普朗克量子假设课件

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1、第十五章第十五章 量子物理基础量子物理基础 (quantum physics)(quantum physics)11量子物理学的建立和特征量子物理学的建立和特征十九世纪末，十九世纪末，经典物理经典物理已发展得相当成熟，已发展得相当成熟，人们人们认为，对物理现象本质的认识已经完成。认为，对物理现象本质的认识已经完成。海王星海王星的发现的发现和和电磁理论对波动光学的成功解释，电磁理论对波动光学的成功解释，1900年，年，Kelvin在新年的祝词中在新年的祝词中曾说道：曾说道：“物理学的大厦已基本建成，物理学的大厦已基本建成，后辈物理学家只要做后辈物理学家只要做些修补工作就行了。些修补工作就行了。”

2、2迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验“零结果零结果” 和和黑体辐射黑体辐射“紫外灾难紫外灾难”。晴朗的物理学天空中出现的晴朗的物理学天空中出现的“两朵乌云两朵乌云”。量子力学的诞生量子力学的诞生相对论的建立相对论的建立黑体辐射黑体辐射迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验3量子物理学是在量子物理学是在20世纪初，物理学家们在世纪初，物理学家们在研究微观研究微观世界世界（原子、分子、原子核（原子、分子、原子核）的）的结构和运动规律结构和运动规律的过程中，逐步建立起来的。的过程中，逐步建立起来的。没有量子力学作为工具，就不可能有化学、生物、没有量子力学作为工具，就不可能有化学、生物、医学以及其他每一个

3、关键学科的引人入胜的进展。医学以及其他每一个关键学科的引人入胜的进展。没有量子力学就没有全球经济可言，因为作为量子没有量子力学就没有全球经济可言，因为作为量子力学的产物的电子学革命将我们带入了计算机时代。力学的产物的电子学革命将我们带入了计算机时代。同时，光子学的革命也将我们带入信息时代。量子同时，光子学的革命也将我们带入信息时代。量子物理的杰作改变了我们的世界，物理的杰作改变了我们的世界，4就是就是狭义相对论狭义相对论（1905）、）、广义相对论广义相对论（1916）“在本世纪初，发生了三次概念上的革命，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，它们深刻地改变

4、了人们对物理世界的了解，和和量子力学量子力学（1925）。）。”这这正如正如杨振宁杨振宁在爱因斯坦对理论物理学的在爱因斯坦对理论物理学的影响一文（影响一文（1979）所说：）所说：5Anyone who isnt shocked by quantum theory has not understood it. 尼尔斯尼尔斯玻尔玻尔I can safely say that nobody understands quantum mechanics” 费曼费曼量子物理学的特征：能量不再均分量子物理学的特征：能量不再均分6教学基本要求教学基本要求物理学物理学第五版第五版15.1 量子物理学的诞生量子

5、物理学的诞生普朗克量子假设普朗克量子假设15.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说（不讲）（不讲）15.3 康普顿效应及光子理论的解释康普顿效应及光子理论的解释15.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论15.5 微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性 不确定关系不确定关系 15.6 波函数波函数 一维定态薛定谔方程一维定态薛定谔方程 7一、一、黑体黑体黑体辐射黑体辐射实验表明：一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量。实验表明：一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量。辐射的能量与温度有关，称之为辐射的能量与温度有关，称之为热辐射热辐射。但是强度不同。但是强度

6、不同。热辐射强度按波长热辐射强度按波长( (频率频率) )的分布和温度有关，的分布和温度有关， 极高温物体发出的是极高温物体发出的是紫外光。紫外光。炽热物体发出的是炽热物体发出的是可见光，可见光，低温物体发出的是低温物体发出的是红外光，红外光， 温度温度 短波长的电磁波的比例短波长的电磁波的比例 。热辐射波谱是热辐射波谱是连续谱，连续谱， 各种波长各种波长( (频率频率) )都有，都有，例如：加热铁块，例如：加热铁块， 温度温度 ，铁块颜色由看铁块颜色由看 蓝白蓝白色色不出发光不出发光 暗红暗红 橙色橙色 黄白色黄白色15.1量子物理学的诞生量子物理学的诞生普朗克量子假设普朗克量子假设8140

7、01400 K K800800 K K10001000 K K12001200 K K几种温度下辐射最强的电磁波颜色几种温度下辐射最强的电磁波颜色例如：加热铁块，例如：加热铁块， 温度温度 ，铁块颜色由看铁块颜色由看 蓝白蓝白色色不出发光不出发光 暗红暗红 橙色橙色 黄白色黄白色9头头部部的的红红外外照照片片（热热的的地地方方显显白白色色，冷冷的的显显黑黑色色）头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异。头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异。 低低温温物物体体（例例如如人人体体）也也有有热热辐辐射射，但但辐辐射射较较弱弱，并且主要成分是波长较长的红外线。并且主要成分是波长较长的红外线

8、。10的物体，的物体，维恩设计的黑体：维恩设计的黑体： 1 1、黑体：、黑体：黑体是理想化模型，黑体是理想化模型，能完全吸收入射的各种波长电磁波能完全吸收入射的各种波长电磁波而无反射而无反射 不不透透明明介介质质空空腔腔开开一一小小孔孔，电电磁磁波波射射入入小小孔孔后后，很很难难再再从从小小孔孔中中射射出出。小小孔孔表表面是黑体。面是黑体。 11 辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射称为平衡热辐射。体的热辐射称为平衡热辐射。 物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射本领物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射本领越大

9、，其吸收本领也越大。越大，其吸收本领也越大。 室温室温高温高温吸收吸收白底黑花瓷片白底黑花瓷片辐射辐射12l好的吸收体好的吸收体也是也是好的辐射体好的辐射体思考思考 非洲沙漠人为何穿黑袍？非洲沙漠人为何穿黑袍？131415单位：单位：单位：单位： 2 2、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 T的黑体的黑体单位单位面积面积上，上，单位时间内，单位时间内，所辐射出的单位波长间隔中所辐射出的单位波长间隔中（ ）的电磁波的能量的电磁波的能量. .163 3、辐出度、辐出度从温度为从温度为T的黑体的黑体单位时间，单位面积上所辐射出单位时间，单位面积上所辐射出的各种频率（或各种波长）的

10、电磁波的能量总和的各种频率（或各种波长）的电磁波的能量总和.17二、二、 斯特藩斯特藩 - - 玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律斯特藩斯特藩 - - 玻耳兹曼常量玻耳兹曼常量辐出度辐出度式中式中0 1 000 2 0001.0 可可见见光光区区3 3 000000 K K6 6 000000 K K0.51 1 斯特藩斯特藩 - - 玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律182 维恩位移定律维恩位移定律常量常量 峰值波长峰值波长0 1 000 2 0001.0 可可见见光光区区3 3 000000 K K6 6 000000 K K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

11、辐出度与单色辐出度M M (T)(T)的峰值相的峰值相对应的波长对应的波长 m m向短波方向移向短波方向移动，称为动，称为维恩位移定律维恩位移定律 斯特藩斯特藩 玻耳兹曼定律和维恩位移定律是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。测量高温、遥感和红外追踪等的物理基础。19解解 （1）由维恩位移定律由维恩位移定律 例例1（1）温度为温度为 的黑体，其单色辐的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？出度的峰值所对应的波长是多少？( (2) )太阳的太阳的单色辐出度的峰值波长单色辐出度的峰值波长 ，试由，试由此估算太阳表面的温度此估算太阳表面的温度.（3）以上两辐出度以

12、上两辐出度之比为多少？之比为多少？ 20（2）（3）由由斯特藩斯特藩 - - 玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律由维恩位移定律由维恩位移定律21三三瑞利瑞利-金斯公式金斯公式经典物理的困难经典物理的困难 1900 1900年从经典电动力学和统计物理学理论年从经典电动力学和统计物理学理论（能量均分）推导而得。（能量均分）推导而得。瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式220 1 2 3 62 4瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式“紫外灾难紫外灾难”实验曲线实验曲线*T = 2 000 K该公式在低频段与实验曲线符合得很好。该公式在低频段与实验曲线符合得很好。高频段高频段明显偏

13、离实验曲线。明显偏离实验曲线。 “ “ 物理学晴朗物理学晴朗 天空中的一朵天空中的一朵 乌云乌云!”!”23四四 普朗克假设普朗克假设 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式 1900.10.7实验物理学家实验物理学家鲁本斯鲁本斯（Rubens）给给普朗克普朗克带来了热辐射理论与实验比较的信息。带来了热辐射理论与实验比较的信息。当天当天普朗克普朗克就用就用内差法内差法得出了一个公式：得出了一个公式：普朗克公式普朗克公式（Planck formula）鲁本斯鲁本斯把这把这 “幸运地猜出来的内插公式幸运地猜出来的内插公式” 同最新的同最新的该公式在全波段与实验结果该公式在全波段与实验结果实验结果比较

14、，发现：实验结果比较，发现：惊人地符合！惊人地符合！普朗克常数普朗克常数240 1 2 3 6瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式2 4普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线实验值实验值*实实验验值值与与普普朗朗克克公公式式理理论论曲曲线线比比较较T = 2 000 K 普普朗朗克克不不满满足足“侥侥幸幸猜猜到到”的的半半经经验验公公式式，要要“不惜任何代价不惜任何代价” ” 地去揭示真正的物理意义。地去揭示真正的物理意义。25电电磁磁波波普朗克能量子假设普朗克能量子假设 若谐振子频率为若谐振子频率为 v ，则其能量是，则其能量是hv , 2hv, 3hv , , nhv , 普朗克常数普朗克

15、常数 h = 6.62610-34 Js 腔腔壁壁上上的的原原子子能能量量与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化是化是 hv 的整数倍的整数倍. . = h 能量子：能量子：量子量子2 n * 振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量量量子子物物理理：简简谐谐振振子子的的能能量量是是量量子子化化的的（quantizationquantization），只只能取一系列特定的分立值能取一系列特定的分立值 =nh 26量量子子物物理理：简简谐谐振振子子的的能能量量是是量量子子化化的的（quantizationqu

16、antization），只只能取一系列特定的分立值能取一系列特定的分立值量子量子2 n 经典物理：经典物理：设有一弹簧振子，在水平面内振动。由于摩擦系统的设有一弹簧振子，在水平面内振动。由于摩擦系统的能量逐渐耗散，能量减小是连续的能量逐渐耗散，能量减小是连续的经典经典能量能量27普朗克普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）18581947 能能 量量子子概概念念的的提提出出标标志志了了量量子子力力学学的的诞诞生生，普普朗朗克克为为此此 获获 得得19181918年年 诺诺贝贝尔尔物物理理学奖。学奖。28 在在1918年年4月月普普朗朗克克六六十十岁岁生生日日庆庆祝祝

17、会会上上，爱因斯坦说：爱因斯坦说：他成了一个他成了一个以伟大的以伟大的有人爱科学是为了满足智力上的快感；有人爱科学是为了满足智力上的快感；“在科学的殿堂里有各种各样的人：在科学的殿堂里有各种各样的人：有的人是为了纯粹功利的目的。有的人是为了纯粹功利的目的。而而普朗克普朗克热爱科学是为了得到热爱科学是为了得到现象世界那现象世界那些普遍的基本规律，些普遍的基本规律， 这是他无穷的毅力和耐这是他无穷的毅力和耐心的源泉。心的源泉。 创造性观念造福于世界的人。创造性观念造福于世界的人。”29（2）当量子数由当量子数由增加到增加到时，振幅时，振幅的变化是多少？的变化是多少？ 例例2 设一音叉尖端质量为设一音叉尖端质量为 0.050 kg ，将，将其频率调到其频率调到 ，振幅，振幅 .求求（1）尖端振动的量子数；尖端振动的量子数；解解（1）30能量子能量子（2）31 在宏观范围内，能量量子化的效应是在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明显的，即宏观物体的能量完全可视极不明显的，即宏观物体的能量完全可视作是连续的作是连续的.32享受物理享受物理领会人生领会人生要求：要求：按时上课、复习这学期重点内容、注重按时上课、复习这学期重点内容、注重科学复习方法科学复习方法15-3第第71页第一题（页第一题（1），）， （2），）， 15-4第第72页第一题（页第一题（6），）， （11），）， 33