第2节 量子世界PPT

第六章相对论与量子论初步第2节量子世界贵州兴仁中学 通过前面的学习，我们知道在19世纪与20世纪之交（1900年前后），许多人认为物理学这座庄严雄伟、动人心弦的科学殿堂已经基本建成了。只是“物理学晴朗天空的远处，漂浮着两朵小小的令人不安的乌云。”这两朵“乌云”是什么同学们能说说吗？迈克尔逊—莫雷实验：研究光沿不同方向传播速度的差异。热辐射实验：研究热辐射的能量与温度的关系。这两个实验所观测到的现象用当时已有的物理学理论无法进行合理的解释。贵州兴仁中学问1：这两朵“乌云”给物理学的发展带来了什么影响？

正是这两朵乌云，后来酿成了物理学中一场巨大的变革。

在研究第一朵“乌云”后爱因斯坦开创了相对论。问2：现在我们再来看看当年物理学的天空中这令人不安的第二朵“乌云”：热辐射的能量与温度的关系有什么规律？贵州兴仁中学1.“紫外灾难”问1：我们知道，燃烧的物体都会发光，后来人们发现那是因为燃烧使物体温度升高的缘故。同学们能不能举出一些高温物体发光的例子呢？（二）新课学习火山口流出的高温岩浆问2：若你在高温的物体周围，你会有什么样的感觉？ 明显感觉到它辐射出来的热；温度越高，热辐射越强烈。贵州兴仁中学1.“紫外灾难”

人们用更精确的观测仪器发现，其实任何温度的物体都有热辐射，只是常温和低温的物体热辐射较弱，辐射的电磁波波长较长，难被我们的身体直接感觉到。这种常温和低温物体辐射的电磁波波长比红光还长，称为红外线，可以用一些特殊的仪器探测到。（二）新课学习贵州兴仁中学1.“紫外灾难”问3：同学们有没有见过在没有可见光的黑暗中利用红外线感光拍摄到的照片呢？（二）新课学习热辐射：物体中的分子、原子在任何温度下都会发射出各种波长的电磁波.

一般的物体不但会发出热辐射，也会吸收和反射从别的物体射来的热辐射。为了进一步研究物体的热辐射强度的定量规律，物理学家们设想了一种理想的物体：能够发射热辐射，也能完全吸收热辐射，但是完全不反射任何热辐射的物体，叫做黑体。贵州兴仁中学1.“紫外灾难”（二）新课学习炼钢炉炉膛上开的观察小孔就是可以看成是一个黑体。在炉膛是冷的时候，这个小孔是黑洞洞的，通过小孔射入其中的光和各种电磁辐射完全被炉膛中吸收掉了，没有任何辐射被反射回来。当炉膛中的温度很高时，这个小孔就会有很强的热辐射发射出来。观察孔通过精确的实验观测，发现黑体热辐射强度与温度和波长都有关系，可以把某一温度下测得各种波长的辐射强度的实验数据描绘成如右图所示的曲线。从曲线可以看出，不同的温度下热辐射的强弱有什么变化呢？在同一温度下，不同波长的电磁辐射强度有何不同？

温度越高，辐射最强的电磁波波长有何变化？结论：1：可以看出温度越高，热辐强度越大。2：在同一温度下，不同波长的电磁辐射强度不同，有某一种波长的电磁辐射最强。3：温度越高，辐射最强的电磁波波长变短。贵州兴仁中学1.“紫外灾难”（二）新课学习

问4：图中是一条奇妙的曲线，黑体的热辐射为什么会有这样的规律呢？ 许多物理学家根据经典物理学的理论进行分析，试图从当时经典的物理学理论中推导出一个描述黑体辐射规律的公式，比较著名的有两个用不同方法推导出的公式：一个是维恩公式，还有一个是瑞利-金斯公式，贵州兴仁中学1.“紫外灾难”（二）新课学习维恩公式：瑞利-金斯公式：

但是这用两个公式算出各种同波长的辐射强度，都与实验观测到的结果不完全符合。

维恩公式算得的结果在短波区域与实验较吻合，但长波区域与实验结果偏差较大；

瑞利-金斯公式算得的结果则在长波区域与实验较吻合，在短波区域却与实验结果相差较大.

更糟的是瑞利-金斯公式算得随着波长变短即辐射在紫外波长区域时，辐射强度会变成无限大，但实验测得在波长很短的紫外区域的辐射强度却是趋于零。 当时科学界称其为“紫外灾难”，这就是第二朵“乌云”的由来。面对这样令人不安局面，同学们想想看，怎么办呢？贵州兴仁中学

由于我们的物理知识有限，所以暂时没有办法了解他们公式推导的过程和方法，不过当时的确有不少的物理学家按照经典的物理学原理对推导过程做过各种修正，但总是顾此失彼无法得到能与实验结果完全吻合的公式。（二）新课学习后来德国的物理学家普朗克，经过长时间的研究，在百思不得其解的困境中，迫不得已做了一个大胆的假设，他发现只有做这个假设，得到的公式才会与实验结果完全吻合。这个假设在今天看起来具有划时代的意义，叫做量子假说。德国物理学家普朗克量子假说认为：

物质辐射或吸收能量不是经典物理理论中认识的那种可以任意大小连续不断的。而是不连续的、一份一份的，物质辐射或吸收的能量只能是某个最小能量的整数倍。这个最小的能量ε叫做一个量子。贵州兴仁中学2.量子假说：（二）新课学习内容：物质辐射或吸收的能量是不连续的，只能是一种最小能量的整数倍。 E=nε（n=0,1,2,3,…）

ε=hγ=hc/λ(h=6.63×10-34Js称为普朗克常数)经典物理理论认为：

能量的辐射和吸收可以是任意大小的，连续不断的。量子观认为：能量的大小是不连续的，只能是最小能量子的整数倍。电磁辐射的最小能量值与频率成正比。

在宏观领域中，这种量子化（或不连续性）相对宏观量或宏观尺度极微小，完全可以忽略不计。

在微观领域里，量子化或不连续性明显的。物体之间传递的相互作用是量子化的，物体的状态及其变化也是量子化的。 量子观点开创了一场物理学的巨大变革。贵州兴仁中学2.量子假说：（二）新课学习量子观点与经典物理的能量观点比较经典物理能量观： 能量的大小可以是连续的任意值，电磁辐射的能量由电磁波的振幅决定；量子观： 能量的大小是不连续的，只能是最小能量子的整数倍。电磁辐射的最小能量值与频率成正比。贵州兴仁中学3.物质的波粒二象性（二）新课学习

请同学们阅读教材，找出历史上对光的认识. 人类历史上对光的本质有两种不同的认识，其实不管是牛顿的微粒说还是惠更斯的波动说都是为了解释某一特定的现象才引入的.所以它们都有各自的弊端，一些问题的难以解决又将人们带入了对光的本质的重新认识. 关键时刻又是爱因斯坦带来了新鲜的血液.他将普朗克的量子化理论用在了解释光的本质上.

阅读教材，看看爱因斯坦是如何解释这个问题的？爱因斯坦进一步发展普朗克的量子理论，并大胆地提出了光量子假设。爱因斯坦认为：光是不连续的、分成许多单元的、具有一定能量的物质，这些单元叫做光量子（简称为光子）。 光具有波粒二象性。在一定条件下，突出的表现为微粒性实质为不连续性；而在另一些条件下，又突出表现出波动性.贵州兴仁中学3.物质的波粒二象性（二）新课学习

问题好像到此应该结束了，人们将光的本质已经很好地解释了，接下来有发生了什么事情呢？

大家接着看书思考。法国物理学家德布罗意进一步提出了物质波的理论（获1929年诺贝尔物理学奖），根据这一理论，每个物质粒子（不管是宏观的或是微观的）都伴随着一种波，即物质波，又称为概率波.这个理论揭示了物质的统一性.德布罗意贵州兴仁中学3.物质的波粒二象性（二）新课学习

总之，物质具有波粒二象性，我们要注意粒子性的本质在于不连续；波动性的实质在于对微观物体状态及运动描述的不确定性，不能把物质波理解为经典的机械波和电磁波.总结光本性学说发展史：（1）17世纪牛顿的微粒说：光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播.能解释光的反射等现象，不能解释光的互不干扰、同时发生的反射和折射、在介质中v<c等问题.（2）17世纪惠更斯的波动说：光是在空间传播的某种波.能解释光的互不干扰、同时发生的反射和折射，但不能解释影子的形成、传播不需要介质等问题.（3）19世纪60年代麦克斯韦的电磁说：光是一种电磁波，具电磁本性.使波动理论发展到了相当完美的地步.根据有：电磁波速等于光速；传播不需要介质；不能完美地解释光电效应.（4）20世纪初爱因斯坦的光子说：光是不连续的，是一份一份的，每一份叫一个光子，E=hν.注意，这完全不同于牛顿的“微粒