物理-班26量子第一讲

1、量子物理基础第六部分二象性波粒第一章理 学 院 物 理 系我不画猫的形象，我只画猫的微笑“我不画猫的形象,我只画猫的微笑。”毕加索亚威农少女1907年（一）量子力学开创了物理学的新时代近代物理学：需要用量子力学或者相对论解释的物理学。量子力学是描述微观粒子运动规律的理论。它最初是为了解决原子物理的问题而提出的。微观粒子（如电子、原子、分子等）的运动，以及在一定的条件下由微观粒子组成的宏观系统（如超导体、超流体、玻色爱因斯坦凝聚体）都必须用量子力学来描述。为什么学习量子力学？（二）量子力学是物理、化学、生物、材料学等各个学科的理论基础 1）铜为什么在108溶化？2）钠蒸汽为什么发黄光？3）物体为

2、什么有导体、绝缘体、半导体之分？4）元素周期律的本质是什么？5）原子与原子之间是如何结合成分子的？ 凡是涉及到物质属性及微观结构的问题，原则上都要用量子力学来处理。 为什么学习量子力学？（三）量子力学带来了许多高科技产业和技术为什么学习量子力学？激光核磁共振成像集成电路扫描隧道显微镜量子计算量子保密通信量子力学建立的主要事件1900年普朗克提出发出光子的谐振子能级是量子化的，用以解决黑体辐射问题。1905年爱因斯坦提出光的能量是量子化的，每一份是一个光子。1913年波尔提出原子中电子的轨道是量子化的。1923年德布罗意提出物质波的假设。他认为实物粒子也具有波动性。 1925年泡利提出泡利不相容

3、原理。1925年海森堡等提出量子力学的矩阵力学形式。1926年薛定谔提出量子力学的波动力学形式。1927年海森堡提出海森堡不确定性原理。1928年狄拉克将量子力学与相对论结合创立了相对论量子力学。量子物理史话 曹天元 量子力学建立的主要事件可见量子力学的建立不是哪一个科学家的贡献，而是一群科学家在协同合作与相互争辩中历经30年逐步建立的。教学目的：1）明白什么是量子（quanta）？阿喀琉斯追龟辩兔子乌龟教学目的：1）明白什么是量子（quanta）？ 能量量子化、角动量量子化等等2）掌握量子理论的核心思想 波粒二像性、概率波解释、不确定性关系、量子测量塌缩3）有哪些奇特的量子现象？ 量子干涉、

4、隧穿效应4）量子理论有哪些应用？ 激光、半导体技术、核磁共振、量子通信、量子计算、原子钟、解释各种材料的性质和光谱等等尽管目前所有的实验证明量子力学的数学体系能够准确预言微观粒子的行为，但如何来理解量子力学理论却还存在许多困难，甚至有些上升到了哲学问题。学习方法I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics. Feynman“我希望你们按照自然界本来的面目接受自然界”，“重要的是：这个理论所给出的预言能否与实验符合。而一个理论是否在哲学上令人喜爱，或者是否容易理解，或者是否从常识的观点看完全合乎逻辑，所有这些

5、都无所谓。” 学习的心态：直接接受它。第一节 黑体辐射问题能量子假说一、热辐射现象二、黑体辐射实验规律三、经典理论的困难四、普朗克能量子假说五、热辐射应用举例一、热辐射现象第一节 黑体辐射问题能量子假说物体温度升高时颜色的变化：逐渐升温热辐射现象：物体依靠自身内能而辐射电磁波的现象。1）任何物体在任何温度下都有热辐射；2）辐射各种波长的电磁波（连续谱）； 3）辐射与吸收同时进行，且吸收本领越大的物体，辐射本领也越大。一、热辐射现象第一节 黑体辐射问题能量子假说1、 一般特征室温下，反射光 1100K，自身辐射光 夏天穿深色衣服凉快还是浅色衣服凉快？温度辐射功率短波贡献一、热辐射现象第一节 黑体

6、辐射问题能量子假说3）单位时间热辐射的能量及其按波长或频率的分布均与温度都有关；单色辐出度辐出度单色吸收率吸收率 0.5 1.0 1.5 2.01050功率 ( m)5000K6000K3000K4000K一、热辐射现象第一节 黑体辐射问题能量子假说2、 相关概念单位时间内从物体单位表面积发出的、波长在附近单位波长范围内的电磁波能量。（W/m2 ）1）单色辐出度(a). 与有关；(b). 与T有关。 0.5 1.0 1.5 2.01050功率 ( m)6000K2）辐出度单位时间内从物体单位表面积发出的所有波长的电磁波能量。 （W/(m2Hz)） 只与温度T有关。一、热辐射现象第一节 黑体辐射

7、问题能量子假说3）单色吸收率温度为T 时, 单位时间内入射到物体单位表面的,波长在 +d 间隔内的电磁波的能量被物体吸收的百分比。以上这些物理量均与物体种类及其表面情况有关。平衡热辐射：加热一物体，若物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，则物体的温度恒定。3、 基尔霍夫定律（1860年，G.Krichhoff)单色辐出度和单色吸收率的比值，与物体的材质及其表面性质无关，仅决定于温度和波长。普适函数 怎样来确定该普适函数？ 在什么特殊情况下，测量工作最简单？黑体一、热辐射现象第一节 黑体辐射问题能量子假说1、 黑体模型特征：二、黑体辐射实验规律在相同的温度下有最强的辐射。确定了，便可以确定

8、。 有什么近似黑体的例子呢？ (a)远处楼房中不点灯的窗户; (b)不透明空腔上的小孔。 黑体=黑色的物体？第一节 黑体辐射问题能量子假说19二、黑体辐射实验规律第一节 黑体辐射问题能量子假说2、黑体辐射的实验规律S L1D不透明空腔平行光管三棱镜探测器黑体黑体的单色辐出度仅是温度T， 的函数，与材料无关。在相同的温度下，不同材质的黑体发出相同的热辐射谱。 0.5 1.0 1.5 2.01050e0 (10-7 W / m2 m) ( m)5000K6000K3000K4000K1）斯特藩 玻耳兹曼定律 （StefanBoltzman law）总辐出度二、黑体辐射实验规律第一节 黑体辐射问题能

9、量子假说3、黑体辐射热辐射谱 0.5 1.0 1.5 2.01050e0 (10-7 W / m2 m) ( m)5000K6000K3000K4000K二、黑体辐射实验规律第一节 黑体辐射问题能量子假说3、黑体辐射热辐射谱2）维恩位移定律（Wien displacement law）测量高温、遥感和红外追踪等的物理基础1、Wien 公式 （1896年 依据:经典统计物理） 缺陷: 在长波段与实验曲线有明显偏离。W. Wien (1864-1928)The Nobel Prize in Physics 1911For his discovery regarding the laws gover

10、ning the radiation of heat .维恩线实验线三、经典理论的困难第一节 黑体辐射问题能量子假说2、RayleighJeans 公式（1900年1905年） 理论依据：经典电动力学与统计力学 缺陷：在短波段严重偏离实验曲线。“紫外光灾难” 瑞利-金斯线三、经典理论的困难第一节 黑体辐射问题能量子假说瑞利：因为发现氩获得1904年诺贝尔物理学奖。瑞利-金斯线实验线维恩线麦克斯韦速率分布律-短波麦克斯韦方程组与能量均分定理-长波三、经典理论的困难第一节 黑体辐射问题能量子假说凑！M. Planck 1、Plank 公式 （1900.10.19）实验物理学家鲁本斯（Rubens）

11、把它同最新的实验结果比较,发现：在全波段与实验结果惊人符合。第一节 黑体辐射问题能量子假说四、普朗克能量子假说第一节 黑体辐射问题能量子假说四、普朗克能量子假说可导出其他所有热辐射公式：（Wein位移定律）（Stefan-Boltzmann定律）（Wein公式）（Rayleigh 公式）“当时，我已经为辐射和物质的问题奋斗了6年，但一无所获。但是我知道，这个问题对于整个物理学至关重要，我也已经找到了确定能量分布的那个公式。所以不论付出什么代价，我必须找到它在理论上的解释。”M. Planck 第一节 黑体辐射问题能量子假说四、普朗克能量子假说1900.12.14:“关于正常谱中能量分布的理论”

12、2、能量子假设Plank 公式黑体腔壁中的分子、原子可看作线性谐振子,电磁波能量这些谐振子在发射或吸收电磁波时，其能量不能是任意值（“连续值”）。对于频率为v 的谐振子： = h 能量子h = 6.5510-34 Js “作用量子”第一节 黑体辐射问题能量子假说四、普朗克能量子假说例：设一质量为 m=1g 的小球悬挂在一个轻弹簧下作振幅 A=1mm的谐振动。弹簧的劲度系数 k=0.1N/m。按量子理论计算，此弹簧振子的能级间隔多大？减少一个能量子时，振动能量的相对变化是多少？现在能达到的最高的能量分辨率为：第一节 黑体辐射问题能量子假说四、普朗克能量子假说 为什么在宏观世界中, 观察不到能量分

13、离的现象?意义： 解决了黑体辐射困难；首次提出能量吸收和放出是量子化的，打破了经典物理学中能量连续的观念。 重要的物理常数：h第一节 黑体辐射问题能量子假说四、普朗克能量子假说1921 叶企孙，W.Duane， H.H.Palmer 测得：1986推荐值：1998推荐值：一般取： 普朗克常量意义： 解决了黑体辐射困难；首次提出能量吸收和放出是量子化的，打破了经典物理学中能量连续的观念。 重要的物理常数：h第一节 黑体辐射问题能量子假说四、普朗克能量子假说1900.12.14：“量子论的诞生日”为量子力学的诞生奠定了基础The Nobel Prize in Physics 1918in reco

14、gnition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta.M. Planck 实验规律（掌握） 经典理论的困难 假设 确立新理论第一节 黑体辐射问题能量子假说四、普朗克能量子假说玻尔对普朗克量子论的评价： “在科学史上很难找到其它发现能象普朗克的基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里产生如此非凡的结果这个发现将人类的观念不仅是有关经典科学的观念，而且是有关通常思维方式的观念的基础砸得粉碎，上一代人能取得有关自然知识的如此神奇的进展，应归功于人们从传统的思

15、想束缚下获得的这一解放。”1900年12月14日，普朗克宣读了黑体辐射论文，宣告了quantum 的诞生，那一年他42岁。同年，一个名叫Albert Einstein的青年从ETH毕业，失业中。在丹麦，15岁的波尔正在读中学；在奥地利维也纳的一所高级中学，13岁的Schrodinger正在读中学（跟Boltzmann校友）。Louis de Broglie当时8岁，法国贵族；Pauli出生8个月。再过12个月，维尔兹堡一个名叫Werner Heisenberg的希腊小孩诞生；早些时候，意大利罗马诞生了Enrico Fermi；20个月以后，Dirac出生。量子物理史话 曹天元 第一节 黑体辐射

16、问题能量子假说四、普朗克能量子假说1） 光测高温：测量冶炼炉、钢水等高温物体的温度。高温炉灯丝目镜聚焦透镜调节滑阻器当灯丝温度炉温时：灯丝在炉孔像的背景上显示出亮线。当灯丝温度=炉温时：灯丝在炉孔像的背景上消失。当灯丝温度炉温时：灯丝在炉孔像的背景上显示出暗线。由通过灯丝电流强度可推算出炉温T。五、热辐射应用举例第一节 黑体辐射问题能量子假说2）估算发光天体有效温度由 测得太阳光谱的峰值波长，太阳的表面温度是多少？1050e0 (10-7 W / m2 m) ( m)可见光m = 0.47 m。注：太阳不是黑体，所以按黑体计算出的 Ts 低于太阳的实际温度；E 0 (T) 高于实际辐出度。 m

17、 = 0.47 m五、热辐射应用举例第一节 黑体辐射问题能量子假说 T 6166K3） 确定宇宙背景辐射大爆炸宇宙论预言：当今的宇宙中仍应残留着温度约为2.7K的热辐射。 1964年：Penzias与Wilson探测到宇宙背景辐射。其辐射谱恰好与强度峰在1.05mm附近的黑体辐射谱吻合。他们共享了1978年诺贝尔物理学奖黑体辐射线宇宙背景辐射线m = 1.05 mm五、热辐射应用举例第一节 黑体辐射问题能量子假说 4）遥感、红外夜视与跟踪技术的物理基础（1）热辐射与夜视技术五、热辐射应用举例第一节 黑体辐射问题能量子假说红外照相机拍摄的人头部热图热的地方显白色；冷的地方显黑色。物体不同部分不同强度的红外线红外探测