15-1 普朗克量子假设.ppt

第十五章 量子物理基础 quantumphysics 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 Anyonewhoisn tshockedbyquantumtheoryhasnotunderstoodit 尼尔斯 玻尔 Icansafelysaythatnobodyunderstandsquantummechanics 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 Planckformula 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 0123 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 2000K 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 6 626 10 34J s 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