32第三十二讲量子物理基础ppt课件

1、21 21 量子物理基础量子物理基础作业：练习作业：练习37 37 普朗克能量子假设普朗克能量子假设: 牛顿力学、热学、电磁学和光学，统称经典物牛顿力学、热学、电磁学和光学，统称经典物理学。理学。 经典物理学研究的是宏观领域的物理现象。经典物理学研究的是宏观领域的物理现象。 经典物理学虽然在宏观领域取得了巨大的成功，经典物理学虽然在宏观领域取得了巨大的成功，但有它的局限性。但有它的局限性。 相对论指出了经典物理学的第一个局限性相对论指出了经典物理学的第一个局限性不适用高速运动领域。不适用高速运动领域。 量子物理学指出了经典物理学的第二个局限量子物理学指出了经典物理学的第二个局限性性不适用于电子

2、、原子、分子等微观领域。不适用于电子、原子、分子等微观领域。 : 20 20世纪初，人们发现许多物理实世纪初，人们发现许多物理实验现象无法用经典理论给予解释，如验现象无法用经典理论给予解释，如黑体辐射，光电效应，康普顿效应及黑体辐射，光电效应，康普顿效应及氢原子光谱等。氢原子光谱等。 为了解释这些实验规律，必须建为了解释这些实验规律，必须建立新的理论，即量子理论物理）。立新的理论，即量子理论物理）。:1900年，年， 普朗克为了解决普朗克为了解决经典理论解释黑体辐射规律的困经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了能量子（难，引入了能量子（ Quantum of Energy的概念，为量子理论的概

3、念，为量子理论奠定了基础。奠定了基础。随后，爱因斯坦针对经典理随后，爱因斯坦针对经典理论解释光电效应的困难，提出了论解释光电效应的困难，提出了光量子（光量子（ Light Quantum ） 的的假设，为量子理论的进一步发展假设，为量子理论的进一步发展打开局面。打开局面。:1913年，玻尔在卢瑟福原子有核年，玻尔在卢瑟福原子有核模型的基础上，应用量子化的概念解模型的基础上，应用量子化的概念解释了氢原子光谱，为量子力学的建立释了氢原子光谱，为量子力学的建立打下了基础。打下了基础。以后，玻尔、索末菲和其他许多以后，玻尔、索末菲和其他许多物理学家为发展量子理论花了很大力物理学家为发展量子理论花了很大

4、力气，却遇到了严重困难。要从根本上气，却遇到了严重困难。要从根本上解决问题，只有待于新的思想，那就解决问题，只有待于新的思想，那就是是 “波粒二象性波粒二象性”。:光的波粒二象性早在光的波粒二象性早在1905年就已由爱因斯坦提年就已由爱因斯坦提出，并于出，并于1916年和年和1923年先后得到密立根光电效应年先后得到密立根光电效应实验和康普顿实验和康普顿 X射线散射实验证实，而实物粒子的射线散射实验证实，而实物粒子的波粒二象性在波粒二象性在1924年才由德布罗意提出。年才由德布罗意提出。:这以后经过海这以后经过海森伯、薛定谔、玻森伯、薛定谔、玻恩和狄拉克等人的恩和狄拉克等人的开创性工作，终于开

5、创性工作，终于在在1925年年1928年形年形成完整的量子力学成完整的量子力学理论，与爱因斯坦理论，与爱因斯坦相对论并肩形成现相对论并肩形成现代物理学的两大理代物理学的两大理论支柱。论支柱。:经典力学经典力学量子力学量子力学 量子世界的大门是在黑体辐射问题的研究中开启的。量子世界的大门是在黑体辐射问题的研究中开启的。 微观粒子如电子、微观粒子如电子、原子、分子等）。原子、分子等）。波粒二象性波粒二象性研究对象：研究对象： 低速运动的宏观物体低速运动的宏观物体提出：提出：相对论和量子物理学统称近代物理学。相对论和量子物理学统称近代物理学。相对论相对论高速运动的物体高速运动的物体研究对象：研究对象

6、：研究对象：研究对象：:开始看不出它发光。随着温开始看不出它发光。随着温度的升高，铁块开始呈现暗红色，逐步变为赤红、度的升高，铁块开始呈现暗红色，逐步变为赤红、橙色，最后呈现出黄白色。橙色，最后呈现出黄白色。1400 K800K1000 K1200 K这说明，在不同的温度下物体能发出不同波这说明，在不同的温度下物体能发出不同波长的电磁波。长的电磁波。事实上，在任何温度下，物体都向外发射各种波长的电磁波。只是在不同事实上，在任何温度下，物体都向外发射各种波长的电磁波。只是在不同的温度下所发出的各种波长电磁波的能量按波长的分布不同，所以才表现为不的温度下所发出的各种波长电磁波的能量按波长的分布不同

7、，所以才表现为不同的颜色。同的颜色。21.1 21.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设:物体在任何温度下，由于物体中的分子、原物体在任何温度下，由于物体中的分子、原子热运动而要向外发射各种波长的电磁波的现象，子热运动而要向外发射各种波长的电磁波的现象，称为热辐射。称为热辐射。 物体以电磁波的形式向外辐射出去的能量，物体以电磁波的形式向外辐射出去的能量，称为辐射能。称为辐射能。 对某一个物体来说，物体向外界发射电磁对某一个物体来说，物体向外界发射电磁波的同时，也吸收外来电磁波，发射本领越大，波的同时，也吸收外来电磁波，发射本领越大，吸收本领也越大。吸收本领也越大。 不同物体在

8、某一波长范围内发射和吸收不同物体在某一波长范围内发射和吸收电磁波的能力是不同的。如深色物体比浅色电磁波的能力是不同的。如深色物体比浅色物体吸收或发射电磁波的能力更大一些。物体吸收或发射电磁波的能力更大一些。:1、光谱辐射出射度单色辐射出射度）、光谱辐射出射度单色辐射出射度） M （T） 热辐射所研究的问题是：热辐射所研究的问题是： 辐射能按波长的分布；以及这种分布与温度的关系。辐射能按波长的分布；以及这种分布与温度的关系。物体辐射能的大小：物体辐射能的大小：辐射的波长辐射的波长实验表明：实验表明：物体的温度物体的温度T T）辐射的时间辐射的时间发射的面积发射的面积描述热辐射本领的物理量：描述热

9、辐射本领的物理量：2、辐射出射度辐出度）、辐射出射度辐出度） （全色辐射出射度）（全色辐射出射度） MT）:2、单色辐射出射度、单色辐射出射度( )( )dETMTd 单位：单位：3W/(m )讨论：讨论： 物理意义：表示物体温度物理意义：表示物体温度 T 时，时，单位时间内从物体表面单位面单位时间内从物体表面单位面积上发出的波长在积上发出的波长在 附近单位附近单位波长范围电磁波的能量。波长范围电磁波的能量。（光谱辐射出射度）（光谱辐射出射度）:( )( )0dM TMT 温度越高，辐出度越大。另外，温度越高，辐出度越大。另外，辐出度还与材料性质有关。辐出度还与材料性质有关。阐明：阐明：)(T

10、M可见可见光区光区讨论：讨论： : 如果一个物体在任何温度下，对任何波长的如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。物体为绝对黑体，简称黑体。小孔即相当于黑体的表面。小孔即相当于黑体的表面。在自然界中，黑体在自然界中，黑体是不存在的。是不存在的。黑体模型：黑体模型：黑体：黑体： 吸收吸收100%100%， 反射反射0 0，透射透射0 0理想模型：理想模型：一个由任意材料钢、铜、一个由任意材料钢、铜、陶瓷等做成的开有小孔陶瓷等做成的开有小孔的空腔可看作是黑体。的空腔可看作是黑体。: 当空腔处

11、于某确定的温度时，（也有电磁当空腔处于某确定的温度时，（也有电磁波从小孔中发射出来），空腔内壁不断地发射各种波波从小孔中发射出来），空腔内壁不断地发射各种波长的电磁波，并充满腔内形成的电磁场，部分电磁波长的电磁波，并充满腔内形成的电磁场，部分电磁波从小孔射出，由小孔射出的电磁波就可看成黑体辐射。从小孔射出，由小孔射出的电磁波就可看成黑体辐射。黑体模型：黑体模型： 因为入射到小孔的电磁波，进因为入射到小孔的电磁波，进入小孔后在腔内多次反射被吸收，几入小孔后在腔内多次反射被吸收，几乎没有反射电磁波从小孔出来。乎没有反射电磁波从小孔出来。黑体辐射：黑体辐射：单色辐出度：单色辐出度：:由空腔辐射体的单

12、色辐出度与波长的能谱曲线可知：由空腔辐射体的单色辐出度与波长的能谱曲线可知：由实验测得：由实验测得：b b每条能谱曲线下的面积等于黑每条能谱曲线下的面积等于黑体的辐射出射度，体的辐射出射度，0( )( )dM TMT 即温度为即温度为T T的黑体，在单位的黑体，在单位时间内，从单位面积上辐时间内，从单位面积上辐射出的所有可能波长的总射出的所有可能波长的总辐射能量，等于该温度下，辐射能量，等于该温度下，波长分布曲线下面的面积。波长分布曲线下面的面积。 0 5000K6000K3000K4000Km 可见光可见光( )MT :由空腔辐射体的单色辐出度与波长的能谱曲线可知：由空腔辐射体的单色辐出度与

13、波长的能谱曲线可知：dM(T) 随随 连续变化，每连续变化，每条曲线有一峰值。条曲线有一峰值。 0 5000K6000K3000K4000Km 可见光可见光峰值波长随温度峰值波长随温度T的升高逐渐向的升高逐渐向短波方向移动。短波方向移动。( )M T : 0.5 1.0 1.5 2.01050(10-7 W / m2 m) ( m)可见光可见光5000K6000K3000K4000K二、斯特藩二、斯特藩 玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律（1斯特藩斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律40dTTMTM )()(428KmW10670. 5斯特藩斯特藩玻尔兹曼常量玻尔兹曼常量4( )=M

14、 TT 辐出度辐出度 与与 T 4 成正比。成正比。( )M T( )M T :（2维恩位移定律维恩位移定律bT mKm10898. 23b常量常量峰值波长峰值波长 m 与温度与温度 T 成反比成反比 0.5 1.0 1.5 2.01050(10-7 W / m2 m) ( m)可见光可见光5000K6000K3000K4000K二、斯特藩二、斯特藩 玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律( )M T :（2维恩位移定律维恩位移定律bT m 0.5 1.0 1.5 2.01050(10-7 W / m2 m) ( m)可见光可见光5000K6000K3000K4000K二、斯特藩二

15、、斯特藩 玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律阐明：阐明：( )M T : 这两条定律是黑体辐射的基本定律，它们在这两条定律是黑体辐射的基本定律，它们在现代科学技术中有广泛的应用，是高温测量、星现代科学技术中有广泛的应用，是高温测量、星球表面温度的估测、遥感、红外追踪等技术的物球表面温度的估测、遥感、红外追踪等技术的物理基础。理基础。（1斯特藩斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律( )4M TT 428KmW10670. 5（2维恩位移定律维恩位移定律bT mKm10898. 23b运用：运用：:解：解： 实验测得太阳单色辐出度的最大值对应的实验测得太阳单色辐出度的最大值对应的波长为波

16、长为490nm，若将太阳当作黑体，请估算太阳表，若将太阳当作黑体，请估算太阳表面的温度和太阳的辐出度。面的温度和太阳的辐出度。 例题例题1 1 ： 太阳表面温度太阳表面温度5914 KsmbT 392.899 10490 104( )BsMTT 辐出度辐出度76.936 102 W/m m 对宇宙中其他发光星体的表面温对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法进行推测。度也可用这种方法进行推测。( )M T :三、黑体辐射的瑞利三、黑体辐射的瑞利 金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难 在实验测得黑体辐射能谱在实验测得黑体辐射能谱 后，后，为建立其函数表达式，为建立其函数表达式，19

17、世纪许多物理学家在世纪许多物理学家在经典物理学基础上作了很多努力，结果都失败经典物理学基础上作了很多努力，结果都失败了。其中最典型的是维恩公式和瑞利了。其中最典型的是维恩公式和瑞利金斯公式。金斯公式。( )M T : 1896年维恩从热力学理论的考虑及实验数据的分年维恩从热力学理论的考虑及实验数据的分析，假定谐振子的能量按频率的分布类似于麦克斯韦析，假定谐振子的能量按频率的分布类似于麦克斯韦速率分布率，由经典统计物理导出速率分布率，由经典统计物理导出维恩公式：维恩公式： 维恩公式在短波范围维恩公式在短波范围与实验结果符合得很好，与实验结果符合得很好，但在长波范围有较大偏差。但在长波范围有较大偏

18、差。215()ecTcMT 1、维恩公式、维恩公式 试验曲线试验曲线( )M T : 1900年瑞利根据能量按自由度均分定理，利用经年瑞利根据能量按自由度均分定理，利用经典电磁学与统计物理学理论，得到了黑体辐射的公式；典电磁学与统计物理学理论，得到了黑体辐射的公式；1905年金斯修正了一个数值因子，得出所谓的瑞利年金斯修正了一个数值因子，得出所谓的瑞利金斯公式：金斯公式： 瑞利瑞利金斯公式在长波段与实金斯公式在长波段与实验曲线相符合，在短波段则完全不验曲线相符合，在短波段则完全不能适用，当能适用，当0时，时，M(T) ，这显然是不合理的。物理学史上把这显然是不合理的。物理学史上把这个理论公式与

19、实验结果在短波段这个理论公式与实验结果在短波段严重偏离的结果称为严重偏离的结果称为“紫外灾难。紫外灾难。42()ckTMT 2、瑞利、瑞利金斯公式金斯公式 试验曲线试验曲线紫外灾难紫外灾难( )M T : 维恩公式、尤其是瑞利金斯公式与实验结果维恩公式、尤其是瑞利金斯公式与实验结果不符，使物理学家大为困惑。非常成熟的热力学与不符，使物理学家大为困惑。非常成熟的热力学与非常成功的电磁场理论相结合，导出的结果居然与非常成功的电磁场理论相结合，导出的结果居然与高精度的光学实验相背！这个结果揭示了微观世界高精度的光学实验相背！这个结果揭示了微观世界的特性，同时也显示了经典理论的破绽的特性，同时也显示了

20、经典理论的破绽. : 他提出了一个与经典物理学概念截然不同的他提出了一个与经典物理学概念截然不同的 “能量子假设。能量子假设。 普朗克经过深入研究后发现：必须使谐振子的能量取分立值。普朗克经过深入研究后发现：必须使谐振子的能量取分立值。 黑体是由许多带电的线性谐振子组成，这些谐振子不黑体是由许多带电的线性谐振子组成，这些谐振子不断地发射和吸收辐射能，与周围的电磁场交换能量。断地发射和吸收辐射能，与周围的电磁场交换能量。:金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子，可以吸收或辐射能量。这些振子的能量只子，可以吸收或辐射能量。这些振子的能量只能取一些分立的值，分立值

21、的能量是某一最小能取一些分立的值，分立值的能量是某一最小能量能量 0 = h 的整数倍。的整数倍。空腔壁上带电谐振子所吸收或发射的能量空腔壁上带电谐振子所吸收或发射的能量是是 h 的整数倍。的整数倍。,nh )3 , 2 , 1( nsJ106260755. 634 h普朗克常量普朗克常量 四、普朗克能量子假设四、普朗克能量子假设 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式1.普朗克能量子假设普朗克能量子假设: h1h2h3h4h5h6 振子只能一份一份地按不振子只能一份一份地按不 连续方式辐射或吸收能量。连续方式辐射或吸收能量。普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧普朗克抛弃了经典物理中的能量

22、可连续变化的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份观点，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，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宏观领域进入微标志着人类对自然规律的认识已经从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。 能量是分立的，不是连续的。能量是分立的，不是连续的。 存在着能量的最小单元：存在着能量的最小单元： 能量子能量子 0 = h ；: 瑞利瑞利

23、 金斯金斯 (1900年年)维恩维恩(1896年年)试验曲线试验曲线/( )25211hckThcM Te 这个公式与实验结果这个公式与实验结果符合得非常好！符合得非常好！2.普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式 普朗克按他的能量子假设，并应用经典统计普朗克按他的能量子假设，并应用经典统计得出普朗克黑体辐射公式：得出普朗克黑体辐射公式：( )M T :普朗克的能量子假设，虽然从理论上得出了与实验相一致的黑体辐射频谱分布，普朗克的能量子假设，虽然从理论上得出了与实验相一致的黑体辐射频谱分布，但是，对于提出能量量子化概念的普朗克来说，他并未因此而高兴，相反，他却认为但是，对于提出能量量子化概念的普

24、朗克来说，他并未因此而高兴，相反，他却认为自己做了一件错事，把本来很和谐的经典物理弄得一团糟，内心不安，诚惶诚恐，甚自己做了一件错事，把本来很和谐的经典物理弄得一团糟，内心不安，诚惶诚恐，甚至企图将能量量子化纳入经典物理的轨道之内。至企图将能量量子化纳入经典物理的轨道之内。持有类似态度的物理学家，当时不止普朗克一人，他们还想从经典物理概念中找持有类似态度的物理学家，当时不止普朗克一人，他们还想从经典物理概念中找出路。当然，这些努力都是徒劳的。出路。当然，这些努力都是徒劳的。甚至当甚至当1905年爱因斯坦在普朗克的能量量子化的启发下，提出了光量子概念说明年爱因斯坦在普朗克的能量量子化的启发下，提

25、出了光量子概念说明光电效应之后，普朗克的观点仍无改变。光电效应之后，普朗克的观点仍无改变。接着，接着，1913年玻尔发展了量子化观念，正确地解释了氢原子光谱的规律，直到年玻尔发展了量子化观念，正确地解释了氢原子光谱的规律，直到1915年以后，普朗克的能量子假设才被人们接受。年以后，普朗克的能量子假设才被人们接受。:普朗克普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947)普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论。普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论。1900年年12月月14日他在德国物理学会上，宣读了日他在德国物理学会上，宣读了以以为题为题的论文，提出了能量的量子

26、化假设，并导出了的论文，提出了能量的量子化假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为下的局面。劳厄称这一天为“量子论的诞生量子论的诞生日日”。德国物理学家，量子物理德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。学的开创者和奠基人。 1918年普朗克由于创立了量子理年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖。论而获得了诺贝尔奖。:M.V.普朗克普朗克 研究辐射的量子理研究辐射的量子理论，发现基本量子，论，发现基本量子，提出能量量子化的提出能量量子

27、化的假设假设1918诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖:解：解： 能量子能量子能量量子数能量量子数Enh ,n :M.V.普朗克普朗克 研究辐射的量子理研究辐射的量子理论，发现基本量子，论，发现基本量子，提出能量量子化的提出能量量子化的假设假设1918诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖:黑体辐射的应用黑体辐射的应用测量温度：通过测量星体的谱线分布来确定测量温度：通过测量星体的谱线分布来确定 其热力学温度；其热力学温度；热象图：通过比较物体表面不同区域的颜色热象图：通过比较物体表面不同区域的颜色 变化情况来确定物体表面的温度分布；变化情况来确定物体表面的温度分布；3K背景辐射：对来自外界空间的辐射，可用背景

28、辐射：对来自外界空间的辐射，可用 Wein 位移公式来估算；位移公式来估算；消失线高温计：测量炉温。消失线高温计：测量炉温。:1测量黑体温度测量黑体温度 在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。辐射特性，就可以确定炉内的温度。2光学高温计光学高温计光测高温光测高温高温炉高温炉灯丝灯丝目镜目镜聚焦透镜聚焦透镜 调节调节R，当灯丝温度，当灯丝温度 炉温时，灯丝在炉孔像的炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出亮线。背景上显示出亮线。 当灯丝温度当灯丝温度 炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出暗线。炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出暗线。 当灯丝温度当灯