规律，应利用辐射本领 M 只与频率、温度有关，而和材料及表面状态无关的物体。黑体的吸收本领最大，辐射本领也最大。 2. 研究黑体辐射的实验装置示意图T热电偶(测 M(T )光栅光谱仪 （或棱镜光谱仪 ）17 =5.6710- 8 W/（m2K4）黑体辐射光谱中辐射 最强的频率m与黑体温 度T 之间满足正比关系C= 5.881010 Hz/K总辐出度M(T)与黑体温度 的四次方成正比M黑体辐射实验曲线4维恩位移定律（实验定律）3斯特藩玻耳兹曼定律（实验定律）18例。若视太阳为黑体，测得 可得维恩 因热辐射定律的发现 1911年获诺贝尔物理学奖。斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移律是测量高温、 遥感和红外追踪等技术的物理基础。b = 2.89810-3mK辐射最强的频率m与黑体温度T 之间满足 反比关系195、黑体辐射的应用（1）.测量黑体温度在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看 作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温 度。（2）.光学高温计-光测高温高温炉灯丝目镜聚焦透镜20- 如何解释黑体辐射实验曲线？其中最典型的是维恩公式和瑞利金斯公式：黑体内的驻波经典理论导出的M(T )公 式都与实验结果不符合！三. 经典物理学所遇到的困难21（1）维恩公式（非前面的维恩位移定律） 他假定驻波能量按频率的分布类似于（经典的）麦克 斯韦速度分布率。得（2）瑞利金斯公式瑞利将原子的振动看作谐振子能量为 kT（经 典的能量均分定理），得在低频段（长波段）尚好；高频段 (紫外区)与实验 明显不符，短波极限为无限大“紫外灾难”！在高频段(短波段）好；低频段（长波段）明显偏 离实验曲线！22231.普朗克假设（1900年）普朗克(1858-1947年)即物体发射或吸收电磁辐射 只能以“量子”方式进行。普朗克认为空腔黑体的热平衡状态，是组成腔壁 的带电谐振子不断发射和吸收电磁波的平衡状态。他认为谐振子的能量 E 只能是离散值（不连续！）他把每个E值都称为能量子。四.普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式241900.12.14.-量子论诞生日。普朗克在德国物理学会上报告了与全波段实验结果极为符合的普朗克公式：h 称为普朗克常数。普朗克当时根据黑体辐射实验得出h = 6.358 10-34 Js 现在计算用值：h = 6.63 10-34 Js2.普朗克公式25普朗克公式与实验结果的比较M瑞利金斯公式维恩公式普朗克公式实验曲线普朗克公式与实验结果的比较26“在科学史上很难找到其它发现能象普朗克的产生如此非凡的结果。基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里这个发现将人类的观念 不仅是有关经典科学的观念，而且是有关通普朗克本人在若干年内也有过很多的困惑和彷徨能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的！常思维方式的观念的基础砸得粉碎， ” 玻尔对普朗克量子论的评价：27爱因斯坦在1918年4月普朗克六十岁生日 庆祝会上的一段讲话：“在科学的殿堂里有各种各样的人：有人爱科学是以伟大的创造性观念造福于世界的人。”为了满足智力上的快感；有人是为了纯粹功利的 目的，而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那些普遍的基本规律， 他成了一个普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。28为什么在宏观世界中, 观察不到能量分离的现象?例：设想一质量为 m=1g 的小小珠子悬挂在 一 个小小的轻 弹簧下面作振幅 A=1mm的谐振动。弹 簧的小小劲度系数为 k =0.1N/m。量子论是不附属于经典物理的， 是全新的理论，适用范围更广。能量子按量子理论计算，此弹簧振子的能级间隔多大？改变一个能级时,振动能量的相对变化是多少？能量经典能量子五. 量子假说的含义及其与宏观现象的关系29能级间隔振子现 有能量相对能量变化这样小的相对能量变化在现在的技术条件下还不可 能测量出来。现在能达到的最高的能量分辨率为：所以宏观的能量变化看起来 都是连续的。（关键：h 太小）【解】弹簧振子的频率