第一节 能量量子化.ppt

能量量子化 物理学的新纪元 第一节 19世纪末页 牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功 在机械运动方面不用说 在分子物理方面 成功地解释了温度 压强 气体的内能 在电磁学方面 建立了一个能推断一切电磁现象的Maxwell方程 另外还找到了力 电 光 声 等都遵循的规律 能量转化与守恒定律 当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中 他们认为物理学已经发展到头了 1900年 在英国皇家学会的新年庆祝会上 著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言 也就是说 物理学已经没有什么新东西了 后一辈只要把做过的实验再做一做 在实验数据的小数点后面在加几位罢了 但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家 就在上面提到的文章中他还讲到 这两朵乌云是指什么呢 一朵与黑体辐射有关 另一朵与迈克尔逊实验有关 然而 事隔不到一年 1900年底 就从第一朵乌云中降生了量子论 紧接着 1905年 从第二朵乌云中降生了相对论 经典物理学的大厦被彻底动摇 物理学发展到了一个更为辽阔的领域 正可谓 山重水复疑无路 柳暗花明又一村 固体或液体 在任何温度下都在发射各种波长的电磁波 这种由于物体中的分子 原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射 所辐射电磁波的特征与温度有关 固体在温度升高时颜色的变化 1 热辐射现象 黑体与黑体辐射 一 热辐射及其特点 1 热辐射 由于分子热运动导致物体辐射电磁波温度不同时辐射的波长分布不同 例如 铁块温度 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色 这种与温度有关的辐射称为热辐射热辐射 热能转化为电磁能的过程 2 对热辐射的初步认识 任何物体任何温度均存在热辐射 温度 发射的能量 电磁波的短波成分 如一个20瓦的白炽灯和一个200瓦的白炽灯 昏黄色 贼亮刺眼 直觉 低温物体发出的是红外光炽热物体发出的是可见光高温物体发出的是紫外光注意 热辐射与温度有关激光日光灯发光不是热辐射 二 平衡热辐射加热一物体物体的温度恒定时 物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量 这时得到的辐射称为平衡热辐射 能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射的物体称为绝对黑体 简称黑体 2 黑体辐射实验规律 不透明的材料制成带小孔的的空腔 可近似看作黑体 黑体模型 研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础 黑体模型 空腔上的小孔炼钢炉上的小洞 向远处观察打开的窗子近似黑体 平衡态时黑体辐射只依赖于物体的温度 与构成黑体的材料形状无关 实验结果 黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云 3 能量子假说 辐射黑体分子 原子的振动可看作谐振子 这些谐振子可以发射和吸收辐射能 但是这些谐振子只能处于某些分立的状态 在这些状态中 谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值 相应的能量是某一最小能量 称为能量子 的整数倍 即 1 2 3 n n为正整数 称为量子数 对于频率为 的谐振子最小能量为 能量 量子 经典 m 1235689 4 7 普朗克 实验值 普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 1 黑体辐射公式1900 10 19普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式 M Planck德国人1858 1947 普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安 只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后 他才坚定地相信h的引入确实反映了新理论的本质 1918年他荣获诺贝尔物理学奖 他的墓碑上只刻着他的姓名和 黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前 紫外灾难的疑点找到了 为人类解决了一大难题 使热爱科学的人们又一次倍感欣慰 但真理与谬误之争就此平息了吗 物理难题 1888年 霍瓦 Hallwachs 发现一个带负电的金属板被紫外光照射会放电 近10年以后 1897年 J Thomson发现了电子 此时 人们认识到那就是从金