文科物理物质观革命——量子论

1、文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 第六章第六章 物质观的革命物质观的革命量子论量子论 我以前同现在一样，相信物理定律越带普遍性，我以前同现在一样，相信物理定律越带普遍性， 就越是简单。就越是简单。 M.M.普朗克，普朗克，M.M.普朗克物理论文和演讲集普朗克物理论文和演讲集 当一个人寻求生活的和谐时，必须永不忘记，在生当一个人寻求生活的和谐时，必须永不忘记，在生 活的伟大戏剧中，我们既是观众，又是演员，这是一个活的伟大戏剧中，我们既是观众，又是演员，这是一个 古老的真理。古老的真理。 N.N.玻尔，玻尔，原子物理学与自然的描述原子物理学与自然的描述 经典力学经典力学 经典电动力

2、学经典电动力学 经典热力学经典热力学 物理学大厦物理学大厦 两朵乌云：两朵乌云： “动力学理论断言，热和光都是运动的方式。动力学理论断言，热和光都是运动的方式。 但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌 云遮蔽，显得黯然失色了云遮蔽，显得黯然失色了” 迈克尔逊莫雷实验迈克尔逊莫雷实验 黑体辐射研究黑体辐射研究 相对论相对论 量子力学量子力学 量子幽灵量子幽灵 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 本章将对本章将对2020世纪物质观革命中一系列重大发现做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、玻出介绍，包

3、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、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。找物质世界和谐统一的那种执著精神。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 6-1 6-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假

4、说普朗克能量子假说 一、黑体一、黑体 黑体辐射黑体辐射 1、热辐射、热辐射 热辐射现象：任何温度下，宏观物体热辐射现象：任何温度下，宏观物体 都要向外辐射电磁波。电磁波能量的都要向外辐射电磁波。电磁波能量的 多少，以及电磁波按波长的分布都与多少，以及电磁波按波长的分布都与 温度有关，故称为热辐射。温度有关，故称为热辐射。 热平衡现象：温度恒定不变。热平衡现象：温度恒定不变。 2、黑体、黑体 定义：如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电定义：如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电 磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝 对黑体，简称黑

5、体。对黑体，简称黑体。 说明：黑体是个理想化的模型说明：黑体是个理想化的模型;在相同温度下的辐射规在相同温度下的辐射规 律是相同的。律是相同的。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 3、与热辐射有关的物理量、与热辐射有关的物理量 单色辐出度单色辐出度 从热力学温度为从热力学温度为T 的黑体的单位面积上、单位时间内、的黑体的单位面积上、单位时间内、 在单位波长范围内所辐射的电磁波能量，称为单色辐在单位波长范围内所辐射的电磁波能量，称为单色辐 射出射度，简称单色辐出度，用射出射度，简称单色辐出度，用M( (T T ) )表示表示。 辐射出射度辐射出射度 在单位时间内，从热力学温度为在

6、单位时间内，从热力学温度为T的黑体的单位面积的黑体的单位面积 上、所辐射的各种波长范围的电磁波的能量总和，称上、所辐射的各种波长范围的电磁波的能量总和，称 为辐射出射度，简称辐出度。为辐射出射度，简称辐出度。 0 )()( dTMTM 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 二、斯忒藩二、斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律 1、测量黑体辐射的实验原理图、测量黑体辐射的实验原理图 2、斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 黑体的辐出度与黑体的热力学黑体的辐出度与黑体的热力学 温度的四次方成正比温度的四次方成正比斯特斯特 藩藩-玻耳兹曼定律（玻耳兹曼定律（1897

7、） 4 TTM =5.6710-8W m-2 K-4 为为斯特藩斯特藩-玻耳兹曼玻耳兹曼常量常量 3、维恩位移定律、维恩位移定律 bT m Km10897. 2 3 b 当黑体的热力学温度升高时，当黑体的热力学温度升高时， 与单色辐出度峰值相对应的波与单色辐出度峰值相对应的波 长长 m 向短波方向移动向短波方向移动维维 恩位移定律（恩位移定律（1893） )(TM 1700k 1500k 1300k 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 三、黑体辐射的瑞利三、黑体辐射的瑞利金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难 1、瑞利、瑞利金斯公式金斯公式 出发点：能量均分定理和电出发点

8、：能量均分定理和电 磁理论磁理论 )(TM 实验实验 瑞利瑞利-金斯金斯 T=1646k 2、经典物理的困难、经典物理的困难 在低频（长波）部分与实验曲线相符合，在高频（短波）则完在低频（长波）部分与实验曲线相符合，在高频（短波）则完 全不能适用。全不能适用。 在高频部分，黑体辐射的单色辐出度将随着频率的增高而趋于在高频部分，黑体辐射的单色辐出度将随着频率的增高而趋于 “无限大无限大”“紫外灾难紫外灾难”。 kTd c v dTM 2 2 2 )( kTd c dTM 4 2 )( 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 四、普朗克假说四、普朗克假说 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射

9、公式 普朗克普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947) 德国物理学家，量子物理学的开创者和奠德国物理学家，量子物理学的开创者和奠 基人。基人。 普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论， 1900年年12月月14日他在德国物理学会上，宣日他在德国物理学会上，宣 读了以读了以关于正常光谱中能量分布定律的关于正常光谱中能量分布定律的 理论理论为题的论文，提出了能量的量子化为题的论文，提出了能量的量子化 假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。 这是物理学史上的一次巨大变革。从此结这是物

10、理学史上的一次巨大变革。从此结 束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称 这一天为这一天为“量子论的诞生日量子论的诞生日”。 1918年普朗克由于创立了量子理论而获得年普朗克由于创立了量子理论而获得 了诺贝尔奖金。了诺贝尔奖金。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 1、普朗克假说普朗克假说 1 2 )( 5 2 Tk hc e dhc dTM 2、普朗克公式普朗克公式 1 12 2 3 kTh ec h dTM nh n “必须假定，能量在发射和吸必须假定，能量在发射和吸 收的时候，不是连续不断，而收的时候，不是连续不断，而 是分成一份一份的。是分

11、成一份一份的。” 其中其中h=6.626 10-34 Js为普郎克常数为普郎克常数 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 )(TM 实验实验 瑞利瑞利-琼斯琼斯 T=1646k 瑞利瑞利-金金斯斯 普朗克理论值普朗克理论值 3、说明说明 圆满地解释了绝对黑体的辐射圆满地解释了绝对黑体的辐射 问题、固体的比热问题等。问题、固体的比热问题等。 从普朗克公式可导出从普朗克公式可导出斯特斯特 藩藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律，维恩，维恩 公式，公式，瑞利瑞利金斯公式金斯公式 维恩位移定律维恩位移定律 4 0 TdTM 斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 维恩公式维恩公式 瑞利瑞利金斯公式

12、金斯公式 0 0 )( d TdM 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 4、普朗克假说普朗克假说意义意义 普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧观点，提出普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧观点，提出 了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的 方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题， 而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识 已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了已经

13、从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了 基础。基础。 五、黑体辐射的应用五、黑体辐射的应用 测量温度：通过测量星体的谱线分布来确定其热力学温度测量温度：通过测量星体的谱线分布来确定其热力学温度 热象图：通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确热象图：通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确 定物体表面的温度分布；定物体表面的温度分布； 消失线高温计：测量炉温消失线高温计：测量炉温 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 不同温度下，辐射能量集不同温度下，辐射能量集 中的波长范围不同。中的波长范围不同。 600 600，物体的热辐射波，物体的热辐射波 长在红外和远红外波段

14、。长在红外和远红外波段。 温度的升高，物体热辐射温度的升高，物体热辐射 的能量逐渐增强，辐射波长趋的能量逐渐增强，辐射波长趋 向短波段。向短波段。 600 600700700，物体开始呈，物体开始呈 现暗红色，这表明辐射波段开现暗红色，这表明辐射波段开 始进入可见光区域。始进入可见光区域。 物体温度的继续升高，辐射的波长进一步向短波方向物体温度的继续升高，辐射的波长进一步向短波方向 移动，物体变得鲜红，甚至白热。移动，物体变得鲜红，甚至白热。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 5 5应用举例应用举例 （1 1）用维恩位移定律，可估计太阳的温度。）用维恩位移定律，可估计太阳的温度

15、。 太阳中最强的是黄光，即太阳中最强的是黄光，即 0.50.5m，则可估计，则可估计 太阳表面温度太阳表面温度T T58005800K。 （2 2）将辐射本领对各种）将辐射本领对各种 求和，可得总辐射本领公式：求和，可得总辐射本领公式： 4 T)T(W 此式又称斯忒藩此式又称斯忒藩-玻尔兹曼定律，其中常数玻尔兹曼定律，其中常数 为为 ） 428 32 45 Km（W/106705. 5 15 2 hc k 利用斯忒藩利用斯忒藩- -玻尔兹曼定律，可估计太阳表面单位面玻尔兹曼定律，可估计太阳表面单位面 积所辐射的功率约为积所辐射的功率约为 W/m2。由此可见太阳能。由此可见太阳能 有得到利用的价

16、值。有得到利用的价值。 7 1046. 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 三、量子观念在三、量子观念在“非难非难”中得到发展中得到发展 1 1“能量子能量子”vs.vs. 怀疑怀疑 普朗克引入了普朗克引入了“能量子能量子”的假设，标志着量子物的假设，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。洛伦兹学家对这一观念都表示疑惑不解，甚至怀疑。洛伦兹 说：说： “关于辐射量子问题的讨论使科

17、学家们都陷在死关于辐射量子问题的讨论使科学家们都陷在死 胡同里了。胡同里了。” 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 普朗克本人也由于受传统的经典观念影响太深，普朗克本人也由于受传统的经典观念影响太深， 对自己提出的对自己提出的“能量子能量子”思想违反了经典的连续性概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，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，作用量子能量子假设是正确的，作用量子h反映了新理论的本质。反映了新理论的本质。 年

18、仅年仅2121岁的爱因斯坦，对于新生岁的爱因斯坦，对于新生“量子婴儿量子婴儿”， 表现出热情支持的态度。并于表现出热情支持的态度。并于19051905年提出了年提出了“光量子光量子” 假设，把量子看成是辐射粒子，赋予量子的实在性，假设，把量子看成是辐射粒子，赋予量子的实在性， 并成功地解释了光电效应实验，捍卫和发展了量子论，并成功地解释了光电效应实验，捍卫和发展了量子论， 不愧为量子物理的一代先驱。不愧为量子物理的一代先驱。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 6-2 6-2 第一个钻到原子中心的人第一个钻到原子中心的人卢卢 瑟福瑟福 在介绍第三位量子物理的先驱者玻尔的工作以前，

19、在介绍第三位量子物理的先驱者玻尔的工作以前， 有必要先介绍卢瑟福，不仅因为卢瑟福的工作同样是有必要先介绍卢瑟福，不仅因为卢瑟福的工作同样是 给了经典物理一个致命的打击，而且玻尔的工作正是给了经典物理一个致命的打击，而且玻尔的工作正是 建立在他的工作基础上的。建立在他的工作基础上的。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 一、汤姆孙的原子模型 电子的发现者汤姆孙本人电子的发现者汤姆孙本人 所提出的一种原子模型：所提出的一种原子模型： 原子的正电荷是均匀分布原子的正电荷是均匀分布 在整个原子球体内，而电子是在整个原子球体内，而电子是 一个个嵌在其中，并保持整个一个个嵌在其中，并保持整个

20、 原子的电中性。当时这种模型原子的电中性。当时这种模型 被称之为被称之为“葡萄干布丁模型葡萄干布丁模型”。 葡萄干布丁模型葡萄干布丁模型 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 19041904年又作进一步假设：原子中电子是分布在一个个同年又作进一步假设：原子中电子是分布在一个个同 心圆环上，作着旋转，每个环中只能包含心圆环上，作着旋转，每个环中只能包含 这个假设可解释元素周期表。这个假设可解释元素周期表。 缺点：缺点： 不能解释正负电荷不中和；不能解释正负电荷不中和； 不解释氢原子光谱存在的谱线系；不解释氢原子光谱存在的谱线系； 不解释不解释粒子大角度散射。粒子大角度散射。 文科物

21、理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 二、粒子探针的奇迹 卢瑟福是卢瑟福是J.J.J.J.汤姆孙第一个外国研究生。后来成为卡文汤姆孙第一个外国研究生。后来成为卡文 迪许实验室的第四任教授。迪许实验室的第四任教授。 他发现了放射性规律，发现了原他发现了放射性规律，发现了原 子核式结构，首此实现了人工核反应，子核式结构，首此实现了人工核反应， 预言了中子等。被誉为预言了中子等。被誉为“核物理之父核物理之父”。 他非常重视人才培养，被称为培养人才他非常重视人才培养，被称为培养人才 的巨匠。反应堆的发明者的巨匠。反应堆的发明者费米说，费米说， 卢瑟福在科学史上被怀念，不仅因为他卢瑟福在科学史上被

22、怀念，不仅因为他 的贡献，而且还因为的贡献，而且还因为“他作为教师这个他作为教师这个 字眼最高意义上的一个教师字眼最高意义上的一个教师”。他提倡。他提倡 鼓励学生思考问题，提出问题，自己解鼓励学生思考问题，提出问题，自己解 决问题。决问题。 卢瑟福卢瑟福 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 卢瑟福的研究生马斯登和盖革用卢瑟福的研究生马斯登和盖革用 粒子轰击厚度粒子轰击厚度 为为0.40.4m m的金箔，发现有的金箔，发现有1/200001/20000的概率被反射回来，的概率被反射回来， 发生大角度散射发生大角度散射这是第一个有科学依据的原子模这是第一个有科学依据的原子模 型的起点

23、。型的起点。 用葡萄干布丁模型是无法解释粒子被反射回来的用葡萄干布丁模型是无法解释粒子被反射回来的 现象。卢瑟福提出原子的现象。卢瑟福提出原子的“核式结构模型核式结构模型”：所有正：所有正 电荷（电荷（ZeZe）和原子质量都集中在原子中心一个非常小）和原子质量都集中在原子中心一个非常小 的体积内，这就是原子核。原子中的电子绕核运动的体积内，这就是原子核。原子中的电子绕核运动, ,靠靠 静电引力把整个原子结合在一起。并且通过理论推导静电引力把整个原子结合在一起。并且通过理论推导 给出了著名的给出了著名的“卢瑟福散射公式卢瑟福散射公式”, ,所计算出的所计算出的 粒子粒子 散射概率与实验事实完全相

24、符。散射概率与实验事实完全相符。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 三、卢瑟福的“原子核式结构”模型的提出 和遭遇 卢瑟福提出的原子核模型：卢瑟福提出的原子核模型： 所有正电荷（所有正电荷（Ze）和原子质量都集中在原子中心）和原子质量都集中在原子中心 一个非常小的体积内，构成原子核；原子中的电子绕一个非常小的体积内，构成原子核；原子中的电子绕 核运动。核运动。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 但是任何重大发现的背后，往往又孕育着新的问但是任何重大发现的背后，往往又孕育着新的问 题，甚至是一种灾难。卢瑟福模型也不例外。主要问题，甚至是一种灾难。卢瑟福模型也不例外

25、。主要问 题是无法解释原子的稳定性和原子有一定的大小。因题是无法解释原子的稳定性和原子有一定的大小。因 为按照经典电磁学理论，当带电粒子作加速运动时，为按照经典电磁学理论，当带电粒子作加速运动时， 会发射电磁波，放出能量。因此，绕核运动的电子辐会发射电磁波，放出能量。因此，绕核运动的电子辐 射而损失能量最后导致落到原子核上。（这个过程非射而损失能量最后导致落到原子核上。（这个过程非 常短暂。）常短暂。） 这样的原子就都是不稳定的了。后果不堪设想！这样的原子就都是不稳定的了。后果不堪设想！ 有人开玩笑说，物理学家有人开玩笑说，物理学家 不知道为什么自己住的楼不知道为什么自己住的楼 没有倒塌掉！没

26、有倒塌掉！ e + e 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 四、卢瑟福预言核内存在“中子” 在发现原子核后，科学家就在思考原子核的组成。在发现原子核后，科学家就在思考原子核的组成。 在在19201920年以前，普遍认为是由质子（氢核）和电子年以前，普遍认为是由质子（氢核）和电子 组成，当时电子和质子是人们仅知的两种基本粒子。随组成，当时电子和质子是人们仅知的两种基本粒子。随 着一些元素的同位素的发现，提出了一个问题，即为什着一些元素的同位素的发现，提出了一个问题，即为什 么这些同位素的核电荷么这些同位素的核电荷ZeZe相同，但质量不同，且非常接相同，但质量不同，且非常接 近质子质

27、量的整数倍？近质子质量的整数倍？ “在某些情况下，也许由一个电子更加紧密地与在某些情况下，也许由一个电子更加紧密地与H H （氢）核结合在一起，组成一个中性的双子，这样的（氢）核结合在一起，组成一个中性的双子，这样的 原子也许有很新颖的特性。原子也许有很新颖的特性。”“”“要解释重元素的组成，要解释重元素的组成， 这种原子的存在，看来是必需的。这种原子的存在，看来是必需的。” 在在19241924年后，这种中性双子被定名为中子。年后，这种中性双子被定名为中子。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 在中子的发现上，约里奥在中子的发现上，约里奥-居里夫妇在旧的传统观念居里夫妇在旧的传

28、统观念 的影响下，错失了机会。而相信卢瑟福的预言，一心的影响下，错失了机会。而相信卢瑟福的预言，一心 在寻找中子的查德维克抓住了机遇，发现了中子，荣在寻找中子的查德维克抓住了机遇，发现了中子，荣 获诺贝尔物理学奖。获诺贝尔物理学奖。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 1931 1931年，著名的居里夫人的女儿和女婿年，著名的居里夫人的女儿和女婿约里约里 奥奥- -居里夫妇在实验室里观测到一种居里夫妇在实验室里观测到一种 穿透力特别强的射线，它不带电，也穿透力特别强的射线，它不带电，也 看不见。约里奥看不见。约里奥- -居里夫妇把它当成居里夫妇把它当成 是非常硬的短波是非常硬的短

29、波射线。而看到这射线。而看到这 个实验结果，剑桥大学卡文迪许实个实验结果，剑桥大学卡文迪许实 验室的查德威克则激动地意识到：验室的查德威克则激动地意识到： 这是中子！说：这是中子！说：“他们真傻！看见他们真傻！看见 了中子还不知道！了中子还不知道！” 查德威克查德威克 中子的发现使人们对原子核的研究进入一个崭新中子的发现使人们对原子核的研究进入一个崭新 阶段。阶段。 由于中子不带电，容易进入核内，所以用它作由于中子不带电，容易进入核内，所以用它作 为研究原子核的炮弹，比带电的粒子威力大得多，因为研究原子核的炮弹，比带电的粒子威力大得多，因 此中子的发现也为核能的利用打开了大门。此中子的发现也为

30、核能的利用打开了大门。 查德威克是卢瑟福的学生，他设计实验发现了中子，并用云室测定了中子的质量。查德威克是卢瑟福的学生，他设计实验发现了中子，并用云室测定了中子的质量。1935 1935年，在诺贝尔奖评奖委员会上，有人认为应由约里奥 年，在诺贝尔奖评奖委员会上，有人认为应由约里奥- -居里夫妇与查德威克共享这一年的奖金。居里夫妇与查德威克共享这一年的奖金。 卢瑟福说，给查德威克吧，约里奥卢瑟福说，给查德威克吧，约里奥- -居里夫妇那么能干，他们以后还有机会。就在同一年，化学的诺贝尔奖评委员会把居里夫妇那么能干，他们以后还有机会。就在同一年，化学的诺贝尔奖评委员会把1935 1935年诺贝尔化学

31、奖授予约里奥 年诺贝尔化学奖授予约里奥- -居里夫妇，表彰他们发现了人居里夫妇，表彰他们发现了人 工放射性。工放射性。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 6-3 6-3 和谐的乐章和谐的乐章玻尔模型玻尔模型 物质世界具有统一物质世界具有统一 性在于它的物质性，性在于它的物质性， “统一统一”并不是主观臆并不是主观臆 想。对统一性的追求是想。对统一性的追求是 历代科学家共同奋斗的历代科学家共同奋斗的 壮丽目标。壮丽目标。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 一、行星模型的鉴赏家 谁是卢瑟福濒临失败的原子模型的救星呢？谁是卢瑟福濒临失败的原子模型的救星呢？ 不是他自己

32、，而是尼尔斯不是他自己，而是尼尔斯玻尔。玻尔。 后来，史学家问过玻尔：后来，史学家问过玻尔： “当时是不是只有你一个人感兴趣呢？当时是不是只有你一个人感兴趣呢？” 玻尔回答说：玻尔回答说： “是的，不过你们知道，我主要不是感兴趣，我只是是的，不过你们知道，我主要不是感兴趣，我只是 相信它。相信它。” 玻尔（玻尔（18851962），丹麦物理学家，哥本哈根学），丹麦物理学家，哥本哈根学 派的创始人，量子物理学的奠基者之一。派的创始人，量子物理学的奠基者之一。1916年任哥本年任哥本 哈根大学物理学教授；哈根大学物理学教授；1917年当选为丹麦皇家科学院院年当选为丹麦皇家科学院院 士；士；1922

33、年荣获诺贝尔物理学奖；年荣获诺贝尔物理学奖；1939年任丹麦皇家科年任丹麦皇家科 学院院长；学院院长；1944年玻尔在美国参加了和原子弹有关的理年玻尔在美国参加了和原子弹有关的理 论研究；论研究；1947年丹麦政府为了表彰玻尔的功绩，封他为年丹麦政府为了表彰玻尔的功绩，封他为 “骑象勋爵骑象勋爵”。1937年，他来中国作学术访问，表达了年，他来中国作学术访问，表达了 对中国人民的友好情谊。对中国人民的友好情谊。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 二、玻尔原子结构模型的基础（科学背景） 1 1普朗克和爱因斯坦提出了普朗克和爱因斯坦提出了“量子化量子化”概念概念 2 2卢瑟福提出了

34、卢瑟福提出了“原子核核式结构原子核核式结构”模型模型 3 3描写氢原子可见光谱线的波长的经验公式描写氢原子可见光谱线的波长的经验公式巴耳巴耳 末公式：末公式： ) m ( Bc 22 1 2 141 6 , 5 , 4 , 3m 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 1 1、巴耳末系、巴耳末系 氢气放电管获得氢光谱在氢气放电管获得氢光谱在 可见光范围内有四条可见光范围内有四条 H H H H H ：红色红色 656.210nm H ：深绿深绿 486.074nm H ：青色青色 434.010nm H ：紫色：紫色 410.120nm 瑞典的埃格斯特朗在瑞典的埃格斯特朗在1853年

35、年 首先观测到的，波长的单位首先观测到的，波长的单位 就是以他的名字命名的。就是以他的名字命名的。 18851885年，瑞士数学家巴耳末年，瑞士数学家巴耳末 把氢原子的前四条谱线归纳把氢原子的前四条谱线归纳 巴耳末公式巴耳末公式 , 5 , 4 , 3 22 2 2 n n n B nm.56364 B 巴耳末巴耳末系系 波长极限值波长极限值 1890年，里德伯采用波数年，里德伯采用波数 /1 , 5 , 4 , 3 1 2 1 22 n n R 17 m104 153 373 097. 1 R 里德伯常量里德伯常量 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 2 2、氢原子光谱规律、氢

36、原子光谱规律 , 4 , 3 , 2 ) 1 1 1 ( 22 n n R , 6 , 5 , 4 ) 1 3 1 ( 22 n n R , 7 , 6 , 5 ) 1 4 1 ( 22 n n R , 8 , 7 , 6 ) 1 5 1 ( 22 n n R 赖曼系赖曼系(1916)紫外部分紫外部分 帕邢系帕邢系(1908)可见光可见光 布喇开系布喇开系(1922)近红外部分近红外部分 普丰德系普丰德系(1924)红外部分红外部分 , 9 , 8 , 7 ) 1 6 1 ( 22 n n R 汉弗莱系汉弗莱系(1953)远红外部分远红外部分 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论

37、当当nf一定时，由不同的一定时，由不同的ni构成一个谱系；构成一个谱系； 不同的不同的nf构成不同的谱系。构成不同的谱系。 实验表明：实验表明： 原子具有线光谱；原子具有线光谱； 各谱线间具有一定的关系各谱线间具有一定的关系; 每一谱线的波数都可表达为两个光谱项之差。每一谱线的波数都可表达为两个光谱项之差。 , 21;, 2 , 1 11 22 ffif if nnnn nn R， 统一公式统一公式 里兹组合原理：任一条谱线的波数都等于该元素所固有的许多里兹组合原理：任一条谱线的波数都等于该元素所固有的许多 光谱项中的两项之差，光谱项中的两项之差， 这是里兹在这是里兹在1908年发现的。年发现

38、的。 )()( if nTnT 2 )( f f n R nT 2 )( i i n R nT 表面上如此繁杂的光谱线可以用如此简单表面上如此繁杂的光谱线可以用如此简单 的公式表示，这是一项出色的成果。但是的公式表示，这是一项出色的成果。但是 它是凭经验凑出来的，它为什么与实验符它是凭经验凑出来的，它为什么与实验符 合得如此之好，在公式问世将近三十年内，合得如此之好，在公式问世将近三十年内， 一直是个谜。一直是个谜。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 三、氢三、氢原子的玻尔理论原子的玻尔理论 定态假说：电子在原子中，可以在一些特定的圆轨道上运动，定态假说：电子在原子中，可以在一

39、些特定的圆轨道上运动， 而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态（定态）并具有一定而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态（定态）并具有一定 的能量。的能量。 其中其中n=1,2,3,.称称 为主量子数为主量子数 n h nmrvL 2 量子化条件：电子以速度量子化条件：电子以速度v在半径为在半径为r的圆周上绕核运动时，的圆周上绕核运动时， 只的电子角动量只的电子角动量L等于等于h/(2 )的整数倍的那些轨道才是稳定的的整数倍的那些轨道才是稳定的 1 1、玻尔的基本假设玻尔的基本假设 跃迁假设：当原子从高能量的定态跃迁到低能量的定态，跃迁假设：当原子从高能量的定态跃迁到低能量的定态， 即电子从高能量即

40、电子从高能量Ei的轨道跃迁到低能量的轨道跃迁到低能量Ef的轨道上时，要的轨道上时，要 发射能量为发射能量为h 的光子：的光子： fi EEh 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 玻尔的创新思维，其中包含了玻尔的创新思维，其中包含了3个第一个第一 ： 角动量量子外的两个更关键，更本质。角动量量子外的两个更关键，更本质。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 2 2、玻尔的、玻尔的氢原子图象氢原子图象 电子轨道半径电子轨道半径 电子在半径为电子在半径为rn的轨道上以速率的轨道上以速率vn运动运动 2 0 22 4 nn n r e r v m 2 h nrmv nn n

41、n mr nh v 2 2 2 02 me h nrn m me h r 10 2 2 0 1 10529. 0 , 321 1 2 ， nrnrn 波尔半径波尔半径 n=1 r =r1 n=2 r =4r1 n=3 r =9r1 n=4 r =16r1 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 原子能级原子能级 222 0 4 0 2 2 1 842 1 nh me r e mvE n nn eV h me E6 .13 8 22 0 4 1 , 3 , 2 , 1 2 1 n n E En 1 2 3 4 氢原子能级图氢原子能级图 6 5 n=1 正常状态正常状态 n=2,3, 激

42、发态激发态 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 电子跃迁的辐射规律电子跃迁的辐射规律 fi EEh fi if nn nnh me 11 8 2222 0 4 fi if nn nnch me 11 8 2232 0 4 17 32 0 4 101.097 8 m ch me 与里德伯常量非常接近与里德伯常量非常接近 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 赖曼系赖曼系 巴耳末系巴耳末系 帕邢系帕邢系 布喇开系布喇开系 En=E1/n2 6 5E5=E1/25 4 E4=E1/16 3E3=E1/9=-1.51eV 2E2=E1/4=-3.39eV 1 E1=-13.6

43、eV 氢原子的光谱图氢原子的光谱图 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 3 3、玻尔氢原子理论的成绩玻尔氢原子理论的成绩 成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性。成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性。 从理论上计算了里德伯常量；解决了近从理论上计算了里德伯常量；解决了近30年之久的年之久的巴耳末巴耳末公式公式 之迷，打开了人们认识原子结构的大门，而且玻尔提出的一些之迷，打开了人们认识原子结构的大门，而且玻尔提出的一些 概念，如能量量子化、量子跃迁及频率条件等，至今仍然是正概念，如能量量子化、量子跃迁及频率条件等，至今仍然是正 确的。确的。 能对类氢原子的

44、光谱给予说明。能对类氢原子的光谱给予说明。 4 4、玻尔氢原子理论的困难、玻尔氢原子理论的困难 不能解释多电子原子的光谱；不能解释多电子原子的光谱； 不能解释谱线的强度和宽度；不能解释谱线的强度和宽度； 不能说明原子是如何组成分子、构成液体和固体的；不能说明原子是如何组成分子、构成液体和固体的； 在逻辑上也存在矛盾：把微观粒子看成是遵守经典力在逻辑上也存在矛盾：把微观粒子看成是遵守经典力 学规律的质点，又赋予它们量子化的特征。学规律的质点，又赋予它们量子化的特征。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 5 5玻尔模型的实验验证玻尔模型的实验验证 除了光谱实验能证明玻尔模型正确外，法

45、国科学除了光谱实验能证明玻尔模型正确外，法国科学 家夫兰克和赫兹正是用电子轰击多电子汞原子，成功家夫兰克和赫兹正是用电子轰击多电子汞原子，成功 证明了原子内部能量的量子化。这是独立于光谱实验证明了原子内部能量的量子化。这是独立于光谱实验 的另一种方法，极其重要。的另一种方法，极其重要。 夫兰克夫兰克 赫兹赫兹 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 四、哥本哈根精神 哥本哈根精神是玻尔研究所所倡导的，也是玻尔研究所哥本哈根精神是玻尔研究所所倡导的，也是玻尔研究所 能成为世界著名的能成为世界著名的“物理学界的朝拜圣地物理学界的朝拜圣地”，为近代物理发，为近代物理发 展做出一系列重大贡献

46、的关键所在。展做出一系列重大贡献的关键所在。 （1）科学国际主义）科学国际主义 在玻尔研究所成立的头在玻尔研究所成立的头10年里，共有年里，共有17个国家的个国家的63位物理位物理 学家来此研究。学家来此研究。 在玻尔担任所长在玻尔担任所长40年，共培养了年，共培养了10多位诺贝尔奖获得者。多位诺贝尔奖获得者。 （2）独特的研究风格）独特的研究风格 平等自由合作的讨论气氛和浓厚的学术气氛。平等自由合作的讨论气氛和浓厚的学术气氛。 讨论与思考 “科学没有国界，但科学家有祖国。科学没有国界，但科学家有祖国。”我们该如何理解我们该如何理解 这句话与哥本哈根精神中的科学国际主义之间的关系？这句话与哥本

47、哈根精神中的科学国际主义之间的关系？ 粒子？粒子？ 波？波？ 物理学已经走到了一个十字路口。它迷茫而又困惑，不知道前途何去何从。昔日的 经典辉煌已经变成断瓦残垣，一切回头路都被断绝。如今的天空浓云密布，不见阳 光 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 6-4 6-4 德布罗意与物质波德布罗意与物质波 德布罗意德布罗意 (Louis Victor due de Broglie, 1892-1960) 德布罗意原来学习历史，后来改学理论德布罗意原来学习历史，后来改学理论 物理学。他善于用历史的观点，用对比的方物理学。他善于用历史的观点，用对比的方 法分析问题。法分析问题。 德布罗意体会

48、到德布罗意体会到“爱因斯坦的光的波粒二重爱因斯坦的光的波粒二重 性乃是遍及整个物理世界的一种绝对普遍现性乃是遍及整个物理世界的一种绝对普遍现 象象”，他发誓：，他发誓：“要尽我所能去理解那个神要尽我所能去理解那个神 秘的量子秘的量子” 。 1923年，试图把粒子性和波年，试图把粒子性和波 动性统一起来。动性统一起来。1924年，在博士论文年，在博士论文关于关于 量子理论的研究量子理论的研究中提出德布罗意波中提出德布罗意波,同时同时 提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。 爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的 重大意义，誉之为重大

49、意义，誉之为“揭开一幅大幕的一角揭开一幅大幕的一角”。 法国物理学家，法国物理学家， 1929年诺贝尔物理年诺贝尔物理 学奖获得者，波动学奖获得者，波动 力学的创始人，量力学的创始人，量 子力学的奠基人之子力学的奠基人之 一。一。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 四奇人物： 1 1德国亲王和法国公爵德国亲王和法国公爵 文科诺贝尔物理学奖文科诺贝尔物理学奖 微观粒子是波微观粒子是波 发表四年就获奖发表四年就获奖 普朗克：年，爱因斯坦（光量子）：年普朗克：年，爱因斯坦（光量子）：年 印度：玻色印度：玻色玻色统计（翻译成德文）玻色统计（翻译成德文） 光量子气体到理想气体：光量子气体

50、到理想气体：“玻色爱伊斯坦凝聚玻色爱伊斯坦凝聚 朗之万朗之万有独创性，灵感而已有独创性，灵感而已 爱因斯坦爱因斯坦瞌睡来了送枕头瞌睡来了送枕头 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 一、物质波的提出 1 1创新思维创新思维 德布罗意把光的德布罗意把光的“波粒二象性波粒二象性”推广到了所有物推广到了所有物 质粒子，从而朝创造描写微观粒子运动的新的力学质粒子，从而朝创造描写微观粒子运动的新的力学 量子力学迈进了革命性的一步。量子力学迈进了革命性的一步。 他认为辐射与粒子应是对称的、平等的，辐射有他认为辐射与粒子应是对称的、平等的，辐射有 波粒二象性，粒子同样应有波粒二象性，即对微粒也波

51、粒二象性，粒子同样应有波粒二象性，即对微粒也 赋予它们波性（周期性）。赋予它们波性（周期性）。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 一个质量为一个质量为m的实物粒子以速率的实物粒子以速率v 运动时，即具有以能量运动时，即具有以能量E 和动量和动量P所描述的粒子性，也具有以频率所描述的粒子性，也具有以频率 和波长和波长 所描述的所描述的 波动性波动性。 hE h P 这种波称为德布这种波称为德布 罗意波，也叫物罗意波，也叫物 质波。质波。 P h 德布罗意德布罗意 公式公式 子弹：速度子弹：速度v=5.0 102m/s飞行飞行 的，质量为的，质量为m=10-2Kg，对应的对应的 德

52、布罗意波长为：德布罗意波长为： nm mv h 25 103 . 1 电子：电子：m=9.1 10-31Kg，速，速 度度v=5.0 107m/s, 对应的德对应的德 布罗意波长为：布罗意波长为： nm mv h 2 104 . 1 太小测不到！太小测不到！X射线射线波段波段 2 2著名的德布罗意关系式著名的德布罗意关系式 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 20世纪世纪30年代，电子显微镜诞生了。电子显微镜是利用高年代，电子显微镜诞生了。电子显微镜是利用高 速运动的电子束代替光线来观察物体的细微结构的，放大倍数速运动的电子束代替光线来观察物体的细微结构的，放大倍数 比光学显微镜

53、高许多，可以达到几十万倍。电子显微镜大大开比光学显微镜高许多，可以达到几十万倍。电子显微镜大大开 阔了人们的视野，使人们看到了细胞更细微的结构阔了人们的视野，使人们看到了细胞更细微的结构 电子显微镜电子显微镜 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 美国橡树岭国家实验室的研究人员正在以创记录的分辨率清美国橡树岭国家实验室的研究人员正在以创记录的分辨率清 楚地观察原子世界，因为他们研究出的电子显微镜能够能分辨出硅楚地观察原子世界，因为他们研究出的电子显微镜能够能分辨出硅 晶体的单个、哑铃形状的原子。晶体的单个、哑铃形状的原子。 电子显微镜下的原子世界电子显微镜下的原子世界 能看清原子的

54、电子显微镜能看清原子的电子显微镜 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 3 3驻波条件与玻尔的角动量量子化条件完全等价驻波条件与玻尔的角动量量子化条件完全等价 4 4物质波概念的提出令人惊讶物质波概念的提出令人惊讶 在论文答辩时，物质波概念的新颖，使答辩委员在论文答辩时，物质波概念的新颖，使答辩委员 会不知如何评价，但也不敢轻易否定，有人问他：有会不知如何评价，但也不敢轻易否定，有人问他：有 没有办法验证这一观点？没有办法验证这一观点？ 他回答：他回答：“通过电子在晶体上的衍射实验，应当通过电子在晶体上的衍射实验，应当 有可能观察到这种假定的波动的效应。有可能观察到这种假定的波动的

55、效应。” 实验物理学家道维勒试图用阴极射实验物理学家道维勒试图用阴极射 线管做这个实验，没有成功！放弃了。线管做这个实验，没有成功！放弃了。 他的导师郎之万将论文寄给了爱因斯坦。他的导师郎之万将论文寄给了爱因斯坦。 没想到我提出的波粒二象性观念，在没想到我提出的波粒二象性观念，在 德布罗意手里发展得如此丰富，竟扩德布罗意手里发展得如此丰富，竟扩 展到了运动的粒子。展到了运动的粒子。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 二、电子波动性的实验验证 道维勒没有做成呢是由于电子的速度不够大，作道维勒没有做成呢是由于电子的速度不够大，作 为靶子的云母晶体吸收了空中游离的电荷。为靶子的云母晶

56、体吸收了空中游离的电荷。 如果改变实验条件认真做下去，是会成功的。如果改变实验条件认真做下去，是会成功的。 3 3年后的年后的19271927年，美国物理学家戴维孙和英国物理年，美国物理学家戴维孙和英国物理 学家学家G.P.G.P.汤姆孙（汤姆孙（J.J.J.J.汤姆孙的儿子）分别发现了晶汤姆孙的儿子）分别发现了晶 体的电子衍射，完全证实了电子的波性。体的电子衍射，完全证实了电子的波性。 戴维孙戴维孙 G.P.G.P.汤姆孙汤姆孙 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 戴维孙戴维孙- -革末的实革末的实 验装置极其精巧。整验装置极其精巧。整 套装置仅长套装置仅长5 5英寸、高英寸、

57、高 2 2英寸，密封在玻璃泡英寸，密封在玻璃泡 里，经反复烘烤与去里，经反复烘烤与去 气，真空度达气，真空度达1010-6 -6Pa。 。 电子在晶体中衍射实验示意图电子在晶体中衍射实验示意图 戴维孙所用的电子衍射管戴维孙所用的电子衍射管 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 电子双缝干涉实验图样电子双缝干涉实验图样 世界十大最美丽的实验之榜首世界十大最美丽的实验之榜首 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 由于电子波长比可见光波长小由于电子波长比可见光波长小10-310-5数量级，数量级，从而从而 可大大提高电子显微镜的分辨率。可大大提高电子显微镜的分辨率。 1932

58、年，德国的鲁斯卡研制成功电子显微镜。年，德国的鲁斯卡研制成功电子显微镜。 我国已制成我国已制成80万倍的电子显微镜，分辨率为万倍的电子显微镜，分辨率为14.4nm.n， 能分辨大个分子有着广泛的应用前景。能分辨大个分子有着广泛的应用前景。 三、应用举例三、应用举例 1 1、电子显微镜、电子显微镜 2 2、扫描隧道显微镜、扫描隧道显微镜 1981年，德国的宾尼希和瑞士的罗雷尔制成了扫描隧道年，德国的宾尼希和瑞士的罗雷尔制成了扫描隧道 显微镜，他们两人因此与鲁斯卡共获显微镜，他们两人因此与鲁斯卡共获1986年的诺贝尔物年的诺贝尔物 理学奖金。其横向分辨率可得理学奖金。其横向分辨率可得0.1nm，纵

59、向分辨率可得，纵向分辨率可得 0.001nm ，它在纳米材料、生命科学和微电子学中起着，它在纳米材料、生命科学和微电子学中起着 不可估量的作用。不可估量的作用。 文科物理物质观革命文科物理物质观革命量子论量子论 四、德布罗意波的统计解释四、德布罗意波的统计解释 1 1、光的衍射、光的衍射 根据光的波动性，光是一种电磁波，在衍射图样中，亮处波根据光的波动性，光是一种电磁波，在衍射图样中，亮处波 的强度大，暗处波的强度小。而波的强度与振幅的平方成正的强度大，暗处波的强度小。而波的强度与振幅的平方成正 比，所以衍射图样中，亮处的波的振幅的平方大，暗处的波比，所以衍射图样中，亮处的波的振幅的平方大，暗

60、处的波 的振幅平方小。的振幅平方小。 根据光的粒子性：某处光的强度大，表示单位时间内到达该根据光的粒子性：某处光的强度大，表示单位时间内到达该 处的光子数多；某处光的强度小，表示单位时间内到达该处处的光子数多；某处光的强度小，表示单位时间内到达该处 的光子数少。的光子数少。 从统计的观点来看：相当于光子到达亮处的概率要远大于光从统计的观点来看：相当于光子到达亮处的概率要远大于光 子到达暗处的概率。因此可以说，粒子在某处出现附近出现子到达暗处的概率。因此可以说，粒子在某处出现附近出现 的概率是与该处波的强度成正比的，而波的强度与波的振幅的概率是与该处波的强度成正比的，而波的强度与波的振幅 的平方