15-1 黑体辐射 普朗克能量子假设

大学物理第十五章量子物理课件

物理学第五版

1515-1 黑体辐射 普朗克能量子假设

年普朗克首先提出， 量子概念是 1900 年普朗克首先提出， 多年的历史. 其间， 距今已有 100 多年的历史 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、 薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努 力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一套 年代， 完整的量子力学理论. 完整的量子力学理论

第十五章

量子物理

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1515-1 黑体辐射 普朗克能量子假设 第一届索尔威国际物理会议

(图中从左到右，坐者：能斯特、布里渊、索尔威、洛伦兹、瓦伯、佩兰、 维恩、居里夫人、彭加勒；站者：哥茨米特、普朗克、鲁本斯、索末菲、林德 曼、莫里斯·德布罗意、克努曾、海申诺尔、霍斯特勒、赫森、金斯、卢瑟福、 卡麦林-昂纳斯、爱因斯坦、朗之万) 第十五章 量子物理2

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几乎可以肯定，世界上没有第二张照片，能像这张一样， 几乎可以肯定，世界上没有第二张照片，能像这张一样，在 一幅画面内集中了如此之多的、水平如此之高的人类精英。 一幅画面内集中了如此之多的、水平如此之高的人类精英。

图8-15 第五届索尔威会议参与者合影(从左到右)第三排：A.Piccard; E. Henriot;埃伦费斯特; E. Herzen; T. De Donder; 薛定谔;E. Verschaffelt; 泡利; 海森伯;R.H. Fowler; L. Brillouin;第二排：德拜; M. Knudsen;劳伦斯·布拉格; 克拉末斯;狄拉克; 康普顿; 德布罗意; 玻恩; 玻尔;第一排：I. Langmuir; 普朗克; 居里夫人;洛伦兹; 爱因斯坦;朗之万; C. E. Guye; C.T.R. 威尔逊; O.W. Richardson

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物理学大师的八卦

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牛顿 Isaac Newton (1642~ (1642~1727)伟大的英国物理学家、数学家、天文学家。 伟大的英国物理学家、数学家、天文学家。 生平 1642年12月25日(新历1643年1月4日)生于林肯郡的 1642年12月25日 新历1643 1643年 一个农村家庭。1689和1701年牛顿两次作为剑桥大学代表 一个农村家庭。1689和1701年牛顿两次作为剑桥大学代表 被选入议会。1703年起任英国皇家学会会长。牛顿一生未 被选入议会。1703年起任英国皇家学会会长。牛顿一生未 婚。1727年 婚。1727年3月20日(新历3月31日)因肾结石症在伦敦逝 20日(新历3 31日)因肾结石症在伦敦逝 世。为了颂扬这位伟大的学者,当时英国著名诗人A.波普 世。为了颂扬这位伟大的学者,当时英国著名诗人A.波普 (1688~1744)为牛顿写了一个碑铭, (1688~1744)为牛顿写了一个碑铭,镶嵌在牛顿出生的房屋 墙壁上，大意是“ 墙壁上，大意是“道法自然，久藏玄冥；天降

牛顿，万物 5 生明” 生明”。

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主要贡献： 力学三大定律、万有引力定律 数学：牛顿在前人工作的基础上，提出“ 数学：牛顿在前人工作的基础上，提出“流数 (fluxion)法 建立了二项式定理，并和G.W.莱布 (fluxion)法”,建立了二项式定理，并和G.W.莱布 尼兹几乎同时创立了微积分学 光学：光学方面 光学：光学方面 牛顿曾致力于颜色的现象和光 的本性的研究。 “牛顿环”、创立了光的“微 牛顿环”、创立了光的“ 粒说” 粒说”6

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"if i have seen further [than others] it is by standing on the shoulders of giants." giants. 胡克，就是胡克定律那个， 胡克，就是胡克定律那个，一直宣称万有 引力是他先发现的，后来牛老大怒了， 引力是他先发现的，后来牛老大怒了， 就 给他写了一封信，其中包含了这句话。 给他写了一封信，其中包含了这句话。 意 思嘛，很明显， 思嘛，很明显，就是说就算我的发现借鉴 了前人的工作，那也只是借鉴了大牛的那 了前人的工作，那也只是借鉴了大牛的那 些，至于你，还不配 至于你，7

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阿尔伯特·爱因斯坦，1879年出生在德国。他一生 阿尔伯特·爱因斯坦，1879年出生在德国。他一生 科研成果卓著，其中最卓著的是他用实验证实了原 子的存在，创立了相对论，并发展了普朗克提出的 量子假说。德国著名物理学家爱因斯坦，一生为现 代物理学发展做出了卓绝贡献。其最卓绝的成就是 他突破牛顿经典物理学的框架，创立了适用于微观 8 高速运动领域的相对论。

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毋庸置疑，对于我们这些学物理的人来说， 毋庸置疑，对于我们这些学物理的人来说， 小爱在上一世纪简直就是god 小爱在上一世纪简直就是god 波恩曾经认为，pauli也许是比爱因斯坦还牛 波恩曾经认为，pauli也许是比爱因斯坦还牛 的科学家，不过他又补充说， pauli完全是另 的科学家，不过他又补充说， pauli完全是另 一类人， 在我看来 ， 一类人 ， “ 在我看来， 他不可能像爱因斯坦 一样伟大” 一样伟大” 在1945年，pauli终于拿到了那个他觉得自己20 1945年 pauli终于拿到了那个他觉得自己20 年前就应该拿到的nobel后 年前就应该拿到的nobel后， 普林斯顿高等研究 院为pauli 开了庆祝会， 院为 pauli开了庆祝会 ， 爱因斯坦为此在会上演 讲表示祝贺 pauli后来写信给波恩回忆这一段， pauli后来写信给波恩回忆这一段， 说"当时的情景就像物理学的王传位于他的 继承 9 者"

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爱因斯坦的小心眼 可怜的爱因斯坦，当年在苏黎世读书的时候， 可怜的爱因斯坦，当年在苏黎世读书的时候，也是满可 怜的。 他和另外三个学生一起获得了一个叫fachlehrer的 怜的。 他和另外三个学生一起

获得了一个叫fachlehrer的 冬冬( 大概就是作助教的资格) 冬冬 ( 大概就是作助教的资格), 另外三个人立马就拿到 了位置，偏偏小爱没拿到。 另一个学生， 了位置，偏偏小爱没拿到。(另一个学生，爱因斯坦未来 的 第一任夫人，未能通过fachlehrer) 当时系里管这个的是 第一任夫人，未能通过fachlehrer) weber,好像他对于爱因斯坦不是很满意， weber,好像他对于爱因斯坦不是很满意，曾经批评爱因斯 坦 不喜欢听从他人意见(原文是 but you have one great 不喜欢听从他人意见( fault, you do let yourself be told anything)。据说爱因斯坦 anything)。 对实验兴趣不大也是跟这个有关 小爱大概快被郁闷死了， 小爱大概快被郁闷死了， 以至于终生对weber耿耿于怀。 weber去世的时候(1912) 以至于终生对weber耿耿于怀。当weber去世的时候(1912), 小爱居然写了这样一封信给朋友，信中声称"weber's 小爱居然写了这样一封信给朋友，信中声称"weber's death is good for the eth". eth".10

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小爱赌钱 有一年开会，会场选在了那个拉斯韦加斯， 有一年开会，会场选在了那个拉斯韦加斯，当然了跟 国内选九寨沟什么 的一样，都是要找能***的地方。 的一样，都是要找能***的地方。 我们的小爱同学在那里做了一件很不好的事情， 我们的小爱同学在那里做了一件很不好的事情，他疯 狂的赌钱。 然后有个物理学家就评论说， 狂的赌钱。 然后有个物理学家就评论说，“我从来没 想过爱因斯坦也会这样， 想过爱因斯坦也会这样，好像 要见不到明天的太阳了 似的。 另一个愁容满面，叹了口气说， 似的。" 另一个愁容满面，叹了口气说，"我担心的就 是这个， 是这个，我总觉得他的确是 知道会有什么事情发生" 知道会有什么事情发生"

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1924年，奥地利物理学家泡利(Wolfgang 1924年，奥地利物理学家泡利(Wolfgang Ernst Pauli,1900~ Pauli,1900~1958) 发表了“不相容原理”:原 子中不可能有两个或两个以上的电子处于同一量 子态.这一原理使当时许多有关原子结构的问题 得以圆满解决，对所有实体物质的基本粒子(通 常称之为费米子，如质子、中子、夸克等)都适 用，构成了量子统计力学——费米统计的基点。 用，构成了量子统计力学——费米统计的基点。12

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pauli似乎在物理学领域是一个征服者而不是一个殖民者， pauli似乎在物理学领域是一个征服者而不是一个殖民者， 他大量的工作 没有发表，而是遗留在私人信件里。今天 没有发表，而是遗留在私人信件里。 我能查到的信件中， 我能查到的信件中，我们发现 大量这样的例子，他的关 大量这样的例子， 于矩阵力学和波动力学的等价性证明是写在 给jordan

的信 jordan的信 件里， 测不准原理首先出现在他给海森堡的信件里， 件里 ， 测不准原理首先出现在他给海森堡的信件里 ， dirac的泊松括号量子化被hendrik dirac的泊松括号量子化被hendrik kramers 独立发现，而他 独立发现， 指出，pauli早就指出了这种对易关系的表示方法 指出，pauli早就指出了这种对易关系的表示方法 或许有些天才的生命是注定短暂的，pauli生于1900年 或许有些天才的生命是注定短暂的，pauli生于1900年， 于1958年去世，仅比 他心中帝王晚去世3年，(爱因斯坦 1958年去世， 他心中帝王晚去世3 1879-1955) 1879-1955),他唯一的遗憾就是一生中 觉得没有做出像 他的king一样伟大的工作。 他的king一样伟大的工作。 仅以此怀念pauli 仅以此怀念pauli13

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pauli作为一个物理学家 ， 眼光是相当锐利的， pauli 作为一个物理学家， 眼光是相当锐利的 ， 比如feynman 说的那个故事， pauli预言惠勒永 比如 feynman说的那个故事 ， pauli 预言惠勒永 远做不出那个什么超前推迟势 的量子力学推广 (果然他没作出),feynman事后着实被puali的眼 果然他没作出) feynman事后着实被puali的眼 光震惊了 不过pauli 年轻的时候大概是他最牛的时候， 不过 pauli年轻的时候大概是他最牛的时候 ， 他和海森堡认识的时候， 他和海森堡认识的时候，虽然 不一样大，但是 不一样大， 海森堡对他当真是言听计从， 海森堡对他当真是言听计从，看来十分崇拜 海 森堡刚开始想做相对论方向的工作，pauli作为 森堡刚开始想做相对论方向的工作，pauli作为 已经在相对论方面已经算 是一个小专家的人物， 是一个小专家的人物， 他告诉海森堡， 他告诉海森堡，“他觉得相对论方面近期的进 展是hopeless, 但是原子物理方面机会却是大大 展是 hopeless,但是原子物理方面机会却是大大 的。"

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pauli的刻薄在圈内无人能敌 pauli的刻薄在圈内无人能敌 海森堡得了nobel奖以后经常还被他骂的狗血喷头 海森堡得了nobel奖以后经常还被他骂的狗血喷头 不过pauli有一点比较好 他对每个人都很刻薄， 不过pauli有一点比较好 他对每个人都很刻薄，不会因人 而异，有次老爱作报告，做完了，pauli起立来了句， 而异，有次老爱作报告，做完了，pauli起立来了句，“看 来爱因斯坦不是很蠢” 来爱因斯坦不是很蠢” 不过pauli 一生最遗憾， 不过 pauli一生最遗憾 ， 他是那个时代公认最聪明的物理 学家， 学家，却没有做一个划时代的发现 他一生喜欢评论别人的东西， 经常是一针见血， 他一生喜欢评论别人的东西 ， 经常是一针见血 ， 不过很 可惜， 可惜，他一生反对错了最重要的两 件事情，一个电子自旋， 件事情

,一个电子自旋， 一个宇称不守恒 可能一个人过于敏锐了， 可能一个人过于敏锐了 ， 对于一些违反常规的想法有一 种本能的抵制15

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pauli大概天生不适合作实验 pauli大概天生不适合作实验 据说他出现在哪里， 据说他出现在哪里 ， 那里的实验室仪 器就会有故障 有次， 有次 ， 某个老大的实验室仪器突然失 灵 ( 忘了是谁了 ) 。 他们就开玩笑说 ， 今 忘了是谁了) 他们就开玩笑说， 儿pauli没来这 地方啊 后来过了不久， pauli没来这 后来过了不久， pauli告诉他们， pauli告诉他们，那天他乘坐的火车在那 个时刻在他们的城市短暂停留了一 下16

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1925年，德国物理学家海森伯(Werner 1925年，德国物理学家海森伯(Werner Karl Heisenberg, Heisenberg, 1901~1976)(左图)鉴于玻尔原子模型所存在的问题， 1901~1976)(左图)鉴于玻尔原子模型所存在的问题， 抛弃了所有的原子模型，而着眼于观察发射光谱线的频率、 强度和极化，利用矩阵数学，将这三者从数学上联系起来， 从而提出微观粒子的不可观察的力学量，如位置、动量应 由其所发光谱的可观察的频率、强度经过一定运算(矩阵 法则)来表示。他和玻尔等合作，建立了量子理论第一个 数学描述——矩阵力学。1927年，他阐述了著名的不确定 数学描述——矩阵力学。1927年，他阐述了著名的不确定 关系，即亚原子粒子的位置和动量不可能同时准确测量， 17 成为量子力学的一个基本原理。

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当博士当的最郁闷的莫过于海森堡 做实验答辩， 做实验答辩，结果委员会中有老师对他不 满 ， 差点没让毕业， 坐理论， 老板索菲莫， 差点没让毕业 ， 坐理论 ， 老板索菲莫 ， 给了个做不出来的题目， 湍流， 给了个做不出来的题目 ， 湍流 ， 差点不能 完成任务 不过超人毕竟是超人, 不过超人毕竟是超人 , 他在不知道怎么计 算精确解的情况下， 猜了一个近似解 ， 算精确解的情况下 ， 猜了一个近似解， 毕 业了 最后那个结果也被证明是正确的18

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据说海森堡给自己弄了个墓志铭， 据说海森堡给自己弄了个墓志铭 ， "he lies somewhere here" 直译就是 他在这里，且在别处 他在这里， 不过明白测不准(不确定)原理的应 该都知道这句话的意思

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说一下schwinger 说一下schwinger 这个人是大大牛，属于早慧那种， 这个人是大大牛，属于早慧那种，schwinger 大概对数学特别有偏好， 大概对数学特别有偏好 ， 做的文章很难看得 懂，据说是在他做自己的第一次场论 报告的 时候， 除了bohr 在那里点头同意， 时候 ， 除了 bohr在那里点头同意 ， 剩下的人 根本不知道他在那里说什么， 根本不知道他在那里说什么，

但是既然波尔 点了头，大家就认为对了，紧接着feymann上 点了头，大家就认为对了，紧接着feymann上 去，也讲场论，讲自己的那套，这下更糟 ， 也讲场论，讲自己的那套， 连 bohr 在内， 没一个听懂的， bohr 据说说了 bohr在内 ， 没一个听懂的 ， bohr据说说了 一句特尖刻的话"你应该重学量子力学" 一句特尖刻的话"你应该重学量子力学"20

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费曼191 费曼191 年出生于美国 纽约 皇后区 小镇 法洛克卫 Fa Fa Rockaway, 1939年 Rockaway, 1939年 毕业于 麻省理工学院 ，进入 普林斯顿大学 念研究生。 1941年 ，费曼与阿琳·格林鲍姆结婚， 1942年 6月获 1941年 ，费曼与阿琳· 1942年 得理论物理学博士学位。 1943年 进入 洛斯阿拉莫斯国家实验室 ， 1943年 参加了 曼哈顿计划 。 1951年 转入 加州理工学院 。在加州理工学 1951年 院期间，加州理工学頢因其幽默生动、不拘一格的讲课风格栱受 学生欢迎。 1965年 费曼因在 量子电动力学 方面的贡献与薛定锷 1965年 (Julian.Schwinge (Julian.Schwinge ) 一同获得 诺贝尔物理奖 。 19 6年 ，费曼受委 19 托调查 挑战者号航天飞机 失事事件, 在国会用一杯冰水和一只橡 失事事件, 皮环证明出事原因。 19 年 2月15日 ，费曼因癌症逝世。 19 年 15日21

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