物理与文化第六章物质观的革命——量子论教程.ppt

第五章 打开微观世界研究大门的三大发现;第六章 物质观的革命——量子论 ; 本章将对20世纪物质观革命中一系列重大发现做出介绍，包括能量量子化、光量子、原子核式模型、玻尔模型、物质波、物质波方程及波函数。 围绕这些重大发现，我们将看到量子物理学的先驱的杰出的洞察力、丰富的想像力和惊人的创造力；量子物理发展的艰难历程；科学争论如何推动量子物理发展；以及物理学家寻找物质世界和谐统一的那种执著精神。 ;§6-1 开创物理学新时代的“量子”概念的提出 ; 1900年4月27日，是特别的一天。?英国 的伦敦市?阿尔伯马尔街，是一个特别的地方。 所有物理学家的目光都聚焦到了这里。 此时，这里正举行一场世纪之交的物理学报告会。在雷动的掌声中，一位白发苍苍、已是76岁高龄的老人走上了讲台，??就是开尔文勋爵。 开尔文勋爵本名威廉·汤姆逊，是英国杰出的理论和实验物理学家，研究出自然界的最低温度——故命名为0开尔文。 德高望重的他将要做一场题为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》的演讲。他谈道：“动力学理论断言，热和光都是运动的形式。但是现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……” ;;2.特点： A、任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射； B、可以在真空中传播； C、具有强烈的方向性； D、辐射能与温度和波长均有关，温度越高，发射波长越短，能量越大；;;; 黑体：黑色的物体？;*历史回顾*;* 历史回顾*; 经过苦苦思索，基尔霍夫对这一现象的研究过程中，突然心领神会，原来是“物体会发什么光，便会吸收什么光”。 也就是说，在上述实验中，金属钠原子能发出两条黄色的明线，因而它能从太阳光中吸收与之相同波长的光，并在被吸收掉光的部分留下黑色的痕迹，即出现两条暗线。 于是，基尔霍夫又换用其他物质，以相同的方法，反复进行实验，结果得到了相同的结果。 由此，他发现了热辐射的定律，后被称为基尔霍夫定律： 任何物体的发射本领和吸收本领的比值与物体特性无关，是波长和温度的普适函数。; 任何物体的单色（某个波长? ）辐出度 M?(T ) 和单色吸收比 ? (? ，T )之比，等于同一温度 下 绝对黑体的单色辐出度M? 0(T ) , 即;0 1 000 2 000;4、斯特藩-玻耳兹曼定律——1879实验、1884理论，奥地利;5、维恩位移定律——1893年，德国;应用举例 （1）用维恩位移定律，可估计太阳的温度。 太阳中最强的是黄光，即 ≈0.5μm，则可估计太阳表面温度T≈5800K。 （2）将辐射本领对各种 求和，可得总辐射本领公式： ;我们人体所发射的电磁波？;6、普朗克辐射公式 + 能量子概念;0 1 2 3; 德国理论物理学家，基尔霍夫 的继承人，量子论的奠基人， 1900年10月19日他在德国 物理学会上，宣读了以《关于正常 光谱中能量分布定律的理论》为题 的论文. ;0 1 2 3; 黑体中的分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子的能量状态是分立的，相应的能量是某一最小能量的整数倍，即? ，2 ? ，3 ?， … n? , ? 称为能量子，n 为量子数.; 经过两个月奋斗，于1900年12月24日，在德国物理学会会议上报告了他在“能量量子化”的假设下，从理论上严格推导出的普朗克公式。 ; 三、量子观念在“非难”中得到发展 1．“能量子”vs. 怀疑 普朗克引入了“能量子”的假设，标志着量子物理学的诞生，具有划时代的意义。 但是由于这个假设对经典物理学致命的打击，所以他同时代的那些物理学家对这一观念都表示疑惑不解，甚至怀疑。洛伦兹说： “关于辐射量子问题的讨论使科学家们都陷在死胡同里了。” ; 普朗克本人也由于受传统的经典观念影响太深，对自己提出的“能量子”思想违反了经典的连续性概念而烦恼和后悔。并一直试图用连续性代替不连续性，回到经典范畴。经过十多年徒劳的努力后，他才相信能量子假设是正确的，作用量子h反映了新理论的本质。 ;经典物理学的灾难。。。;§6-2 第一个钻到原子中心的人—卢瑟福 ;1897年发现电子（electron）,;解释了原子的电中性 论述了电子在原子内的分布 可以