1　能量量子化 (2).ppt

17 1能量量子化 抚顺市第十中学白旭东 历史背景 19世纪末 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麦克斯韦方程 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了尽头 1900年 在英国皇家学会的新年庆祝会上 物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言 科学的大厦已经基本完成 后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了 开尔文 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 但是 在物理学晴朗天空的远处 还有两朵令人不安的乌云 这两朵乌云是指什么呢 黑体辐射实验 迈克尔逊 莫雷实验 后来的事实证明 正是这两朵乌云发展成为一场革命的风暴 乌云落地化为一场春雨 浇灌着两朵鲜花 普朗克量子力学的诞生 相对论问世 这两朵乌云到底是什么回事呢 量子力学 相对论 微观领域 高速领域 经典力学 思考与讨论1 在火炉旁边有什么感觉 投在炉中的铁块开始是什么颜色 过一会有是什么颜色 固体或液体 在任何温度下都在辐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 例如 铁块温度 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色 一 热辐射现象 无论是高温物体还是低温物体 都有热辐射 所辐射的能量及波长的分布都随温度而变化 表明 辐射强度及波长的分布随温度变化 随着温度升高 电磁波的短波成分增加 注意 激光 日光灯发光不是热辐射热平衡状态 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 思考与讨论2 一座建设中的楼房还没安装窗子 尽管室内已经粉刷 如果从远处看窗内 你会发现什么 为什么 二 黑体与黑体辐射物体表面能够吸收和反射外界射来的电磁波 如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射 则称这种物体为绝对黑体 简称黑体 不透明材料制成的带小孔的空腔 说明 黑体是个理想化的模型 例 开孔的空腔 远处的窗口等可近似看作黑体 对于黑体 在相同温度下的辐射规律是相同的 一般物体的辐射与温度 材料 表面状况有关 但黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关 三 黑体辐射的实验规律研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础 1 测量黑体辐射的实验原理图 加热空腔使其温度升高 空腔就成了不同温度下的黑体 从小孔向外的辐射就是黑体辐射 2 辐射强度 单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能 称为辐射强度 发现 随温度的升高 各种波长的辐射强度都在增加 绝对黑体的温度升高时 辐射强度的最大值向波长较短方向移动 辐射强度 3 经典物理学所遇到的困难 解释实验曲线一朵令人不安的乌云 1 维恩的半经验公式 短波符合 长波不符合2 瑞利 金斯公式 长波符合 短波荒谬 紫外灾难 普朗克能量子假说 辐射物体中包含大量振动着的带电微粒 它们的能量是某一最小能量的整数倍E n n 1 2 叫能量子 简称量子 n为量子数 它只取正整数 能量量子化 谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量 对于频率为 的谐振子 最小能量为 h h 6 626 10 34J s 普朗克常量 四 能量子 超越牛顿的发现 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 能量 意义 阅读书本p29 Planck抛弃了经典物理中的能量可连续变化 物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点 提出了能量子 物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点 这不仅成功地解决了热辐射中的难题 而且开创物理学研究新局面 标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域 为量子力学的诞生奠定了基础 黑体辐射公式 1900年10月19日 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 h 6 55 10 34J s m 9 4 7 普朗克 实验值 1 2 3 5 6 8 1900年12月14日普朗克在德国物理学会上报告了自己的研究结果 他的公式受到欢迎 但他的能量子假说 却受到冷遇 当时没有人相信他的假说 能量子假说的提出 给经典物理学打开了一个缺口 为量子物理学安放了一块奠基石 宣告量子物理学的诞生 能量的变化竟然是不连续的 这与物理学界几百年来信奉的 自然界无跳跃 的原则直接矛盾 因此量子论出现之后 许多物理学家不予接受 量子论的出现 物理学界最初的反应是极其冷淡的 人们只承认普朗克那个同实验一致的经验性的辐射公式 而不承认他的理论性的量子假说 遗憾的是 普朗克虽然发现了能量子 但他不能理解这一发现的意义 对自己的发现长期惴惴不安 在发现能量子之后的长达 年时间 他总想退回到经典物理学的立场 他曾在散步时对儿子说 我现在做的事情 要么毫无意义 要么可能成为牛顿以后物理学上最大的发现 普朗克在做出量子假说时已年过四十 他受过严格的经典物理学训练 对经典物理学十分熟悉和热爱 他不愿意同经典物理学决裂 只是迫于事实的压力 才不得不做出能量子的假说 他的能量子假说是不彻底的 他的理论还是以承认电磁波本身的连续性为基础的 他把自己的量子假说仅仅局限于振子对电磁波的吸收和发射的特殊性上 面对量子论的发展与成功 以及科学界的批评 普朗克最终放弃了倒退的立场 1920年 在诺贝尔奖颁奖仪式上 他作了题为 量子理论的创立和当前的发展状况 的演讲 演讲中他说 我觉得整个的发展过程似乎是为歌德在很久以前所说的一句名言提供了一个新的证明 这句名言是 人要奋斗就要有错误 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 h 6 626 10 34J s 例1 下列叙述正确的是 A 一切物体都在辐射电磁波B 一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关C 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关D 黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波 ACD 例2 炼钢工人通过观察炼钢炉内的颜色 就可以估计出炉内的温度 这是根据什么道理 例3 对应于3 4 l0 l9J的能量子 其电磁辐射的频率和波长各是多少 解析 根据公式 h 和 c 得 h 5 13 1014Hz c 5 85 10 7Hz 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属表面射出的电子 后来 这些电子被称作光电子 photoelectron 相应的效应叫做光电效应 人们本着对光的完美理论 光的波动性 电磁理论 进行解释会出现什么结果 问题 既然灯向外辐射的光能是分立的 一份份的 为何我们看不到灯的亮度发生变化 结论 1 在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为 物体的运动是连续的 能量变化是连续的 不必考虑量子化2 在研究微观粒子时必需考虑能量量子化 问题与结论 普朗克理论 能量在发射和吸收的时候 不是连续不断 而是分成一份一份的 能量是h 的整数倍 每份能量为 E h 1900年12月14日 普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文 宣告了量子的诞生 那一年他42岁 普朗克把能量子引入物理学 正确地破除了 能量连续变化 的传统观念 成为现代物理学思想的基石之一 为我们打开了量子之门 就在1900年 一个名叫爱因斯坦的青年从苏黎世联邦工业大学毕业 正在为将来的生活发愁 5年后他受量子化启发提出了光量子 成功的解释了光电效应 能量量子化 物理学的新纪元 就在那一年 在丹麦 15岁的玻尔正在哥本哈根的中学里读书 玻尔有着好动的性格 学习方面 他在数学和科学方面显示出了非凡的天才 但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全校有名 13年后他提出了原子轨道量子化 德布罗意当时8岁 还正在家里接受良好的幼年教育 后来他提出了物质波 再过12个月 维尔兹堡一位著名希腊文学教授就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海森堡呱呱坠地 以上人物都将在我们