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1、第十七章：波粒二象性第十七章：波粒二象性1、物理学的新纪元： 能量量子化19世纪末，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完美无缺的地步。 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文作了展望新世纪的发言: “科学的大厦已经基本完成，科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补后辈的物理学家只要
2、做一些零碎的修补工作就行了。工作就行了。” -开尔文开尔文也就是说：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！ 但开尔文毕竟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，还有两朵但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，令人不安的乌云，-”这两朵乌云是指什么呢？一朵与一朵与黑体辐射黑体辐射有关，有关，另一朵与另一朵与迈克尔逊实验迈克尔逊实验有关。有关。然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着(1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大
3、厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路, 柳暗花明又一村”。 我们周围的一切物体，在任何温度下都在发射我们周围的一切物体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，所辐射电磁波的特征与物体的各种波长的电磁波，所辐射电磁波的特征与物体的温度有关，所以叫热辐射。温度有关，所以叫热辐射。1. 1. 1. 1. 热辐射现象热辐射现象热辐射现象热辐射现象黑体与黑体与 黑体辐射黑体辐射 热辐射及其特征热辐射及其特征1. 热辐射由于分子热运动导致物体辐射电磁波，温度不同时 辐射的波长分布不同。温度越高短波成分越强 例如：固体（铁块）在温度升高时颜色的变化 热辐射热辐射 - - 热
4、能转化为电磁能的过程热能转化为电磁能的过程800K1000K1200K1400K认识热辐射认识热辐射任何物体任何温度均存在热辐射任何物体任何温度均存在热辐射温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波的短波成分电磁波的短波成分 如：一个白炽灯在所加电压逐渐升高时如：一个白炽灯在所加电压逐渐升高时昏黄色-光亮-刺眼直觉直觉: : 低温物体发出的是低温物体发出的是红外光红外光 炽热物体发出的是炽热物体发出的是可见光可见光 高温物体发出的是高温物体发出的是紫外光紫外光注意：注意： 热辐射与温度有关热辐射与温度有关 激光激光 日光灯发光不是热辐射日光灯发光不是热辐射2、物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波
5、。 、常温下我们看到物体的颜色是反射所致。、如果物体能够完全吸收各种波长的电磁波而不反射，这就是黑体。黑体辐射的强度按波长分布只与温度有关与材料及表面状况无关。能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射、折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体 不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。黑体模型黑体模型 研究黑体辐射的研究黑体辐射的规律是了解一般物体规律是了解一般物体热辐射性质的基础。热辐射性质的基础。黑体辐射实验规律0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K实验结果实验结果实验结果可看出：随着温度升高，各种波长的辐射都增加。辐射强度的极大值向短波方向移动。人们总
6、是力图用已有的知识来解释新发现的现象和规律：当时知道，物体中振动的带电微粒产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。于是依据热学和电磁学知识寻求黑体辐射的理论解释。 例如，维恩公式，瑞利公式等。o实验值/m维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线12345678维恩，瑞利解释均与实验有出入。为了得出与实验相符的公式，普朗克做了多种尝试，进行了激烈的思想斗争，做出了大胆的假设-能量子假说。辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最
7、小能量（称为能量子）的整数倍，即：, 1, 2, 3, . n. n为正整数，称为量子数。 对于频率为对于频率为的谐振子最小能量为的谐振子最小能量为能量能量量子量子经典经典能量子假说(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克实验值实验值理论与实验的高度吻合 普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信 h的引入确实反映了新理论的本质。 普朗克1900年把能量子引入物理学，正确的破除了“能量连续变化”的传统观念，开创了物理学的新纪元。1818年之后，年之后，19181918年他荣获诺贝尔物理学年他荣获诺贝尔物理学奖。奖。他的墓碑上只刻着他的：他的墓碑上只刻着他的： 姓名和姓名和物理难题：1888年，霍瓦(Hallwachs)发现一个带负电的金属板被紫外光照射会放电。近10年以后，1897年，J.Thomson发现了电子 ，此时，人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子，相应的效应叫做光电效应。人们本着用光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释，会出现什么结果？
