能量量子化物理学新纪元

第十七章波粒二象性第一节能量量子化：物理学的新纪元19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声----等都遵循的规律---能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。材料鉴赏:于是1900年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物理学的发展的文章中说到：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”--开尔文--也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，----”这两朵乌云是指什么呢？热辐射实验迈克尔逊-莫雷实验后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。普朗克量子力学的诞生相对论问世这两朵乌云到底是什么回事呢？经典力学量子力学相对论微观领域高速领域波粒二象性第1节能量量子化:物理学的新纪元思考与讨论1:室温时 波长较长的电磁波高温 波长较短的电磁波热辐射的主要成分:在火炉旁边有什么感觉?投在炉中的铁块开始是什么颜色?过一会有是什么颜色?一、热辐射任何温度下，宏观物体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温度有关，故称为热辐射。无论是高温物体还是低温物体，都有热辐射，所辐射的能量及其按波长的分布都随温度而变化。热辐射解释：大量带电粒子的无规则热运动引起的。物体中每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率作无规则的微振动，每个带电微粒的振动都会产生变化的电磁场，从而向外辐射各种波长的电磁波，形成连续的电磁波谱。热平衡状态：向外发射的电磁波能量=从外界吸收的能量思考与讨论2：一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处看，把窗内的亮度与楼房外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？二、黑体与黑体辐射⑴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，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。用不透明材料制成一空心容器，壁上开一小孔，可看成绝对黑体⑵说明：①黑体是个理想化的模型。例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。②对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。三、黑体辐射的实验规律1）测量黑体辐射的实验原理图：米2s

=5.67·10-8瓦（/

开4）2）辐射强度：单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。斯特藩——玻耳兹曼定律M

0

(l,

T

)l1700k1500k1300k3)维恩位移定律实验发现：随温度的升高①各种波长的辐射强度都在增加；②当绝对黑体的温度升高时，辐射强度的最大值向短波方向移动。b

=2.897

·10-3

米开4)

经典物理学所遇到的困难——解释实验曲线1）维恩的半经验公式：c-c

20ll5M (T)=

1

e

lT公式适合于短波波段，长波波段与实验偏离。0l2pckTl4M

(T

)=公式只适用于长波段,而在紫外区与实验不符,----紫外灾难2）瑞利----金斯公式-23玻尔兹曼常数

k

=1.380658·10

J/KM

0

(l,

T

)l实验瑞利-琼斯线维恩线T=1646k0-

1M

(l

,

T

)

=

2phc

2

l-

5

1hce

klTM

0

(l,

T

)l瑞利-琼斯线维恩线T=1646k普朗克线普朗克的拟合结果四、能量子：超越牛顿的发现实验普朗克能量子假说*辐射物体中包含大量振动着的带电微粒，它们的能量是某一最小能量的整数倍

E=nε

n=1,2,…ε叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数——能量量子化*

振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量h=6.626·10-34焦耳。----普朗克常数*对于频率为n的谐振子，最小能量为：ε=h

n意义：Planck抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出