能量量子化,物理學(xué)的新紀(jì)元【公開課教學(xué)PPT課件】高中物理

19世紀(jì)末頁，牛頓定律在各個領(lǐng)域里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，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲----等都遵循的規(guī)律---能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。

1900年，在英國皇家學(xué)會的新年慶祝會上,著名物理學(xué)家開爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言:“科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補工作就行了。”

--開爾文--也就是說：物理學(xué)已經(jīng)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(shù)據(jù)的小數(shù)點后面在加幾位罷了！

但開爾文畢竟是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：

“但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，----”這兩朵烏云是指什么呢？一朵與黑體輻射有關(guān)，另一朵與邁克爾遜實驗有關(guān)。然而,事隔不到一年(1900年底)，就從第一朵烏云中降生了量子論，緊接著(1905年)從第二朵烏云中降生了相對論。經(jīng)典物理學(xué)的大廈被徹底動搖，物理學(xué)發(fā)展到了一個更為遼闊的領(lǐng)域。正可謂“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村思考與討論1，在爐火旁邊有什么感覺？2，投在爐中的鐵塊一開始是什么顏色？過一會兒又是什么顏色？固體在溫度升高時顏色的變化1400K800K1000K1200K熱輻射一、黑體與黑體輻射思考與討論

一座建設(shè)中樓房還沒有安裝窗子，盡管室內(nèi)已粉刷，如果從遠(yuǎn)處觀察，把窗內(nèi)的亮度與樓外墻的亮度相比，你會發(fā)現(xiàn)什么？為什么？一、黑體與黑體輻射

實驗表明．對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外．還與材料的種類及表面狀況有關(guān)．而黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)．因而反映了某種具有普通意義的客觀規(guī)律．于是，在研究熱輻射的規(guī)律時．人們特別注意對黑體輻射的研究.2.黑體及黑體輻射

理想的熱輻射體是“絕對黑體”，簡稱“黑體”，它是在任何溫度下都能全部吸收落在它上面的一切輻射的

理想物體。1895年，維恩首先指出，絕對黑體可以用一個帶有小孔的輻射空腔（見圖)來實現(xiàn)當(dāng)空腔受熱時，空腔壁會發(fā)出輻射，極小部分通過小孔逸出。熱平衡狀態(tài)：向外發(fā)射的電磁波能量=從外界吸收的能量直覺:

低溫物體發(fā)出的是:熾熱物體發(fā)出的是:高溫物體發(fā)出的是:注意：

熱輻射與溫度有關(guān)激光、日光燈發(fā)光不是熱輻射紅外光可見光紫外光實驗裝置T平行光管三棱鏡T二、黑體輻射實驗規(guī)律0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K實驗結(jié)果二、黑體輻射實驗規(guī)律o實驗值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線12345678二、黑體輻射實驗規(guī)律三、能量子超越牛頓的發(fā)現(xiàn)

微觀世界的某些規(guī)律，在我們宏觀世弄看來可能非常奇怪。ε=hν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，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量ε（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。能量量子經(jīng)典

三、能量子超越牛頓的發(fā)現(xiàn)λ(μm)123568947普朗克實驗值三、能量子超越牛頓的發(fā)現(xiàn)問題與練習(xí)

在一杯開水中放入一枝溫度計，開水靜置室內(nèi)，可以看到開水的溫度逐漸降低的，既然從微觀的角度來看能量是一份一份向外輻射的，為什么它的溫度不是一段一段地降低？

開水向外輻射每一份能量很?。ㄎ⒂^量）而水降低一攝氏度釋放的能量很大（宏觀量）由于溫度計的精度不夠，所以觀察到不是一段一段降低的

圖中的熱輻射曲線就是依照普朗克計及能量子假設(shè)而導(dǎo)出的輻射公式畫成的，與黑體輻射實驗結(jié)果相符合。

1900年12月14日普朗克在德國物理學(xué)會上報告了自己的研究結(jié)果，他的公式受到歡迎，但他的能量子假說，卻受到冷遇，當(dāng)時沒有人相信他的假說。

能量子假說的提出，給經(jīng)典物理學(xué)打開了一個缺口，為量子物理學(xué)安放了一塊奠基石，宣告量子物理學(xué)的誕生。

能量的變化竟然是不連續(xù)的，這與物理學(xué)界幾百年來信奉的“自然界無跳躍”的原則直接矛盾，因此量子論出現(xiàn)之后，許多物理學(xué)家不予接受。量子論的出現(xiàn)，物理學(xué)界最初的反應(yīng)是極其冷淡的。人們只承認(rèn)普朗克那個同實驗一致的經(jīng)驗性的輻射公式，而不承認(rèn)他的理論性的量子假說。

遺憾的是，普朗克雖然發(fā)現(xiàn)了能量子，但他不能理解這一發(fā)現(xiàn)的意義，對自己的發(fā)現(xiàn)長期惴惴不安。在發(fā)現(xiàn)能量子之后的長達(dá)14年時間，他總想退回到經(jīng)典物理學(xué)的立場。他曾在散步時對兒子說：“我現(xiàn)在做的事情，要么毫無意義，要么可能成為牛頓以后物理學(xué)上最偉大的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

普朗克在做出量子假說時已年過四十。他受過嚴(yán)格的經(jīng)典物理學(xué)訓(xùn)練，對經(jīng)典物理學(xué)十分熟悉和熱愛。他不愿意同經(jīng)典物理學(xué)決裂，只是迫于事實的壓力，才不得不做出能量子的假說。他的能量子假說是不徹底的，他的理論還是以承認(rèn)電磁波本身的連續(xù)性為基礎(chǔ)的。他把自己的量子假說僅僅局限于振子對電磁波的吸收和發(fā)射的特殊性上。

１９０５年，愛因斯坦提出光量子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)；１９０６年，他又將量子理論運用到固體比熱問題，獲得成功；１９１２年，玻爾將量子理論引入到原子結(jié)構(gòu)理論中，克服了經(jīng)典理論解釋原子穩(wěn)定性的困難，建立了他的原子結(jié)構(gòu)模型，取得了原子物理學(xué)劃時代的進(jìn)展；１９２２年，康普頓通過實驗最終使物理學(xué)家們確認(rèn)光量子圖景的實在性，從而使量子理論得到科學(xué)界的普遍承認(rèn)。

面對量子論的發(fā)展與