17.1物理学的新纪元：能量量子化(整理)

17.1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 发展到头了。

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 勋爵作了展望新世纪的发言:

“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 的修补工作就行了。”--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，还有两朵令 人不安的乌云，----”

这两朵乌云是指什么呢？

一朵与黑体辐射有关，

一朵与迈克尔逊实验有关。

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。

黑体与 黑体辐射1. 热辐射现象固体或液体，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 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。固体在温度升高时颜色的变化

800K

1000K

1200K

1400K

一、 热辐射及其特点 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 例如：铁块 温度 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色 这种与温度有关的辐射 称为热辐射 热辐射 --- 热能转化为电磁能的过程

2. 对热辐射的初步认识任何物体任何温度均存在热辐射

温度 发射的能量 电磁波的短波成分

如一个20瓦的白炽灯和一个200瓦的白炽灯 昏黄色 贼亮 刺眼

直觉:低温物体发出的是红外光

炽热物体发出的是可见光高温物体发出的是紫外光

注意：热辐射与温度有关

二、平衡热辐射加热一物体 物体的温度恒定时 物体所吸收的能量等于在同一 时间内辐射的能量 这时得到的辐射称为平衡热辐射

2. 黑体辐射实验规律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。 研究黑体辐射的 规律是了解一般物

体 热辐射性质的基础。

黑体模型

黑体模型空腔上的小孔

炼钢炉上的小洞

向远处观察打开 的窗子 近似黑体

形体平 状的衡 无温态 关度时 与黑 构体 成辐 黑射 体只 的依 材赖 料于 物 ,

实验结果e0 ( , T )

λ0 1 2 3 4 5 6(μm)

黑体辐射实验是物理学晴朗天空中M 0

(T )

实验值紫 外 普 灾 朗 难 克 线维恩线

一朵令人不安的乌云。

瑞利--金斯线

o

1

2

3

4

5

6

7

8

/μm

3.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小能量ε (称为 能量子)的整数倍，即：ε , 1ε , 2ε , 3ε , ... nε . n为正整数，称为量子数。

对于频率为ν 的谐振子最小能量为 h

能量

经典

量子

e0 ( , T )

实验值

普朗克

1

2

3

4

5

6

7

8 9 λ (μ m)

普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 1.黑体辐射公式 1900.10.19 普朗克在德国 物理学会会议上提出一个 黑体辐射公式M (T ) 2πh c2

e 34

3

h / kT

1

h 6.55 10

J s

M.Planck 德国人 1858-1947

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。

1918年他荣获诺贝尔物理学奖。 他的墓碑上只刻着他的姓名和

h 6 . 626 10

34

焦 秒

黑体辐射的研究卓有成效地展现 在人们的眼前，紫外灾难的疑点找 到了，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， 但真理与谬误之争就此平息了吗？

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(photoelectron),相应的效应叫做光电 效应。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结 果？

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