物理學的新紀元能量量子化

1、物理學的發(fā)展歷史物理學的發(fā)展歷史 1919世紀末，牛頓定律在各個領域里都取世紀末，牛頓定律在各個領域里都取得了很大的成功：在機械運動方面不用說，得了很大的成功：在機械運動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強、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，建立了一個能氣體的內能。在電磁學方面，建立了一個能推斷一切電磁現象的推斷一切電磁現象的 麥克斯韋方程。另外麥克斯韋方程。另外還找到了力、電、光、聲還找到了力、電、光、聲等都遵循的規(guī)等都遵循的規(guī)律律-能量轉化與守恒定律。當時許多物理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之中。他們認學家都沉醉于

2、這些成績和勝利之中。他們認為物理學已經發(fā)展到頭了。為物理學已經發(fā)展到頭了。愛因斯坦愛因斯坦伽利略伽利略著名物理學家著名物理學家愛迪生愛迪生牛頓牛頓楞次楞次 麥克斯韋主要從事麥克斯韋主要從事電磁理論、分子物理學、電磁理論、分子物理學、統計物理學、光學、力統計物理學、光學、力學、彈性理論方面的研學、彈性理論方面的研究。尤其是他建立的電究。尤其是他建立的電磁場理論，將電學、磁磁場理論，將電學、磁學、光學統一起來，是學、光學統一起來，是1919世紀物理學發(fā)展的最世紀物理學發(fā)展的最光輝的成果，是科學史光輝的成果，是科學史上最偉大的綜合之一。上最偉大的綜合之一。 麥克斯韋麥克斯韋 1900年，在英國年，在

3、英國皇家學會的新年慶皇家學會的新年慶祝會上，著名物理祝會上，著名物理學家開爾文作了展學家開爾文作了展望新世紀的發(fā)言：望新世紀的發(fā)言：“科學的大廈已經科學的大廈已經基本完成，后輩的基本完成，后輩的物理學家只要做一物理學家只要做一些零碎的修補工作些零碎的修補工作就行了。就行了?！遍_爾文開爾文 說明：物理學已經沒有什么新東西說明：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，了，后一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！在實驗數據的小數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的科

4、學家，就在上面提到的文章中他還講到：講到：“但是，在物理學晴朗天空的遠但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云，處，還有兩朵令人不安的烏云，-”-”這兩朵烏云是指什么呢？一朵與黑體輻這兩朵烏云是指什么呢？一朵與黑體輻射有關，另一朵與邁克爾遜實驗有關。射有關，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年年底），就從第一朵烏云中降生了量子底），就從第一朵烏云中降生了量子論，緊接著（論，緊接著（1905年）從第二朵烏云年）從第二朵烏云中降生了相對論。經典物理學的大廈中降生了相對論。經典物理學的大廈被徹底動搖，物理學發(fā)展到了一個更被徹底動搖，物理學發(fā)展到

5、了一個更為遼闊的領域。正可謂為遼闊的領域。正可謂“山重水復疑山重水復疑無路，無路， 柳暗花明又一村柳暗花明又一村”。 1.1.在火爐旁邊有什么感覺？在火爐旁邊有什么感覺？ 2.2.投在火爐中的鐵塊剛開始是投在火爐中的鐵塊剛開始是什么顏色？過一會兒又是什么顏什么顏色？過一會兒又是什么顏色。色。1.1.熱輻射熱輻射 固體或液體，在任何溫度下都在固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)發(fā)射各種波長的電磁波射各種波長的電磁波，這種由于物體中，這種由于物體中的分子、原子熱運動而發(fā)射電磁波的現的分子、原子熱運動而發(fā)射電磁波的現象稱為象稱為熱輻射熱輻射。（1 1）所輻射電磁波的特征與溫度有關。）所輻射電磁波的特征與溫

6、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800k1200k1200k1400k一、黑體與黑體輻射一、黑體與黑體輻射 例如：鐵塊在隨溫度升高時從看不例如：鐵塊在隨溫度升高時從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色。出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色。這種與溫度有關的輻射這種與溫度有關的輻射 稱為熱輻射。稱為熱輻射。（2 2）熱輻射）熱輻射 - - 熱能轉化為電磁能的熱能轉化為電磁能的過程。過程。 任何物體在任何溫度均存在熱輻射任何物體在任何溫度均存在熱輻射, , 溫度溫度升高升高，發(fā)射的能量，發(fā)射的能量升高。升高?，F象現象: : 低溫物體發(fā)出的是紅外光低溫物體發(fā)出的是紅外光 熾熱物體發(fā)出的

7、是可見光熾熱物體發(fā)出的是可見光 高溫物體發(fā)出的是紫外光高溫物體發(fā)出的是紫外光注意：注意： 激光激光 日光燈發(fā)光不是熱輻射。日光燈發(fā)光不是熱輻射。 （3 3）無論是高溫物體還是低溫物體，都有熱）無論是高溫物體還是低溫物體，都有熱輻射，所輻射的能量及其按波長的分布都隨溫輻射，所輻射的能量及其按波長的分布都隨溫度而變化。度而變化。（4 4）熱輻射解釋：大量帶電粒子的無規(guī)）熱輻射解釋：大量帶電粒子的無規(guī)則熱運動引起的。則熱運動引起的。思考與討論思考與討論 一座建設中的樓房還沒安一座建設中的樓房還沒安裝窗子，盡管室內已經粉刷，裝窗子，盡管室內已經粉刷，如果從遠處看，把窗內的亮如果從遠處看，把窗內的亮度與

8、樓房外墻的亮度相比，度與樓房外墻的亮度相比，你會發(fā)現什么？為什么？你會發(fā)現什么？為什么？2.黑體：黑體： 能全部吸收各種波長的輻射能而能全部吸收各種波長的輻射能而不不發(fā)生反射發(fā)生反射，折射折射和和透射透射的物體稱為的物體稱為絕絕對黑體對黑體。簡稱黑體。簡稱黑體。 對于一般材料的物體，輻射電磁波對于一般材料的物體，輻射電磁波的強度除了與溫度有關外，還與材料的強度除了與溫度有關外，還與材料的種類以及表面狀況有關，而黑體輻的種類以及表面狀況有關，而黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關。體的溫度有關。 如果在一個空墻壁上開一個很小的如果在一個空墻壁上開一個

9、很小的孔，那么攝入小孔的電磁波在空腔內表面孔，那么攝入小孔的電磁波在空腔內表面會發(fā)生多次反射和吸收。最終不能從空腔會發(fā)生多次反射和吸收。最終不能從空腔射出，這個小孔就成了一個絕對黑體。射出，這個小孔就成了一個絕對黑體。說明：說明： (1)(1)黑體是個理想化的模型。黑體是個理想化的模型。 (2)(2)對于黑體，在相同溫度下的輻射對于黑體，在相同溫度下的輻射規(guī)律是相同的。規(guī)律是相同的。0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K),(0Te 實驗結果實驗結果 從中可以看出，隨著溫度的升從中可以看出，隨著溫度的升高，各種波長的強度有所增加，而高，各種波長的強度有所增加，

10、而且，輻射強度的極大值向波長較短且，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。的方向移動。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12345678o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黑體輻射實驗是物理學晴朗天空中一朵令人不安的烏云。中一朵令人不安的烏云。 德國物理學家，量德國物理學家，量子物理學的開創(chuàng)者和奠子物理學的開創(chuàng)者和奠基人，基人，1918年諾貝爾

11、物年諾貝爾物理學獎的獲得者。理學獎的獲得者。 普朗克的偉大成就，普朗克的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論，就是創(chuàng)立了量子理論，這是物理學史上的一次這是物理學史上的一次巨大變革。從此結束了巨大變革。從此結束了經典物理學一統天下的經典物理學一統天下的局面。局面。普朗克普朗克三、能量子、超越牛頓的發(fā)現三、能量子、超越牛頓的發(fā)現1.普朗克能量子假說普朗克能量子假說 輻射黑體分子、原子的振動可看作諧輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量的狀態(tài)，在

12、這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經典物理學所允許的可具有任意并不象經典物理學所允許的可具有任意值。值。相應的能量是某一最小能量相應的能量是某一最小能量稱為能稱為能量子。量子。能量子的整數倍，即：能量子的整數倍，即：, 1, 2, 3, . n. n為正整數，稱為為正整數，稱為量子數量子數。2.普朗克常數普朗克常數 對于頻率為對于頻率為的能量子最小能量：的能量子最小能量： =h h=6.626 10-34焦耳。焦耳。普朗克常數普朗克常數 比喻比喻：電磁波就好象是機關槍發(fā)射子：電磁波就好象是機關槍發(fā)射子彈，子彈是一顆一顆向前運動的，每一彈，子彈是一顆一顆向前運動的，每一顆子彈就好象是一份電磁波。顆子

13、彈就好象是一份電磁波。 能量能量量子量子經典經典3.振子只能一份一份地按不振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量連續(xù)方式輻射或吸收能量4.意義：意義：普朗克普朗克拋棄了經典物理中的能量可連拋棄了經典物理中的能量可連續(xù)變化、物體輻射或吸收的能量可以續(xù)變化、物體輻射或吸收的能量可以為任意值的舊觀點，提出了能量子、為任意值的舊觀點，提出了能量子、物體輻射或吸收能量只能一份一份地物體輻射或吸收能量只能一份一份地按不連續(xù)的方式進行的新觀點。這不按不連續(xù)的方式進行的新觀點。這不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)物理學研究新局面，標志著人且開創(chuàng)物理學研究新局面，標志

14、著人類對自然規(guī)律的認識已經從從宏觀領類對自然規(guī)律的認識已經從從宏觀領域進入微觀領域，為量子力學的誕生域進入微觀領域，為量子力學的誕生奠定了基礎。奠定了基礎。5.黑體輻射公式：黑體輻射公式： 1900.10.19 普朗克在德國物理學會會普朗克在德國物理學會會議上提出一個黑體輻射公式議上提出一個黑體輻射公式12)(/32kThechTM 普朗克后來又為這種與經典物理格格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，只是在經過十多不入的觀念深感不安，只是在經過十多年的努力證明任何復歸于經典物理的企年的努力證明任何復歸于經典物理的企圖都以失敗而告終之后，他才堅定地相圖都以失敗而告終之后，他才堅定

15、地相信信h的引入確實反映了新理論的本質。的引入確實反映了新理論的本質。 ( m)1 2 3 5 6 8 947普普 朗朗 克克實實 驗驗 值值),(0Te 普朗克公式與實驗結果的比較。曲線是普朗克公式與實驗結果的比較。曲線是根據普朗克的公式做出的，小圓代表實驗值根據普朗克的公式做出的，小圓代表實驗值 1實驗測出了輻射的電磁波的強實驗測出了輻射的電磁波的強度按波長的分布情況。隨著溫度的升度按波長的分布情況。隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都高，一方面，各種波長的輻射強度都有有_，另一方面，輻射強度，另一方面，輻射強度的極大值向波長的極大值向波長_的方向的方向移動。移動。較短較短增加增加2對一束太陽光進行分析，下列說對一束太陽光進行分析，下列說法正確的是法正確的是 ( )A太陽光是由各種單色光組成的復太陽光是由各種單色光組成的復合光合光B在組成太陽光的各單色光中，其在組成太陽光的各單色光中，其能量最強的光為紅光能量最強的