《波粒二象性》PPT課件

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1、第5篇量子物理1900年，德國物理學(xué)家普朗克在研究黑體輻射時，提出了“能量子”的概念。量子的意思是不能再分解的最小單元，普朗克為量子理論的建立奠定了基礎(chǔ)。1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦在分析光電效應(yīng)實驗規(guī)律時，提出光的能量子單元，進(jìn)一步發(fā)展了普朗克能量量子化的思想，愛因斯坦為量子理論的發(fā)展打開了局面。1915年美國物理學(xué)家康普頓針對晶體x射線散射的實驗事實提出：光子不僅具有能量，而且有動量。利用這個假定，康普頓成功地解釋了光子--電子散射的實驗結(jié)果。經(jīng)過愛因斯坦、波爾、德布羅意、波恩、海森伯、薛定諤

2、、狄拉克等人的努力，到20實際30年代形成量子力學(xué)理論。量子力學(xué)是關(guān)于微觀世界的理論，是一門奇妙的理論，它與相對論一起構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，它的許多基本概念、規(guī)律、方法與經(jīng)典物理截然不同。吳有訓(xùn)第26章波粒二象性在經(jīng)典物理學(xué)中，粒子和波是描述截然不同的物理對象的兩個概念。粒子是指質(zhì)量和能量局限于有限空間區(qū)域并作整體運動的微觀個體；波則是指分布在空間各處、互相影響并隨時間和空間位置周期變化的某一物理量的傳播過程。26.1黑體輻射給鐵塊加熱，隨溫度的升高，不發(fā)光→暗紅→赤紅→橙色→黃白。加熱其它物體

3、也是如此。這說明在不同的溫度下物體能發(fā)出頻率不同的電磁波。不同溫度下，物體發(fā)出的電磁波的能量按頻率有不同的分布，表現(xiàn)出不同的顏色。不僅太陽和火焰等高溫物體能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱輻射，人的身體、甚至寒冷刺骨的冰塊也在不斷地向外輻射出不可見的電磁波。在任何溫度下，所有物體都能輻射電磁波—熱輻射。為了定量研究熱輻射規(guī)律，引入光譜輻射出射度→Mν：單位時間內(nèi)、從物體單位表面積上發(fā)出的頻率在ν附近單位頻率區(qū)間內(nèi)的電磁波能量。單位:W/(m2﹒Hz)鎢絲和太陽的輻出度與頻率關(guān)系物體在輻射電磁波的同時，還吸收照射在它表

4、面的電磁波。如果同一時間內(nèi)，從物體表面輻射出去的能量等于從外界吸收的電磁波能量，物體溫度不變--熱平衡。在溫度為T時，物體表面吸收的頻率在ν到ν+dν區(qū)間的輻射能量占全部入射的該區(qū)間的輻射能量的份額，稱為光譜吸收比，以α(ν)表示。實驗表明，輻射能力越強(qiáng)的物體，其吸收能力也越強(qiáng)。理論證明，各種材料的Mν和α(ν)可以有很大的差別，但在同一溫度下，比值(Mν/α(ν))與材料無關(guān)，是一個確定的量。能完全吸收照射在它表面上的各種頻率電磁波的物體稱為黑體，它的光譜吸收比α(ν)=1，它的輻出度是各種材料中

5、最大的，而且只與頻率和溫度有關(guān)。因此研究黑體輻射的規(guī)律具有更基本的意義。19世紀(jì)末，在德國鋼鐵工業(yè)大發(fā)展的背景下，許多德國科學(xué)家關(guān)注黑體輻射的研究。1896年，維恩從經(jīng)典熱力學(xué)理論和麥克斯韋分布出發(fā)，導(dǎo)出維恩公式：1990年，瑞利發(fā)表了由根據(jù)經(jīng)典電磁學(xué)和能量均分定理導(dǎo)出的公式，后由金斯修正，故稱瑞利--金斯公式：維恩公式在高頻段與實驗符合，低頻段不行。瑞利--金斯公式高頻段不行--“紫外災(zāi)難”！普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858―1947)德國物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開

6、創(chuàng)者和奠基人。普朗克的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論，1900年12月14日他在德國物理學(xué)會上，宣讀了《關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論》的論文，提出了能量量子化假設(shè)，并導(dǎo)出了黑體輻射的能量分布公式。這是物理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。勞厄稱這一天為“量子論的誕生日”。1918年普朗因創(chuàng)立了量子理論而獲諾貝爾獎。1900年，德國理論物理學(xué)家普朗克密切地關(guān)注著當(dāng)時的實驗進(jìn)展，在維恩公式和瑞利—金斯公式的啟發(fā)下，開始試圖將代表短波方向的維恩公式和代表長波方向的瑞利--金斯公式

7、的實驗結(jié)果綜合在一起。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)并利用內(nèi)插法，他很快拼湊了一個公式：該公式與實驗數(shù)據(jù)符合得很好，而且通過普朗克公式可以導(dǎo)出黑體輻射的兩條基本實驗規(guī)律斯忒藩--玻爾茲曼定律和維恩位移定律。1900年10月19日，普朗克向德國物理學(xué)會報告了他所得到的經(jīng)驗公式。普朗克是一個理論物理學(xué)家，他并不滿足于找到了一個經(jīng)驗公式。實驗結(jié)果越是證明他的公式與實驗相符，就越促使他探求其理論依據(jù)。普朗克注意到過去的理論，把黑體中的原子和分子都看成是可以吸收或輻射電磁波的諧振子，且電磁波與諧振子交換能量時可以以任一大小的份

8、額進(jìn)行。經(jīng)過兩、三個月高度緊張的工作后，1900年底普朗克大膽地放棄了連續(xù)性概念，提出了具有決定意義的能量子假設(shè)。普朗克能量子假設(shè)：輻射黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射電磁波并和周圍電磁場交換能量，但這些諧振子只能處于某些特殊的狀態(tài)，它們的能量只能是某一能量最小單位ε(稱為能量子)的整數(shù)倍。E=nε,n=1,2,3,....ε叫能量子，n為量子數(shù)，它只取正整數(shù)--能量量子化。對于頻率為ν的諧振子，最小能量為：ε=hνh=6.626075×10-34J·s諧振子吸