1、12量子物理引言量子物理引言 到十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日到十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日臻完善，并不断取得新的成就。首先在牛顿力学基础臻完善，并不断取得新的成就。首先在牛顿力学基础上，哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学，几上，哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学，几乎达到无懈可击的地步，特别是十九世纪中期，海王乎达到无懈可击的地步，特别是十九世纪中期，海王星的发现充分表明了牛顿力学是完美无缺的。其次，星的发现充分表明了牛顿力学是完美无缺的。其次，通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的巨大努力，通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的巨大努力，建立了体系完整而又严密的热
2、力学和统计力学，并且建立了体系完整而又严密的热力学和统计力学，并且应用越来越广泛。应用越来越广泛。由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行的深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础，的深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础，特别是由麦克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存特别是由麦克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存在，随即被赫兹的实验所证实。后来又把牛顿、惠更在，随即被赫兹的实验所证实。后来又把牛顿、惠更斯和菲涅耳所建立的光学也纳入了电动力学的范畴，斯和菲涅耳所建立的光学也纳入了电动力学的范畴，更是一项辉煌的成就。更是一项辉煌的成就。3 因
3、此当时许多著名的物理学家都认为物理学的基因此当时许多著名的物理学家都认为物理学的基本规律都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本本规律都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本规律应用到各种具体问题上，并用来说明各种新的实规律应用到各种具体问题上，并用来说明各种新的实验事实而已。就连当时赫赫有名对物理学各方面都做验事实而已。就连当时赫赫有名对物理学各方面都做出过重要贡献的权威人物开耳文在一篇于出过重要贡献的权威人物开耳文在一篇于19001900年发表年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些基本建
4、成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了零星的修补工作就行了”，不过接着又指出：，不过接着又指出：“但是但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌云云”，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个实验现象，一个是热辐射现象中的紫外灾难，另一个实验现象，一个是热辐射现象中的紫外灾难，另一个是否定绝对时空观的迈克尔逊个是否定绝对时空观的迈克尔逊-莫雷实验。正是这莫雷实验。正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理
5、学家的盲目乐观情绪，为后来建立当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。近代物理学的理论基础作出了贡献。4事实上还有第三朵小小的乌云，这就是放射性现象的事实上还有第三朵小小的乌云，这就是放射性现象的发现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元，发现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元，原子也是可以分割的。原子也是可以分割的。所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的，所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的，它们使经典物理处于十分困难境地，为摆脱这种困境，它们使经典物理处于十分困难境地，为摆脱这种困境，有一些思想敏锐而又不受旧观念束缚的物理学家纷纷有一
6、些思想敏锐而又不受旧观念束缚的物理学家纷纷重新思考研究，在二十世纪初期，建立起了近代物理重新思考研究，在二十世纪初期，建立起了近代物理的两大支柱的两大支柱-量子论和相对论，并在这个基础上量子论和相对论，并在这个基础上又建立起以研究原子的结构、性质及其运动规律为目又建立起以研究原子的结构、性质及其运动规律为目的的原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起原的的原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起原子核物理学和基本粒子物理学，这些内容统称为量子子核物理学和基本粒子物理学，这些内容统称为量子物理学。物理学。56 任何物体在任何温度下都要发射各种波长的电任何物体在任何温度下都要发射各种波长的电磁波，
7、并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的磁波，并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的分布都与温度有关。分布都与温度有关。.物体在任何温度下都会辐射能量。物体在任何温度下都会辐射能量。一、热辐射现象一、热辐射现象注注意意.物体既会辐射能量，也会吸收能量。物体在某物体既会辐射能量，也会吸收能量。物体在某个频率范围内发射电磁波能力越大，则它吸收该个频率范围内发射电磁波能力越大，则它吸收该频率范围内电磁波能力也越大。频率范围内电磁波能力也越大。辐射和吸收的能量恰相等时称为辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡热平衡。此时温。此时温度恒定不变。度恒定不变。这种由于物质中的分子、原子受到热激发而发射这种由于物质
8、中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为电磁波的现象称为热辐射热辐射。7 实验表明：物体辐射能多少决定于物体的温度（实验表明：物体辐射能多少决定于物体的温度（T T）、）、辐射的波长、时间的长短和发射的面积。辐射的波长、时间的长短和发射的面积。8 物体具有向四周辐射能量的本领，又有吸收外界物体具有向四周辐射能量的本领，又有吸收外界辐射来的能量。辐射来的能量。黑体黑体是指在任何温度下，全部吸收任何波长的辐射是指在任何温度下，全部吸收任何波长的辐射的物体。的物体。二、黑体与黑体辐射二、黑体与黑体辐射1.1.黑体黑体 对于任意温度或波长，绝对黑体的吸收比都恒为对于任意温度或波长，绝对黑体的吸收
9、比都恒为1 1。9二、黑体与黑体辐射二、黑体与黑体辐射 根据基尔霍夫定律，黑体既是完全的吸收体，根据基尔霍夫定律，黑体既是完全的吸收体，也是理想的发射体。也是理想的发射体。黑体是一种理想的模型，在自然界中并不存黑体是一种理想的模型，在自然界中并不存在完全理想的黑体。在完全理想的黑体。可把一个开小孔的不透光空腔看成黑体。可把一个开小孔的不透光空腔看成黑体。如远处不点灯如远处不点灯的建筑物。的建筑物。10TSL平行光管三棱镜热电偶.黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律 实验中将开有小孔的空腔视为黑体，使其恒温，实验中将开有小孔的空腔视为黑体，使其恒温，测量从小孔中辐射出来的电磁波强度按波长的分布情
10、测量从小孔中辐射出来的电磁波强度按波长的分布情况。况。实验装置实验装置11K1700K1500K1100),(0Teo 实验规律：实验规律：1 1）随着温度的升高，黑体）随着温度的升高，黑体的辐射强度都有增加；的辐射强度都有增加；2 2）随着温度的升高，辐射）随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方强度的极大值向波长较短方向移动。向移动。如何从理论上推导出符合实验结果的函数表达如何从理论上推导出符合实验结果的函数表达式就成为当时物理学中引入注目的问题之一。式就成为当时物理学中引入注目的问题之一。维恩根据经典热力学得出一个半经验公式：维恩根据经典热力学得出一个半经验公式：维恩公式维恩公式Tc
11、ecTe2510),(秒米焦耳/1070.32161c开米221043.1c12 维恩公式在短波部分维恩公式在短波部分与实验结果吻合得很好，与实验结果吻合得很好，但长波却不行。但长波却不行。瑞利和琼斯用能量均分瑞利和琼斯用能量均分定理和电磁理论得出定理和电磁理论得出瑞瑞利利琼斯公式琼斯公式.瑞利瑞利-琼斯琼斯维恩理论值维恩理论值),(0TM实验实验T=1646k 瑞利瑞利琼斯公式在长波部分与实验结果比较吻合。琼斯公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在紫外区竟算得单色辐出度为无穷大但在紫外区竟算得单色辐出度为无穷大所谓的所谓的“紫紫外灾难外灾难”。利用经典理论无法解释黑体辐射现象。正如利用经典理
12、论无法解释黑体辐射现象。正如1900年开耳文指出的晴朗的物理学理论大厦上空，飞来年开耳文指出的晴朗的物理学理论大厦上空，飞来“两朵乌云两朵乌云”之一，它动摇了经典物理的基础。之一，它动摇了经典物理的基础。13 1900年德国物理学家普朗克在维恩位移定律和瑞年德国物理学家普朗克在维恩位移定律和瑞利利-琼斯公式之间用内插法建立了一个普遍公式琼斯公式之间用内插法建立了一个普遍公式.普朗克公式普朗克公式该公式与实验结果相符合。该公式与实验结果相符合。),(0TM实验实验瑞利瑞利-琼斯琼斯维恩理论值维恩理论值T=1646k瑞利瑞利-琼斯琼斯普朗克理论值普朗克理论值14.金属空腔壁中电子的振动可视金属空腔
13、壁中电子的振动可视振振子。这些振子可以子。这些振子可以吸收或辐射能量。吸收或辐射能量。对频率为对频率为 的振子，它具有的最小的振子，它具有的最小能量是能量是h，能具有，能具有的其它能量值是的其它能量值是h 的整数倍。的整数倍。.空腔壁上带电振子所吸收或发射的能量是空腔壁上带电振子所吸收或发射的能量是 h 的整的整数倍。数倍。nhE)3,2,1(nsJ10626.634h普朗克常数普朗克常数*振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量。振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量。*能量是分立的，不是连续的。存在着能量的最小单能量是分立的，不是连续的。存在着能量的最小单元（能量子元（能量子=h
14、 h)；为了能够从理论上推导出这个公式，普朗克提出为了能够从理论上推导出这个公式，普朗克提出了一个与经典物理学概念截然不同的了一个与经典物理学概念截然不同的“能量子能量子”假假设：设：15 普朗克由于提出能量子假设，为此获普朗克由于提出能量子假设，为此获1918年诺贝年诺贝尔物理学奖。尔物理学奖。根据普朗克能量子假设，很容易从理论上推导出根据普朗克能量子假设，很容易从理论上推导出普朗克公式。普朗克公式。16 例：已经证明，例：已经证明，1S1S内进入眼睛的光，若波长内进入眼睛的光，若波长556nm,556nm,当光子数达到当光子数达到5757个时能引起眼睛的视觉。个时能引起眼睛的视觉。设某点光
15、源发射的光波长为设某点光源发射的光波长为556nm556nm，功率为，功率为2W2W，若不计途中损失，眼睛最远在多大距离能观察若不计途中损失，眼睛最远在多大距离能观察到这个光源？（设瞳孔在暗处的直径为到这个光源？（设瞳孔在暗处的直径为4nm4nm）171.1.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。黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。2.2.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，灯丝在炉孔像炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出亮线。的背景上显示出亮线。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炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出暗线。暗线。当灯丝温度当灯丝温度=炉温时，灯丝在炉孔像的背景上消失。炉温时，灯丝在炉孔像的背景上消失。由通过灯丝电流由通过灯丝电流强度可算出炉温强度可算出炉温T。
