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1、第十五章量子物理基礎(chǔ)(quantumphysics)1十九世紀(jì)末，經(jīng)典物理已發(fā)展得相當(dāng)成熟，人們認(rèn)為，對(duì)物理現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)已經(jīng)完成。1900年，Kelvin在新年的祝詞中曾說道：“物理學(xué)的大廈已基本建成，后輩物理學(xué)家只要做些修補(bǔ)工作就行了?！钡牵谡雇?0世紀(jì)物理學(xué)前景時(shí)，卻若有所思地講道：“動(dòng)力理論肯定了熱和光是兩種運(yùn)動(dòng)方式，但物理學(xué)美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩著。2第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋---玻爾茲曼理論上（指熱學(xué)中的能量均分原理對(duì)氣體比熱以及熱輻射能譜的解釋，出現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)不符的矛盾，尤其以黑體輻射理論中出現(xiàn)的紫外災(zāi)難最突出?！钡谝欢錇踉瞥霈F(xiàn)在光的波動(dòng)理論上（指
2、邁克爾孫?莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果和以太說相矛盾）；相對(duì)論的建立量子力學(xué)的誕生3教學(xué)基本內(nèi)容物理學(xué)第五版15.1量子物理學(xué)的誕生——普朗克量子假設(shè)15.2光電效應(yīng)愛因斯坦光子假說（不講）15.3康普頓效應(yīng)及光子理論的解釋15.4氫原子光譜玻爾的氫原子理論15.5微觀粒子的波粒二象性不確定關(guān)系15.6波函數(shù)一維定態(tài)薛定諤方程4一、黑體黑體輻射實(shí)驗(yàn)表明：一切物體是以電磁波的形式向外輻射能量。輻射的能量與溫度有關(guān)，稱之為熱輻射。但是強(qiáng)度不同。熱輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)(頻率)的分布和溫度有關(guān)。極高溫物體發(fā)出的是紫外光。熾熱物體發(fā)出的是可見光，低溫物體發(fā)出的是紅外光，溫度??短波長(zhǎng)的電磁波的比例?。熱輻射波譜是連續(xù)譜，各
3、種波長(zhǎng)(頻率)都有，例如：加熱鐵塊，溫度?，鐵塊顏色由看?藍(lán)白色不出發(fā)光?暗紅?橙色?黃白色15.1量子物理學(xué)的誕生——普朗克量子假設(shè)5物體輻射總能量及能量按波長(zhǎng)分布決定于溫度1400K800K1000K1200K固體在溫度升高時(shí)顏色的變化例子：低溫火爐輻射能集中在紅光。高溫物體輻射能集中在藍(lán)、綠色。應(yīng)用：光測(cè)高溫計(jì)，測(cè)量發(fā)電廠爐內(nèi)溫度。爐火純青6頭部的紅外照片（熱的地方顯白色，冷的顯黑色）頭部各部分溫度不同，因此它們的熱輻射存在差異。低溫物體（例如人體）也有熱輻射，但輻射較弱，并且主要成分是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線。78維恩設(shè)計(jì)的黑體：1、黑體：能完全吸收入射的各種波長(zhǎng)電磁波而無反射的物體。黑體是
4、理想化模型。不透明介質(zhì)空腔開一小孔，電磁波射入小孔后，很難再?gòu)男】字猩涑?。小孔表面是黑體。9輻射和吸收達(dá)到平衡時(shí)，物體的溫度不再變化，此時(shí)物體的熱輻射稱為平衡熱輻射。物體輻射電磁波的同時(shí)，也吸收電磁波。物體輻射本領(lǐng)越大，其吸收本領(lǐng)也越大。室溫高溫吸收白底黑花瓷片輻射10好的吸收體也是好的輻射體思考非洲沙漠人為何穿黑袍？111213單位：?jiǎn)挝唬?、單色輻出度從熱力學(xué)溫度為T的黑體單位面積上，單位時(shí)間內(nèi)，所輻射出的單位波長(zhǎng)間隔中（）的電磁波的能量.143、輻出度從溫度為T的黑體單位時(shí)間，單位面積上所輻射出的各種頻率（或各種波長(zhǎng)）的電磁波的能量總和.157000K6000K5000K4000K可見
5、光黑體的實(shí)驗(yàn)曲線在一定溫度下，曲線有一極大值，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng)λm。各種單色輻出度隨溫度的升高而增加。16黑體的輻出度曲線下的面積（總輻射能）與黑體的熱力學(xué)溫度的四次方成正比：式中，稱為斯忒藩?玻耳茲曼常量。1.斯忒藩?玻耳茲曼定律二、經(jīng)典物理的解釋及困難172.維恩位移定律當(dāng)黑體的熱力學(xué)溫度升高時(shí)，峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。式中，為常數(shù)。維恩定律是由經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理導(dǎo)出的半經(jīng)驗(yàn)公式，在短波波段與實(shí)驗(yàn)符合的很好，而在長(zhǎng)波波段有明顯的差異。18瑞利—金斯公式是由經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)得出的，其在長(zhǎng)波波段與實(shí)驗(yàn)符合的很好，而在短波波段有明顯的差異，既歷史上的“紫外災(zāi)難”。3.黑體輻射的瑞利—
6、金斯公式紫外災(zāi)難其實(shí)質(zhì)說明了經(jīng)典理論具有一定的缺陷。19經(jīng)典物理的困難瑞利—金斯公式(1900年)維恩公式(1896年)試驗(yàn)曲線?20普朗克（1858—1947）德國(guó)理論物理學(xué)家，量子論的奠基人.1900年他在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上，宣讀了以《關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論》為題的論文.勞厄稱這一天是“量子論的誕生日”.量子論和相對(duì)論構(gòu)成了近代物理學(xué)的研究基礎(chǔ).三、普朗克假設(shè)普朗克黑體輻射公式21普朗克的量子假設(shè)3.當(dāng)諧振子從一個(gè)能量狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)時(shí),輻射和吸收的能量是hν的整數(shù)倍:hν為能量子。1.組成腔壁的原子、分子可視為帶電的一維線性諧振子，諧振子能夠與周圍的電磁場(chǎng)交換能量。2.每個(gè)諧
7、振子的能量不是任意的數(shù)值,頻率為ν的諧振子，其能量只能為hν,2hν,…分立值。h=6.626×10–34js,為普朗克常數(shù)。22或普朗克黑體輻射公式普朗克的量子假設(shè)突破了經(jīng)典物理學(xué)的觀念，第一次提出了微觀粒子具有分立的能量值,既微觀粒子的能量是量子化的。23實(shí)驗(yàn)曲線理論曲線一維諧振子的能量取分立值實(shí)驗(yàn)值與理論值符合的很好24解（1）由維恩位移定律例1（1）溫度為的黑體，其單色輻出度的峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是多少？
