清华大学大学物理-近代物理-1c.ppt

量 子 物 理 引 言,十九世纪末，经典物理已发展得相当成熟，,人们认为，对物理现象本质的认识已经完成。,海王星的发现（ 1846在Leverrier“笔尖下,更使人感到经典物理似乎可以解决所有问题。,当时，著名的英国物理学家J.J.汤姆孙曾说道：,“物理学的大厦已基本建成，,后辈物理学家只要,做些修补工作就行了。 ”,看到的”）,和电磁理论对波动光学的成功解释，,然而在人类即将跨入20世纪的时候，,现了某些无法用经典理论解释的实验现象 ,却发,MM实验“零结果”,和热辐射“紫外灾难”。,1900年，Kelvin在新年的祝词中把此称为是,去寻找新的解决途径。,这些矛盾迫使人们跳出传统的物理学框架，,晴朗的物理学天空中出现的“两朵乌云”。,MM实验 相对论 黑体辐射 量子论, 相对论 1905 狭义相对论 1916 广义相对论 引力、天体 量子力学 旧量子论的形成： 1900 Planck 振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化,近代物理（20世纪）包括：,新的纪元,人类跨入20世纪的时候，,物理学也开始了,从经典物理走向了近代物理。,1925 Heisenberg 矩阵力学, 量子力学的建立：,量子力学 原子、分子、原子核、固体 量子电动力学（QED） 电磁场 量子场论 原子核和粒子, 量子力学的进一步发展：,1924 de Broglie 电子具有波动性,1928 Dirac 相对论波动方程,1927 Davisson， G.P.Thomson 电子衍射实验,1926 Schroedinger 波动方程,就是狭义相对论（1905）、广义相对论（1916）,“在本世纪初，发生了三次概念上的革命，,它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，,和量子力学（1925）。”,这,正如杨振宁在爱因斯坦对理论物理学的,影响一文（1979）所说：,1.1黑体辐射, 1.2光电效应（自学）,1.3光子、光的二象性,1.4 康普顿效应,1.5 实物粒子的波动性,1.6 概率波与概率幅,1.7不确定关系,第一章 波粒二象性,1.1 黑体辐射,1. 热辐射（heat radiation）,温度不同时,辐射的波长（或频率）也不同，,例如：加热铁块， 温度，铁块颜色由看,这种与温度有关的电磁辐射，称为热辐射。,也就是辐射电磁波。,物体受热就会发光，, 蓝白色,不出发光 暗红, 橙色, 黄白色,同一个黑白花盘子的两张照片,室温下，反射光,1100K，自身辐射光,（与温度有关、热辐射）,3. 光谱辐出度（单色辐出度）M,这种温度不变的热辐射称之为平衡热辐射。,（单位时间内）,2. 平衡热辐射,则物体的温度恒定。,加热一物体，,若物体所吸收的能量等于在,同一时间内辐射的能量，,M 单位时间内，从物体单位表面发出的频,率在 附近单位频率间隔内的电磁波的能量。,M 取决于T，物 质种类和表面情况,4.（总）辐出度（总发射本领）M(T) （radiant exitance）,单位：w/m2,（monochromatic absorptance）,5. 单色吸收比（率） (T),的物体，,维恩设计的黑体,三.黑体（black body）,1. 黑体：,黑体是理想化模型，,能完全吸收各种波长电磁波而无反射, 小孔空腔,即使是煤黑、黑珐琅对太阳光的 也小于 99%。,电磁波射入小孔后，,很难再从小孔中射出。,演示,黑体模型,2. 基尔霍夫（Kirchhoff）辐射定律：,这表明：,1）黑体光谱辐出度最大,2）好的辐射体也是好的吸收体,3）若M 黑体已知，则,在平衡热辐射时，有规律：,利用黑体可撇开材料的具体性质，来普遍,与材料无关,地研究热辐射本身的规律。,四. 黑体辐射谱（即M 关系）的规律,1.黑体辐射测量的实验装置,对黑体加热，会放出热辐射。,通过光栅可得到黑体辐射的频谱。,通过热电偶可得到黑体辐射的光谱辐出度。,2. 黑体辐射谱的实验规律,不同温度下的黑体辐曲线,曲线与横轴围的面积就是M(T),钨丝和太阳的热辐射曲线,1）维恩位移定律,1893年由理论推导而得,3. 黑体辐射定律,（Wien displacement law）,维恩位移定律,设太阳为黑体，测得,算出 T表面 = 5700K,m=510nm，,2）斯特藩 玻耳兹曼定律,Stefan（德）Boltzman（奥）, 斯特藩 玻耳兹曼常量,斯特藩 玻耳兹曼定律和维恩位移定律是 测量高温、遥感和红外追踪等的物理基础。,1879年斯特藩从实验上总结而得,1884年玻耳兹曼从理论上证明,五. 经典物理学所遇到的困难 - 如何解释黑体辐射实验曲线？,空腔壁产生的热辐射，想象 成空腔壁内有许多以壁为 节点的电磁驻波。,其中最典型的是维恩公式 和瑞利金斯公式：,黑体内的驻波,但是， 由经典理论导出的M(T ) 公式都与实验结果不符合！,（1）维恩公式（非前面的维恩位移定律） 他假定驻波能量按频率的分布类似于 （经典的）麦克斯韦速度分布率。得,（2）瑞利金斯公式 瑞利假定驻波的平均能量为 kT （经典的能量均分定理），得,在高频段好；低频段明显偏离实验曲线！,在低频段尚好；高频段 (紫外区)与实验明显不符， 短波极限为无限大“紫外灾难”！,黑体热辐射的理论与实验结果的比较,M,瑞利金斯公式,维恩公式,实验值点,1911年诺贝尔物理学奖获得者 维恩,德国人 Wilhelm Wien 1864-1928 热辐射定律的发现,英国人 Lord Rayleigh 1842-1919 氩的发现,1904年诺贝尔物理学奖获得者 瑞利,六普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式,1.普朗克假设（1900年）,普朗克(1858-1947年)与鲁本斯。,即物体发射或吸收电磁辐射 只能以“量子”方式进行。,普朗克认为空腔黑体的热平衡状态，是组成腔壁 的带电谐振子不断发射和吸收电磁波的平衡状态。,他认为谐振子的能量 E 只能是离散值（不连续！）,他把每个E值都称为能量子。,2.普朗克公式,1900.12.14.-量子论诞生日。,普朗克在德国物理学会上报告了与全波段实验 结果极为符合的普朗克公式：,h 称为普朗克常数。,普朗克当时根据黑体辐射实验得出 h = 6.358 10-34 Js,普朗克公式与实验结果的比较,M,瑞利金斯公式,维恩公式,普朗克公式与实验结果的比较,实验曲线, 玻尔对普朗克量子论的评价：,“在科学史上很难找到其它发现能象普朗克的,产生如此非凡的结果。,基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里,这个发现将人类的观念,不仅是有关经典科学的观念，而且是有关通,普朗克本人在若干年内也有过很多的困惑和彷徨,能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的！,常思维方式的观念的基础砸得粉碎， ”,“在科学的殿堂里有各种各样的人：有人爱科学是,普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。,以伟大的创造性观念造福于世界的人。”,为了满足智力上的快感；有人是为了纯粹功利的,目的，而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那,些普遍的基本规律， 他成了一个,在普朗克获博士学位 五十周年纪念会上， 普朗克向爱因斯坦颁发 普朗克奖章,金属及其化合物在电磁波照射下发射电子的 现象称为光电效应，所发射的电子称为光电子。,实验装置：,GD为光电管， 光通过石英窗口照射 阴极K，光电子从阴极 表面逸出。,光电子在电场加速下向 阳极A 运动，形成光电流。,实验规律如下：,1.2 光电效应,1.3 光的二象性 光子, 光强 I 对饱和光电流 im的影响：,1.实验规律：, 频率的影响：,与频率 有关，,在频率 一定时，,存在红限频率, 光电转换时间极短 10-9s(即使光非常非常弱)。,2.波动理论的困难（不能解释以上、 ）,截止电压Uc 与光强 I 无关,K常数；U0与材料有关。,一.爱因斯坦的光子理论(1905年),光的发射、传播、吸收都是 量子化的，一束光就是以速 率 c 运动的一束光子流。,光子能量,（不是nh ）,A：逸出功,二.光子理论对光电效应的解释,发展了普朗克开创的量子论：,爱因斯坦光电效应方程：,而且光电转换时间极短。,与实验得到的红限频率 完全一致。,对比实验规律,得出,密立根整整化了10年时间，克服了重重困难， 利用巧妙而复杂的装置，于1915年完成了 光电效应的高精度实验。,密立根的本意是去否定、 结果却验证了光子理论！-物理家的科学精神！,-密立根在实验中精确地测量得斜率K，计算得普朗克常数 h = 6.57 10-34 Js,密立根- 1923年诺贝尔物理学奖,他还通过著名的油滴实验研究 基本电荷，证明电荷有最小单位。,这对爱因斯坦光子假设也是极大的支持。,密立根,爱因斯坦-1921年获诺贝尔物理奖,普朗克根据黑体辐射实验求得 h = 6.358 10-34 Js,两个不同的理论与实