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第十五章,量子物理基础 (quantum physics),1量子物理学的建立和特征,十九世纪末,经典物理已发展得相当成熟,人们认为,对物理现象本质的认识已经完成。海王星的发现和电磁理论对波动光学的成功解释,,1900年,Kelvin在新年的祝词中曾说道:,“物理学的大厦已基本建成,后辈物理学家只要做些修补工作就行了。 ”,迈克尔逊-莫雷实验“零结果”,和黑体辐射“紫外灾难”。,晴朗的物理学天空中出现的“两朵乌云”。,量子力学的诞生,相对论的建立,黑体辐射,迈克尔逊-莫雷实验,量子物理学是在20世纪初,物理学家们在研究微观世界(原子、分子、原子核)的结构和运动规律的过程中,逐步建立起来的。,没有量子力学作为工具,就不可能有化学、生物、医学以及其他每一个关键学科的引人入胜的进展。没有量子力学就没有全球经济可言,因为作为量子力学的产物的电子学革命将我们带入了计算机时代。同时,光子学的革命也将我们带入信息时代。量子物理的杰作改变了我们的世界,,就是狭义相对论(1905)、广义相对论(1916),“在本世纪初,发生了三次概念上的革命,,它们深刻地改变了人们对物理世界的了解,,和量子力学(1925)。”,这,正如杨振宁在爱因斯坦对理论物理学的,影响一文(1979)所说:,Anyone who isnt shocked by quantum theory has not understood it. 尼尔斯玻尔,I can safely say that nobody understands quantum mechanics” 费曼,量子物理学的特征:能量不再均分,教学基本要求,物理学 第五版,15.1 量子物理学的诞生普朗克量子假设 15.2 光电效应 爱因斯坦光子假说(不讲) 15.3 康普顿效应及光子理论的解释 15.4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论 15.5 微观粒子的波粒二象性 不确定关系 15.6 波函数 一维定态薛定谔方程,一、黑体 黑体辐射,实验表明:一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量。 辐射的能量与温度有关,称之为热辐射。,但是强度不同。,热辐射强度按波长(频率)的分布和温度有关,,极高温物体发出的是紫外光。,炽热物体发出的是可见光,,低温物体发出的是红外光,,温度 短波长的电磁波的比例 。,热辐射波谱是连续谱,,各种波长(频率)都有,,例如:加热铁块, 温度,铁块颜色由看, 蓝白色,不出发光 暗红, 橙色, 黄白色,15.1 量子物理学的诞生普朗克量子假设,几种温度下辐射最强的电磁波颜色,头部的红外照片(热的地方显白色,冷的显黑色)头部各部分温度不同,因此它们的热辐射存在差异。,低温物体(例如人体)也有热辐射,但辐射较弱,并且主要成分是波长较长的红外线。,的物体,,维恩设计的黑体:,1、黑体:,黑体是理想化模型,,能完全吸收入射的各种波长电磁波而无反射,不透明介质空腔开一小孔,电磁波射入小孔后,很难再从小孔中射出。小孔表面是黑体。,辐射和吸收达到平衡时,物体的温度不再变化,此时物体的热辐射称为平衡热辐射。,物体辐射电磁波的同时,也吸收电磁波。物体辐射本领越大,其吸收本领也越大。,室温,高温,吸收,白底黑花瓷片,辐射,好的吸收体也是好的辐射体,单位:,单位:,2、单色辐出度 从热力学温度为T的黑体单位面积上,单位时间内,所辐射出的单位波长间隔中( )的电磁波的能量.,3、辐出度,从温度为T的黑体单位时间,单位面积上所辐射出的各种频率(或各种波长)的电磁波的能量总和.,二、 斯特藩 - 玻耳兹曼定律 维恩位移定律,斯特藩 - 玻耳兹曼常量,辐出度,式中,0.5,1 斯特藩 - 玻耳兹曼定律,2 维恩位移定律,常量,峰值波长,当黑体的热力学温度升高时,与单色辐出度M(T)的峰值相对应的波长m向短波方向移动,称为维恩位移定律,斯特藩 玻耳兹曼定律和维恩位移定律是 测量高温、遥感和红外追踪等的物理基础。,解,(1)由维恩位移定律,例1(1)温度为 的黑体,其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少?(2)太阳的单色辐出度的峰值波长 ,试由此估算太阳表面的温度.(3)以上两辐出度之比为多少?,(2),(3)由斯特藩 - 玻耳兹曼定律,由维恩位移定律,三 瑞利 - 金斯公式 经典物理的困难,1900年从经典电动力学和统计物理学理论,(能量均分)推导而得。,瑞利 - 金斯公式,瑞利 - 金斯公式,“紫外灾难”,该公式在低频段与实验曲线符合得很好。高频段明显偏离实验曲线。,“ 物理学晴朗 天空中的一朵 乌云!”,四 普朗克假设 普朗克黑体辐射公式,1900.10.7实验物理学家鲁本斯(Rubens)给,普朗克带来了热辐射理论与实验比较的信息。,当天普朗克就用内差法得出了一个公式:,普朗克公式,(Planck formula),鲁本斯把这 “幸运地猜出来的内插公式” 同最新的,该公式在全波段与实验结果,实验结果比较,发现:,惊人地符合!,普朗克常数,0 1 2 3,6,瑞利 - 金斯公式,2,4,实验值与普朗克公式理论曲线比较,T = 2 000 K,普朗克不满足“侥幸猜到”的半经验公式,要“不惜任何代价” 地去揭示真正的物理意义。,电磁波,普朗克能量子假设,若谐振子频率为 v ,则其能量是 hv , 2hv, 3hv , , nhv , ,普朗克常数 h = 6.62610-34 Js,腔壁上的原子,能 量,与腔内电磁场交换能量时,谐振子能量的变化是 hv 的整数倍., = h,能量子:,* 振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量,量子物理:简谐振子的能量是量子化的(quantization),只能取一系列特定的分立值, =nh,量子物理:简谐振子的能量是量子化的(quantization),只能取一系列特定的分立值,经典物理:设有一弹簧振子,在水平面内振动。由于摩擦系统的能量逐渐耗散,能量减小是连续的,能量子概念的提出标志了量子力学的诞生,普朗克为此获得1918年诺贝尔物理学奖。,在1918年4月普朗克六十岁生日庆祝会上,爱因斯坦说:,他成了一个以伟大的,有人爱科学是为了满足智力上的快感;,“在科学的殿堂里有各种各样的人:,有的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,,这是他无穷的毅力和耐,心的源泉。 ,创造性观念造福于世界的人。”,解(1),能量子,(2),在宏观范围内,能量量子化的效应是极不明显的,即宏观物体的能量完全可视作是连续的.,END,享受物理 领会人生,要求:按时上课、复习这学期重点内容、注重科学复习方法,15-3第71页第一题(1), (2),,15-4第72页第一题(6), (11),,
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