1、第十七章 波粒二象性 第1節 能量量子化 19世紀末頁，牛頓定律在各個領域里世紀末頁，牛頓定律在各個領域里都取得了很大的成功：在機械運動方面不都取得了很大的成功：在機械運動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內能。在電磁學方面，度、壓強、氣體的內能。在電磁學方面，建立了一個能推斷一切電磁現象的建立了一個能推斷一切電磁現象的 Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲方程。另外還找到了力、電、光、聲-等等都遵循的規律都遵循的規律-能量轉化與守恒定律。當能量轉化與守恒定律。當時許多物理學家都沉醉于這些成績和勝利時許多物理學家都沉醉于這些

2、成績和勝利之中。他們認為物理學已經開展到頭了。之中。他們認為物理學已經開展到頭了。 1900年，在英國皇家學會的新年慶祝會上年，在英國皇家學會的新年慶祝會上,著名物理學家開著名物理學家開爾文勛爵作了展望新世紀的發言爾文勛爵作了展望新世紀的發言: “科學的大廈已經基本完成，科學的大廈已經基本完成，后輩的物理學家只要做一些零碎后輩的物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了。的修補工作就行了。” -開爾文開爾文- 也就是說：物理學已經沒有什么新東西了，后一也就是說：物理學已經沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實驗再做一做，在實驗數據的小數輩只要把做過的實驗再做一做，在實驗數據的小數點后面在加幾位罷了

3、！點后面在加幾位罷了！ 但開爾文畢竟是一位重視現實和有眼力的科學家，但開爾文畢竟是一位重視現實和有眼力的科學家，就在上面提到的文章中他還講到：就在上面提到的文章中他還講到： “但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云，兩朵令人不安的烏云，-這兩朵烏云是指什么呢？這兩朵烏云是指什么呢？一朵與黑體輻射有關，一朵與黑體輻射有關，另一朵與邁克爾遜實驗有關。另一朵與邁克爾遜實驗有關。 然而然而, 事隔不到一年事隔不到一年(1900年底年底)，就從第，就從第一朵烏云中降生了量子論，緊接著一朵烏云中降生了量子論，緊接著(1905年年)從從第二朵烏云中降生了相對論

4、。經典物理學的第二朵烏云中降生了相對論。經典物理學的大廈被徹底動搖，物理學開展到了一個更為大廈被徹底動搖，物理學開展到了一個更為遼闊的領域。正可謂遼闊的領域。正可謂“山重水復疑無路山重水復疑無路, 柳暗柳暗花明又一村花明又一村 固體或液體，在任何溫度下都在發射各種波長固體或液體，在任何溫度下都在發射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發而發射電磁波的現象稱為熱輻射。所輻射電磁波的而發射電磁波的現象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征與溫度有關。特征與溫度有關。固體在溫度升高時顏色的變化固體在溫度升高時顏色的變化1400K800K1000K12

5、00K一、黑體與一、黑體與黑體輻射黑體輻射1、熱輻射現象、熱輻射現象一、一、 熱輻射及其特點熱輻射及其特點1、 熱輻射熱輻射由于分子熱運動導致物體輻射電磁波由于分子熱運動導致物體輻射電磁波溫度不同時溫度不同時 輻射的波長分布不同輻射的波長分布不同 例如：鐵塊例如：鐵塊 溫度溫度 從從看不出發光看不出發光到到暗紅暗紅到到橙色橙色到到黃白色黃白色這種與溫度有關這種與溫度有關的的輻射輻射 稱為稱為熱輻射熱輻射熱輻射熱輻射 - - 熱能轉化為電磁能的過程熱能轉化為電磁能的過程2、對熱輻射的初步認識、對熱輻射的初步認識任何物體任何溫度均存在熱輻射任何物體任何溫度均存在熱輻射溫度溫度 發射的能量發射的能量

6、 電磁波的短波成分電磁波的短波成分 如一個如一個20瓦的白熾燈和一個瓦的白熾燈和一個200瓦的白熾燈瓦的白熾燈昏黃色昏黃色明亮明亮 刺眼刺眼直覺直覺: : 低溫物體發出的是低溫物體發出的是紅外光紅外光 熾熱物體發出的是熾熱物體發出的是可見光可見光 高溫物體發出的是高溫物體發出的是紫外光紫外光注意：注意： 熱輻射與溫度有關熱輻射與溫度有關 激光激光 日光燈發光不是熱輻射日光燈發光不是熱輻射3 3、平衡熱輻射、平衡熱輻射 加熱一物體加熱一物體 物體的溫度恒定時物體的溫度恒定時物體所吸收的能量等于在同一物體所吸收的能量等于在同一時間內輻射的能量時間內輻射的能量這時得到的輻射稱為平衡熱輻射這時得到的輻

7、射稱為平衡熱輻射1、定義：、定義：能全部吸收各種波長的輻射能而不發生反能全部吸收各種波長的輻射能而不發生反射，折射和透射的物體稱為絕對黑體。簡稱射，折射和透射的物體稱為絕對黑體。簡稱黑體黑體 不透明的材料制成帶小孔的的空腔不透明的材料制成帶小孔的的空腔, ,可近似看可近似看作作黑體黑體。 研究黑體輻射的研究黑體輻射的規律是了解一般物體規律是了解一般物體熱輻射性質的根底。熱輻射性質的根底。黑體模型黑體模型二、黑體輻射實驗規律二、黑體輻射實驗規律2 2、黑體模型、黑體模型空腔上的小孔空腔上的小孔煉鋼爐上的小洞煉鋼爐上的小洞向遠處觀察翻開向遠處觀察翻開的窗子近似黑體的窗子近似黑體平衡態時平衡態時 黑

8、體輻射只依賴于黑體輻射只依賴于物體的溫度物體的溫度,與構成黑體的材料與構成黑體的材料 形狀無關形狀無關實驗裝置實驗裝置T平行光管平行光管三棱鏡三棱鏡T0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K),(0Te 實驗結果實驗結果o實驗值/m)(0TM維恩線維恩線瑞利瑞利-金斯線金斯線紫紫外外災災難難普普朗朗克克線線12345678黑體輻射實驗是物理學晴朗天空中黑體輻射實驗是物理學晴朗天空中 一朵令人不安的烏云。一朵令人不安的烏云。3 3、能量子假說：輻射黑體分子、原子的振動、能量子假說：輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以發射和吸收可看作諧振子，這些諧振

9、子可以發射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態，在這些狀態中，諧振子的能量并不的狀態，在這些狀態中，諧振子的能量并不象經典物理學所允許的可具有任意值。相應象經典物理學所允許的可具有任意值。相應的能量是某一最小能量的能量是某一最小能量稱為能量子的稱為能量子的整數倍，即：整數倍，即：, 1, 2, 3, . n. , 1, 2, 3, . n. n n為正整數，稱為量子數。為正整數，稱為量子數。對于頻率為對于頻率為的諧振子最小能量為的諧振子最小能量為能量能量量子量子經典經典h(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克實驗值實驗值),(0Te

10、 三、普朗克的能量子假說和黑體輻射公式三、普朗克的能量子假說和黑體輻射公式1、黑體輻射公式黑體輻射公式1900.10.19 普朗克在德國普朗克在德國物理學會會議上提出一個物理學會會議上提出一個黑體輻射公式黑體輻射公式12)(/32kThechTMsJ1055. 634hM.Planck 德國人德國人 185819472、普朗克后來又為這種與經典物理格格不入、普朗克后來又為這種與經典物理格格不入的觀念深感不安，只是在經過十多年的努力的觀念深感不安，只是在經過十多年的努力證明任何復歸于經典物理的企圖都以失敗而證明任何復歸于經典物理的企圖都以失敗而告終之后，他才堅決地相信告終之后，他才堅決地相信h的

11、引入確實反的引入確實反映了新理論的本質。映了新理論的本質。 1918年他榮獲諾貝爾物理學獎。年他榮獲諾貝爾物理學獎。 他的墓碑上只刻著他的姓名和他的墓碑上只刻著他的姓名和秒焦3410626. 6h 黑體輻射的研究卓有成效地展現在人們的眼黑體輻射的研究卓有成效地展現在人們的眼前，前，紫外災難的疑點找到了，紫外災難的疑點找到了，為人類解決了一為人類解決了一大難題。使熱愛科學的人們又一次倍感欣慰，大難題。使熱愛科學的人們又一次倍感欣慰，但真理與謬誤之爭就此平息了嗎？但真理與謬誤之爭就此平息了嗎？3、物理難題：、物理難題：1888年，霍瓦年，霍瓦(Hallwachs)發現一發現一個帶負電的金屬板被紫外光照射會放電。近個帶負電的金屬板被紫外光照射會放電。近10年以后，年以后，1897年，年，J.Thomson發現了電子發現了電子 ，