物理学史上的两朵乌云.ppt

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 能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射 折射和透射的物体称为绝对黑体 简称黑体 1 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 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 2 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 普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 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 m 1235689 4 7 普朗克 实验值 当光线照射在金属表面时 金属中有电子逸出的现象 称为光电效应 逸出的电子称为光电子 1 什么是光电效应 石英窗 光线经石英窗照在阴极上 便有电子逸出 光电子 光电子在电场作用下形成光电流 2 光电效应的实验规律 1 光电效应实验 将换向开关反接 电场反向 则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用 当K A间加反向电压 光电子克服电场力作功 当电压达到某一值Uc时 光电流恰为0 Uc称遏止电压 遏止电压 I Uc O U 光强较弱 光电效应伏安特性曲线 光电效应实验装置 遏止电压 光电效应的实验规律 I I s U a O U 光强较强 光强较弱 光电效应伏安特性曲线 光电效应实验装置 遏止电压 饱和电流 光电效应的实验规律 2 光电效应实验规律 光电流与光强的关系 饱和光电流强度与入射光强度成正比 截止频率 c 极限频率 对于每种金属材料 都相应的有一确定的截止频率 c 当入射光频率 c时 电子才能逸出金属表面 当入射光频率 c时 无论光强多大也无电子逸出金属表面 光电效应是瞬时的 从光开始照射到光电逸出所需时间 10 9s 3 爱因斯坦的光量子假设 1 内容 光不仅在发射和吸收时以能量为h 的微粒形式出现 而且在空间传播时也是如此 也就是说 频率为 的光是由大量能量为 h 光子组成的粒子流 这些光子沿光的传播方向以光速c运动 在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量 一部分消耗在电子逸出功A 另一部分变为光电子逸出后的动能Ek 由能量守恒可得出 2 爱因斯坦光电效应方程 1923年 德布罗意最早想到了这个问题 并且大胆地设想 对于光子的波粒二象性会不会也适用于实物粒子 1 物质波的引入 光具有粒子性 又具有波动性 光子能量和动量为 上面两式左边是描写粒子性的E P 右边是描写波动性的 将光的粒子性与波动性联系起来 实物粒子 静止质量不为零的那些微观粒子 一切实物粒子都有具有波粒二象性 实物粒子的波粒二象性的意思是 微观粒子既表现出粒子的特性 又表现出波动的特性 实物粒子的波称为德布罗意波或物质波 物质波的波长称为德布罗意波长 2 德布罗意关系式 德布罗意把爱因斯坦对光的波粒二象性描述应用到实物粒子 动量为P的粒子波长 德布罗意公式 德布罗意是第一个由于博士论文 提出的物质波的假设 获得了诺贝尔奖 经典力学中 物体初始位置 动量以及粒子所在力场的性质确定后 物体以后的运动位置就可确定 但对微观粒子 因具有的波动性 其坐标和动量不能同时确定 我们不能用经典的方法来描述它的粒子性 严格的理论给出的不确定性关系为 首先由海森堡给出 1927 海森堡不确定性关系 海森堡测不准关系 它的物理意义是 微观粒子不可能同时具有确定的位置和