1、第二章 波和粒子 2.1 拨开黑体辐射的疑云拨开黑体辐射的疑云19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面获得巨大成就。很大的成功：在机械运动方面获得巨大成就。在热学方面，成功地解释了温度、压强、气在热学方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了能推断一体的内能。在电磁学方面，建立了能推断一切电磁现象的麦克斯韦方程。另外还找到了切电磁现象的麦克斯韦方程。另外还找到了力、电、光、声力、电、光、声-等都遵循的规律：能量转等都遵循的规律：能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些
2、成绩和胜利之中。他们认为物理学已经这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。发展到头了。材料鉴赏材料鉴赏:1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言勋爵作了展望新世纪的发言:“科学的大厦已经基本完成，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后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。的修补工作就行了。”-开尔文开尔文-也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈科学家只要把做过的实验再精确一下，在实验数据科学家只要把做过的实验再精确一下，
3、在实验数据的小数点后面再加几位罢了！的小数点后面再加几位罢了！但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，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：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，还有两朵令但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，人不安的乌云，-”这两朵乌云是指什么呢？这两朵乌云是指什么呢？黑体辐射实验黑体辐射实验光的速度光的速度后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。花。普朗克量
4、子力学的诞生普朗克量子力学的诞生相对论问世相对论问世这两朵乌云到底是什么回事呢？这两朵乌云到底是什么回事呢？经典力学经典力学量子力学量子力学相对论相对论微观领域微观领域高速领域高速领域思考与讨论1 1，在炉火旁边有什么感觉？，在炉火旁边有什么感觉？2 2，投在炉中的铁块一开始是什么颜色？，投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？800K1000K1200K1400K固体在温度升高时颜色的变化：固体在温度升高时颜色的变化：热辐射现象：热辐射现象：一切物体在任何温度下都一切物体在任何温度下都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关
5、，所以叫做热辐射。有关，所以叫做热辐射。辐射规律：辐射规律：1.辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波，辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波，不同波长，辐射强度不同。不同波长，辐射强度不同。2.温度升高，辐射强度增大，同时辐射温度升高，辐射强度增大，同时辐射电磁波的频率和波长也在变化。电磁波的频率和波长也在变化。问题：如何研究物体的热辐射规律？问题：如何研究物体的热辐射规律？v注意：除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外注意：除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波，界射来的电磁波，v例如：常温下我们看到的物体颜色就是物体反射了例如：常温下我们看到的物体颜色就是物体反射了该频率的电磁波，
6、吸收了其他频率的电磁波。一些该频率的电磁波，吸收了其他频率的电磁波。一些物体看起来很黑，其实是它吸收所有电磁波，反射物体看起来很黑，其实是它吸收所有电磁波，反射的电磁波很弱。的电磁波很弱。v那么：在研究物体热辐射中，应如何避那么：在研究物体热辐射中，应如何避免反射电磁波的影响？免反射电磁波的影响？一，黑体及黑体辐射一，黑体及黑体辐射 理想的热辐射体是理想的热辐射体是“绝对黑体绝对黑体”，简称，简称“黑黑体体”。它在任何温度下都能全部吸收。它在任何温度下都能全部吸收入射的各入射的各种波长的电磁波而不发生反射。种波长的电磁波而不发生反射。德国物理学家基尔霍夫首先提出了绝对黑体的模型。德国物理学家基
7、尔霍夫首先提出了绝对黑体的模型。说明：说明：黑体是个黑体是个理想化的模型理想化的模型。例：开孔的空腔，。例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。远处的窗口等可近似看作黑体。实验表明：对于一般材料的物体，辐射实验表明：对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与电磁波的情况除与温度温度有关外，还与有关外，还与材料的材料的种类及表面状况种类及表面状况有关，而黑体辐射电磁波的有关，而黑体辐射电磁波的规律只与黑体的温度有关，因而可以反映某种规律只与黑体的温度有关，因而可以反映某种具有普通意义的客观规律。于是，在研究具有普通意义的客观规律。于是，在研究热辐热辐射射的规律时人们特别注意对的规律时人们特别注
8、意对黑体辐射黑体辐射的研究的研究。0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K辐射强度二：黑体辐射的实验规律二：黑体辐射的实验规律随着温度的升高：随着温度的升高：1，各种波长的辐射强度都有增加；，各种波长的辐射强度都有增加；2，辐射强度的极大值辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。向波长较短的方向移动。你能由图找到黑体你能由图找到黑体辐射的实验规律吗？辐射的实验规律吗？瑞利公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在瑞利公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在紫外区紫外区(波长范围在紫外线附近波长范围在紫外线附近)竟算得辐射强度竟算得辐射强度为无穷大，这个荒谬的结论被认为是
9、物理学理论为无穷大，这个荒谬的结论被认为是物理学理论的灾难，当时称为的灾难，当时称为“紫外灾难紫外灾难”。瑞利理论值瑞利理论值维恩理论值维恩理论值0(,)MT实验实验T=1646k维恩公式在维恩公式在短波部分与短波部分与实验结果吻实验结果吻合得很好，合得很好，但长波却不但长波却不行。行。三、能量子三、能量子 超越牛顿的发现超越牛顿的发现 微观世界的某微观世界的某些规律，在我们些规律，在我们宏观世弄看来可宏观世弄看来可能非常奇怪。能非常奇怪。普朗克能量子理论普朗克能量子理论*微观粒子的能量只能是某一最小能量值微观粒子的能量只能是某一最小能量值的整数倍的整数倍，E=n（n=1,2,），这个不可再分
10、的最这个不可再分的最小能量值小能量值叫能量子。叫能量子。n n为正整数，称为量子数。为正整数，称为量子数。*带电微粒吸收和辐射能量时，也是以这个最小能带电微粒吸收和辐射能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射和吸收的。量值为单位一份一份地辐射和吸收的。h=6.626 10-34 J*S-普朗克常数普朗克常数*能量子的能量：能量子的能量：=h （是辐射吸收的电磁波的频率）(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克理论普朗克理论实验值实验值),(0Te 理论与实验符合的让人击掌叫绝理论与实验符合的让人击掌叫绝1800K能量量子化：能量量子化：v宏观世界中：能量可以是任意值，可以连续变化。宏
11、观世界中：能量可以是任意值，可以连续变化。例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。v微观世界中：微观粒子的能量只能是一个一个的微观世界中：微观粒子的能量只能是一个一个的特定值，不能连续变化。（特定值，不能连续变化。（能量量子化能量量子化），例如：），例如：物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。v量子化：只能取一系列分立值，不能连续变化量子化：只能取一系列分立值，不能连续变化v你能举出生活中你能举出生活中“量子化量子化”例子吗？例子吗？v普朗克的量子化理论改变了人们对世界的根本认识。普朗克的量子化理论改变了
12、人们对世界的根本认识。1900年不仅成为新世纪年不仅成为新世纪的开始，也成为物理学的一个新纪元。的开始，也成为物理学的一个新纪元。18年后，普朗克为此获得了诺贝尔物年后，普朗克为此获得了诺贝尔物理学奖。理学奖。意义：意义：普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化、普朗克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，物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了提出了能量量子化、物体辐射或吸收能量只能能量量子化、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。一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创不仅成功地解决
13、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。力学的诞生奠定了基础。扩展阅读扩展阅读:变革的困难变革的困难v1900年年12月月14日普朗克在德国物理学会上报告了自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。假说，却受到冷遇，当时没有人相信他的假说。v能量的变化竟然是不连续的，这与物理学界几百年能量的变化竟然是不连续的
14、，这与物理学界几百年来信奉的来信奉的“自然界无跳跃自然界无跳跃”的原则直接矛盾，因此的原则直接矛盾，因此量子论出现之后，许多物理学家不予接受量子论出现之后，许多物理学家不予接受,物理学界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。论性的量子假说。v遗憾的是，普朗克虽然发现了能量子，但他不能遗憾的是，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
15、时间，他总安。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。他曾在散步时对儿想退回到经典物理学的立场。他曾在散步时对儿子说：子说：“我现在做的事情，要么毫无意义，要么我现在做的事情，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。可能成为牛顿以后物理学上最大的发现。”v普朗克在做出量子假说时已年过四十。他受过严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。他的能实的压力，才不得
16、不做出能量子的假说。他的能量子理论是不彻底的，他的理论还是以承认电磁量子理论是不彻底的，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粒子对电磁波的吸收和发射的特殊性仅仅局限于粒子对电磁波的吸收和发射的特殊性上。上。v年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了光电效应；年，他又将量子理论解释了光电效应；年，他又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功；年，运用到固体比热问题，获得成功；年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了经典理论解释原子稳定性的
17、困难，建立了他的原经典理论解释原子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展；子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展；年，康普顿通过实验最终使物理学家们年，康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性，从而使量子理论得到确认光量子图景的实在性，从而使量子理论得到科学界的普遍承认。科学界的普遍承认。v科学的发展总是在困难中前进，失败不可科学的发展总是在困难中前进，失败不可怕，它是人类进步的阶梯。怕，它是人类进步的阶梯。本节课的主要知识本节课的主要知识:微观粒子的运动微观粒子的运动是不连续的是不连续的,在发射和吸收能量的时候，在发射和吸收能量的时候，不是连续的，而是一份一份的。能量是不是连续的，而是一份一份的。能量是h 的整数倍。的整数倍。每份能量为每份能量为:E=hsJh3410626.6
