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1、第一节第一节 能量量子化能量量子化 物理学的新纪元物理学的新纪元 19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都世纪末页，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、方程。另外还找到了力、电、光、声声-等都遵循的规律等都遵循的规律-能量转化与守能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这恒定律。当时许多物理学家
2、都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。经发展到头了。1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言勋爵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后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。的修补工作就行了。”-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要把做过的实验再做一做，在实验数据的
3、小数点后面在加几位罢了！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，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：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？这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射有关，一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。另一朵与迈克尔逊实验有关。然而然而,事隔不到一年事隔不到一年(1900年底年底)，就从，就从第一朵乌云中降生了量子论第一朵乌云中降生了量子论，紧接着，紧接着(1905年年)从第二朵乌云中降生
4、了相对论。从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路山重水复疑无路,柳暗花明又一村柳暗花明又一村 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。特征与温度有关。固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化1400K800K100
5、0K1200K1.1.1.1.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 黑体辐射黑体辐射一、一、热辐射及其特点热辐射及其特点1.热辐射热辐射由于分子热运动导致物体辐射电磁波由于分子热运动导致物体辐射电磁波温度不同时温度不同时 辐射的波长分布不同辐射的波长分布不同 例如：铁块例如：铁块 温度温度 从从看不出发光看不出发光到到暗红暗红到到橙色橙色到到黄白色黄白色这种与温度有关这种与温度有关的的辐射辐射 称为称为热辐射热辐射热辐射热辐射 -热能转化为电磁能的过程热能转化为电磁能的过程2.对热辐射的初步认识对热辐射的初步认识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
6、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 如一个如一个20瓦的白炽灯和一个瓦的白炽灯和一个200瓦的白炽灯瓦的白炽灯昏黄色昏黄色贼亮贼亮 刺眼刺眼直觉直觉: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二、平衡热辐射二、平衡热辐射 加热一物体加热一物体 物体的温度恒定时物体的温度恒定时物体所吸收的能量等于在同一物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量时间内辐射的能量这时得到的辐射称为平衡热辐射这
7、时得到的辐射称为平衡热辐射能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，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。简称折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体黑体2.2.2.2.黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律 不透明的材料制成带小孔的的空腔不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看可近似看作作黑体黑体。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。黑体模型黑体模型空腔上的小孔空腔上的小孔炼钢炉上的小洞炼钢炉上的小洞向向远处观察打开远处观察打开的窗子的窗子近似黑体近似黑体平
8、平衡衡态态时时 黑黑体体辐辐射射只只依依赖赖于于物物体体的的温温度度,与与构构成成黑黑体体的的材材料料 形形状状无无关关实验装置实验装置T平行光管平行光管三棱镜三棱镜T0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K实验结果实验结果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黑体辐射实验是物理学晴朗天空中黑体辐射实验是物理学晴朗天空中 一朵令人不安的乌云。一朵令人不安的乌云。3.3.能量子假说能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看辐射黑体分子、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。但作谐振子，这些谐振
9、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小能量具有任意值。相应的能量是某一最小能量（称为称为能量子）的整数倍，即：能量子）的整数倍，即：,1,1,2,2,3,3,.n n.n n为正整数，称为为正整数，称为量子数。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(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克实验值实验值普朗克的能量子假说和黑体辐射公式普朗克的能量子
10、假说和黑体辐射公式1.黑体辐射公式黑体辐射公式1900.10.19 普朗克在德国普朗克在德国物理学会会议上提出一个物理学会会议上提出一个黑体辐射公式黑体辐射公式M.Planck 德国人德国人 18581947 普朗克后来又为这种与经典物理格格不入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，他才坚定地相信告终之后，他才坚定地相信h的引入确实反映的引入确实反映了新理论的本质。了新理论的本质。1918年他荣获诺贝尔物理学奖年他荣获诺贝尔物理学奖。他
11、的墓碑上只刻着他的姓名和他的墓碑上只刻着他的姓名和 黑体辐射的研究卓有成效地展现黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前，在人们的眼前，紫外灾难的疑点找紫外灾难的疑点找到了到了，为人类解决了一大难题。使为人类解决了一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就此平息了吗？但真理与谬误之争就此平息了吗？物理难题：物理难题：1888年，霍瓦年，霍瓦(Hallwachs)发现发现一个带负电的金属板被紫外光照射会放电一个带负电的金属板被紫外光照射会放电。近近10年以后，年以后，1897年年，J.Thomson发现了发现了电子电子，此时，此时，人们认识到那就是从金属表人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子电子(photoelectron)，相应的效应叫做光相应的效应叫做光电效应电效应。人们本着对光的完美理论（光的。人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？结果？