清華大學(xué)大學(xué)物理-近代物理-1c.pptVIP

量 子 物 理 引 言,十九世紀(jì)末，經(jīng)典物理已發(fā)展得相當(dāng)成熟，,人們認(rèn)為，對物理現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識已經(jīng)完成。,海王星的發(fā)現(xiàn)（ 1846在Leverrier“筆尖下,更使人感到經(jīng)典物理似乎可以解決所有問題。,當(dāng)時，著名的英國物理學(xué)家J.J.湯姆孫曾說道：,“物理學(xué)的大廈已基本建成，,后輩物理學(xué)家只要,做些修補(bǔ)工作就行了。 ”,看到的”）,和電磁理論對波動光學(xué)的成功解釋，,然而在人類即將跨入20世紀(jì)的時候，,現(xiàn)了某些無法用經(jīng)典理論解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 ,卻發(fā),MM實(shí)驗(yàn)“零結(jié)果”,和熱輻射“紫外災(zāi)難”。,1900年，Kelvin在新年的祝詞中把此稱為是,去尋找新的解決途徑。,這些矛盾迫使人們跳出傳統(tǒng)的物理學(xué)框架，,晴朗的物理學(xué)天空中出現(xiàn)的“兩朵烏云”。,MM實(shí)驗(yàn) 相對論 黑體輻射 量子論, 相對論 1905 狹義相對論 1916 廣義相對論 引力、天體 量子力學(xué) 舊量子論的形成： 1900 Planck 振子能量量子化 1905 Einstein 電磁輻射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化,近代物理（20世紀(jì)）包括：,新的紀(jì)元,人類跨入20世紀(jì)的時候，,物理學(xué)也開始了,從經(jīng)典物理走向了近代物理。,1925 Heisenberg 矩陣力學(xué), 量子力學(xué)的建立：,量子力學(xué) 原子、分子、原子核、固體 量子電動力學(xué)（QED） 電磁場 量子場論 原子核和粒子, 量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展：,1924 de Broglie 電子具有波動性,1928 Dirac 相對論波動方程,1927 Davisson， G.P.Thomson 電子衍射實(shí)驗(yàn),1926 Schroedinger 波動方程,就是狹義相對論（1905）、廣義相對論（1916）,“在本世紀(jì)初，發(fā)生了三次概念上的革命，,它們深刻地改變了人們對物理世界的了解，,和量子力學(xué)（1925）?！?這,正如楊振寧在愛因斯坦對理論物理學(xué)的,影響一文（1979）所說：,1.1黑體輻射, 1.2光電效應(yīng)（自學(xué)）,1.3光子、光的二象性,1.4 康普頓效應(yīng),1.5 實(shí)物粒子的波動性,1.6 概率波與概率幅,1.7不確定關(guān)系,第一章 波粒二象性,1.1 黑體輻射,1. 熱輻射（heat radiation）,溫度不同時,輻射的波長（或頻率）也不同，,例如：加熱鐵塊， 溫度，鐵塊顏色由看,這種與溫度有關(guān)的電磁輻射，稱為熱輻射。,也就是輻射電磁波。,物體受熱就會發(fā)光，, 藍(lán)白色,不出發(fā)光 暗紅, 橙色, 黃白色,同一個黑白花盤子的兩張照片,室溫下，反射光,1100K，自身輻射光,（與溫度有關(guān)、熱輻射）,3. 光譜輻出度（單色輻出度）M,這種溫度不變的熱輻射稱之為平衡熱輻射。,（單位時間內(nèi)）,2. 平衡熱輻射,則物體的溫度恒定。,加熱一物體，,若物體所吸收的能量等于在,同一時間內(nèi)輻射的能量，,M 單位時間內(nèi)，從物體單位表面發(fā)出的頻,率在 附近單位頻率間隔內(nèi)的電磁波的能量。,M 取決于T，物 質(zhì)種類和表面情況,4.（總）輻出度（總發(fā)射本領(lǐng)）M(T) （radiant exitance）,單位：w/m2,（monochromatic absorptance）,5. 單色吸收比（率） (T),的物體，,維恩設(shè)計的黑體,三.黑體（black body）,1. 黑體：,黑體是理想化模型，,能完全吸收各種波長電磁波而無反射, 小孔空腔,即使是煤黑、黑琺瑯對太陽光的 也小于 99%。,電磁波射入小孔后，,很難再從小孔中射出。,演示,黑體模型,2. 基爾霍夫（Kirchhoff）輻射定律：,這表明：,1）黑體光譜輻出度最大,2）好的輻射體也是好的吸收體,3）若M 黑體已知，則,在平衡熱輻射時，有規(guī)律：,利用黑體可撇開材料的具體性質(zhì)，來普遍,與材料無關(guān),地研究熱輻射本身的規(guī)律。,四. 黑體輻射譜（即M 關(guān)系）的規(guī)律,1.黑體輻射測量的實(shí)驗(yàn)裝置,對黑體加熱，會放出熱輻射。,通過光柵可得到黑體輻射的頻譜。,通過熱電偶可得到黑體輻射的光譜輻出度。,2. 黑體輻射譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,不同溫度下的黑體輻曲線,曲線與橫軸圍的面積就是M(T),鎢絲和太陽的熱輻射曲線,1）維恩位移定律,1893年由理論推導(dǎo)而得,3. 黑體輻射定律,（Wien displacement law）,維恩位移定律,設(shè)太陽為黑體，測得,算出 T表面 = 5700K,m=510nm，,2）斯特藩 玻耳茲曼定律,Stefan（德）Boltzman（奧）, 斯特藩 玻耳茲曼常量,斯特藩 玻耳茲曼定律和維恩位移定律是 測量高溫、遙感和紅外追蹤等的物理基礎(chǔ)。,1879年斯特藩從實(shí)驗(yàn)上總結(jié)而得,1884年玻耳茲曼從理論上證明,五. 經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難 - 如何解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)曲線？,空腔壁產(chǎn)生的熱輻射，想象 成空腔壁內(nèi)有許多以壁為 節(jié)點(diǎn)的電磁駐波。,其中最典型的是維恩公式 和瑞利金斯公式：,黑體內(nèi)的駐波,但是， 由經(jīng)典理論導(dǎo)出的M(T ) 公式都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合！,（1）維恩公式（非前面的維恩位移定律） 他假定駐波能量按頻率的分布類似于 （經(jīng)典的）麥克斯韋速度分布率。得,（2）瑞利金斯公式 瑞利假定駐波的平均能量為 kT （經(jīng)典的能量均分定理），得,在高頻段好；低頻段明顯偏離實(shí)驗(yàn)曲線！,在低頻段尚好；高頻段 (紫外區(qū))與實(shí)驗(yàn)明顯不符， 短波極限為無限大“紫外災(zāi)難”！,黑體熱輻射的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較,M,瑞利金斯公式,維恩公式,實(shí)驗(yàn)值點(diǎn),1911年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者 維恩,德國人 Wilhelm Wien 1864-1928 熱輻射定律的發(fā)現(xiàn),英國人 Lord Rayleigh 1842-1919 氬的發(fā)現(xiàn),1904年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者 瑞利,六普朗克的能量子假說和黑體熱輻射公式,1.普朗克假設(shè)（1900年）,普朗克(1858-1947年)與魯本斯。,即物體發(fā)射或吸收電磁輻射 只能以“量子”方式進(jìn)行。,普朗克認(rèn)為空腔黑體的熱平衡狀態(tài)，是組成腔壁 的帶電諧振子不斷發(fā)射和吸收電磁波的平衡狀態(tài)。,他認(rèn)為諧振子的能量 E 只能是離散值（不連續(xù)?。?他把每個E值都稱為能量子。,2.普朗克公式,1900.12.14.-量子論誕生日。,普朗克在德國物理學(xué)會上報告了與全波段實(shí)驗(yàn) 結(jié)果極為符合的普朗克公式：,h 稱為普朗克常數(shù)。,普朗克當(dāng)時根據(jù)黑體輻射實(shí)驗(yàn)得出 h = 6.358 10-34 Js,普朗克公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較,M,瑞利金斯公式,維恩公式,普朗克公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較,實(shí)驗(yàn)曲線, 玻爾對普朗克量子論的評價：,“在科學(xué)史上很難找到其它發(fā)現(xiàn)能象普朗克的,產(chǎn)生如此非凡的結(jié)果。,基本作用量子一樣在僅僅一代人的短時間里,這個發(fā)現(xiàn)將人類的觀念,不僅是有關(guān)經(jīng)典科學(xué)的觀念，而且是有關(guān)通,普朗克本人在若干年內(nèi)也有過很多的困惑和彷徨,能量不連續(xù)的概念與經(jīng)典物理學(xué)是完全不相容的！,常思維方式的觀念的基礎(chǔ)砸得粉碎， ”,“在科學(xué)的殿堂里有各種各樣的人：有人愛科學(xué)是,普朗克獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎。,以偉大的創(chuàng)造性觀念造福于世界的人?！?為了滿足智力上的快感；有人是為了純粹功利的,目的，而普朗克熱愛科學(xué)是為了得到現(xiàn)象世界那,些普遍的基本規(guī)律， 他成了一個,在普朗克獲博士學(xué)位 五十周年紀(jì)念會上， 普朗克向愛因斯坦頒發(fā) 普朗克獎?wù)?金屬及其化合物在電磁波照射下發(fā)射電子的 現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，所發(fā)射的電子稱為光電子。,實(shí)驗(yàn)裝置：,GD為光電管， 光通過石英窗口照射 陰極K，光電子從陰極 表面逸出。,光電子在電場加速下向 陽極A 運(yùn)動，形成光電流。,實(shí)驗(yàn)規(guī)律如下：,1.2 光電效應(yīng),1.3 光的二象性 光子, 光強(qiáng) I 對飽和光電流 im的影響：,1.實(shí)驗(yàn)規(guī)律：, 頻率的影響：,與頻率 有關(guān)，,在頻率 一定時，,存在紅限頻率, 光電轉(zhuǎn)換時間極短 10-9s(即使光非常非常弱)。,2.波動理論的困難（不能解釋以上、 ）,截止電壓Uc 與光強(qiáng) I 無關(guān),K常數(shù)；U0與材料有關(guān)。,一.愛因斯坦的光子理論(1905年),光的發(fā)射、傳播、吸收都是 量子化的，一束光就是以速 率 c 運(yùn)動的一束光子流。,光子能量,（不是nh ）,A：逸出功,二.光子理論對光電效應(yīng)的解釋,發(fā)展了普朗克開創(chuàng)的量子論：,愛因斯坦光電效應(yīng)方程：,而且光電轉(zhuǎn)換時間極短。,與實(shí)驗(yàn)得到的紅限頻率 完全一致。,對比實(shí)驗(yàn)規(guī)律,得出,密立根整整化了10年時間，克服了重重困難， 利用巧妙而復(fù)雜的裝置，于1915年完成了 光電效應(yīng)的高精度實(shí)驗(yàn)。,密立根的本意是去否定、 結(jié)果卻驗(yàn)證了光子理論！-物理家的科學(xué)精神！,-密立根在實(shí)驗(yàn)中精確地測量得斜率K，計算得普朗克常數(shù) h = 6.57 10-34 Js,密立根- 1923年諾貝爾物理學(xué)獎,他還通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)研究 基本電荷，證明電荷有最小單位。,這對愛因斯坦光子假設(shè)也是極大的支持。,密立根,愛因斯坦-1921年獲諾貝爾物理獎,普朗克根據(jù)黑體輻射實(shí)驗(yàn)求得 h = 6.358 10-34 Js,兩個不同的理論與實(shí)