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1、 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版 量子物理概述量子物理概述 原子的基本状况：物质的分割问题，中国，惠施：原子的基本状况：物质的分割问题，中国，惠施：端端其小无内；墨翟：端其小无内；墨翟：端体无序之首。公孙龙：一尺之槌，体无序之首。公孙龙：一尺之槌，日取其半，万世不竭日取其半，万世不竭 原子（原子（atom）（严复译作莫破）：）（严复译作莫破）：由古希腊由古希腊Democritus（前前460）提出，指不可见的或不可分割的。）提出，指不可见的或不可分割的。19世纪后，气体动力学以及化学的发展，确定物质由分子世纪后，气体动力学以及化学的
2、发展，确定物质由分子构成，分子由原子构成。构成，分子由原子构成。1833年，年，Faraday发现电解现象，发现电解现象，表明中性的原子内有正负电荷。表明中性的原子内有正负电荷。1890年，年，Schuster测得电子测得电子质量为氢原子质量的质量为氢原子质量的1/(1500-2000)（但他本人认为实验结果（但他本人认为实验结果是荒谬的是荒谬的,absorbabsurd;后来因辞去曼彻斯特大学及卡文后来因辞去曼彻斯特大学及卡文迪许教授而成全卢瑟福）；迪许教授而成全卢瑟福）；1 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版 1885年，年，Bal
3、mer总结出氢原子光谱规律；总结出氢原子光谱规律；1887年，年，Hertz发发现原子辐射红外线及光电效应；现原子辐射红外线及光电效应；1895年年Rontgen发现发现X射线；射线；1896年，年，Backler发现天然放射性；发现天然放射性；1897年，年，J.J.Thomson（Lord Kelvin）测量电子的荷质比，后来又提出）测量电子的荷质比，后来又提出果冻果冻-葡萄干模型；同年，葡萄干模型；同年，Kaufman意外发现电子的衍射现象意外发现电子的衍射现象(他测量的电子荷质比远比他测量的电子荷质比远比J.J.Thomson 准确准确,但自己都不敢相但自己都不敢相信信,被恩格斯批评为
4、被恩格斯批评为-真理碰到鼻尖还要躲避的人真理碰到鼻尖还要躲避的人)；1900年年Planck为解释黑体辐射现象提出能量的量子化假设；为解释黑体辐射现象提出能量的量子化假设；1903年年,Lenard:原子是十分空虚的原子是十分空虚的;1905年，年，Einstein用光的量子化解用光的量子化解释了光电效应；释了光电效应；1909年，年，Millikan用著名的油滴实验测量电子用著名的油滴实验测量电子电量，并发现电子是量子化的；电量，并发现电子是量子化的；1909-1911年，利用年，利用Geiger&Marsen的散射实验，的散射实验，Rutherford发现原子的核式模型发现原子的核式模型(
5、要尊重要尊重:一枚一枚15英寸的炮弹打在一张纸上又被反射回来一样的英寸的炮弹打在一张纸上又被反射回来一样的实验事实实验事实)。2 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版 总结：原子由带负电荷的电子与直径只有原子直总结：原子由带负电荷的电子与直径只有原子直径百万分之一，质量几乎等于原子质量的原子核构径百万分之一，质量几乎等于原子质量的原子核构成。原子可以电离；原子核可以放射出光或离子；成。原子可以电离；原子核可以放射出光或离子；原子的光谱是分离的；原子内部能量就应该是分离原子的光谱是分离的；原子内部能量就应该是分离的。按照经典的力学及电磁学：
6、电子在原子核外受的。按照经典的力学及电磁学：电子在原子核外受库仑力的作用应该做圆周运动，但带电粒子的加速库仑力的作用应该做圆周运动，但带电粒子的加速运动会向外辐射电磁波，从而使原子内部能量连续运动会向外辐射电磁波，从而使原子内部能量连续衰减：原子不稳定，发光连续。这与实际情况是不衰减：原子不稳定，发光连续。这与实际情况是不符的，需要寻求全新的理论。符的，需要寻求全新的理论。1913年年Bohr首先提出氢原子的旧量子理论，成功地首先提出氢原子的旧量子理论，成功地解释了氢原子及类氢离子的稳定性及光谱结构。但解释了氢原子及类氢离子的稳定性及光谱结构。但在解释复杂原子时遇到困难。在解释复杂原子时遇到困
7、难。3 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版1924年，年，de Broglie提出微观粒子的波动理论提出微观粒子的波动理论1925年年Schrodinger和和Heisenberg分别独立提出原子分别独立提出原子的波动理论和矩阵理论，创立量子力学。的波动理论和矩阵理论，创立量子力学。1926年，年，Born对波动理论进行统计诠释。量子力学对波动理论进行统计诠释。量子力学从此被公认从此被公认(Einstein等人例外等人例外)。1933年，年，Dirac发展了有心力场中的相对论量子力发展了有心力场中的相对论量子力学。学。1935年，量子场
8、论建立；年，量子场论建立；1951年，量子电动力学；年，量子电动力学；1963，量子色动力学。，量子色动力学。4 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版 量子概念是量子概念是 1900 1900 年普朗克首先提出，年普朗克首先提出，距今已有距今已有 100 多年的历史多年的历史.其间，经过爱其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到力，到 20 20 世纪世纪 30 30 年代，就建立了一套年代，就建立了一套完整的量子
9、力学理论完整的量子力学理论.5 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版一一 热辐射热辐射1 热辐射的基本概念和基本定律热辐射的基本概念和基本定律 （1）单色辐射出射度单色辐射出射度 单位时间内从物单位时间内从物体单位表面积发出的频率在体单位表面积发出的频率在 附近单位频率附近单位频率区间内的电磁波的能量区间内的电磁波的能量.单位：单位：单位：单位：6 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版（2）辐射出射度辐射出射度 单位时间，单位面积上所辐射出的各种单位时间，单位面积上所辐射出的各种频率
10、（或各种波长）的电磁波的能量总和频率（或各种波长）的电磁波的能量总和.7 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版0 2 4 6 8 10 1221210468太阳太阳钨丝钨丝可见可见光区光区 太阳太阳 钨丝钨丝钨钨丝丝和和太太阳阳的的单单色色辐辐出出度度曲曲线线8 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版入射入射吸收吸收反射反射透射透射（3）单色吸收比和单色反射比）单色吸收比和单色反射比 单色吸收比单色吸收比 (T)：在波长在波长 到到 范围内吸收的能量与入射的能量之比范围内吸收的能量与入
11、射的能量之比.9 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版对于不透明物体对于不透明物体(T)+r(T)=1入射入射吸收吸收反射反射透射透射 在波长在波长 到到 范围内反射的能量与入射能量之比范围内反射的能量与入射能量之比.单色反射比单色反射比r(T)：10 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版（4 4）黑体）黑体 黑体是理想黑体是理想模型模型 若物体在任何温度下，对任何波长的辐若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都射能的吸收比都等于等于1，则称此则称此物体为黑体物体为黑体.11
12、 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版 任何物体单色辐出度任何物体单色辐出度 M(T)和单色吸和单色吸收比收比(T)之比，等于同一温度之比，等于同一温度 T 时的绝时的绝对黑体对同一波长的单色辐出度对黑体对同一波长的单色辐出度MB(,T),即即（5）基尔霍夫定律基尔霍夫定律通俗地讲，好的吸收体是好的辐射体通俗地讲，好的吸收体是好的辐射体.12 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版13 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版0 1
13、000 2 0000.5 可可见见光光区区3 3 000000 K K6 6 000000 K K黑黑体体单单色色辐辐出出度度的的实实验验曲曲线线1.0二二 黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律14 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版1 斯特藩斯特藩 -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律斯特藩斯特藩 -玻耳兹曼常量玻耳兹曼常量总辐出度总辐出度式中式中0 1 000 2 0001.0 可可见见光光区区3 3 000000 K K6 6 000000 K K0.515 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第
14、二版第二版2 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 K16 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版解解（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）以上两辐出度以上两辐出度之比为多少？之比为多少？17
15、量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版（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18 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版三三 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0 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 K19 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版普朗克（普朗克（1858 1947
16、）德国理论物理学家，量子论的德国理论物理学家，量子论的奠基人奠基人.1900年他在德国物理学年他在德国物理学会上，宣读了以会上，宣读了以关于正常光谱关于正常光谱中能量分布定律的理论中能量分布定律的理论为题的为题的 论文论文.劳厄称这一劳厄称这一 天是天是“量子论量子论的的 诞生日诞生日”.量子论量子论 和相对论构成了近代物理学的研究和相对论构成了近代物理学的研究 基础基础.20 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版四四 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1 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式普朗克常数普朗克常数2
17、1 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版0 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 K22 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版 黑体中的分子、原子的振动可看作谐振黑体中的分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子的能量状态是分立的，相应子，这些谐振子的能量状态是分立的，相应的能量是某一最小能量的整数倍，即的能量是某一最小能量的整数倍，即，2 ，3，
18、n,称为能量子，称为能量子，n 为量子数为量子数.2 普朗克量子假设普朗克量子假设 普朗克量子假设是量子力学的里程碑普朗克量子假设是量子力学的里程碑.23 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版 （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）24 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版基元能量基元能量（2）25 量子物理量子物理 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第二版第二版 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.26