第七章紫外灾难和普朗克的量子假说.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,上一代人能取得自然知识的如此神奇进展，应归功于人们从传统思想束缚下获得的这一解放。,玻尔,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,一.,紫外灾难,二.,普朗克独步一时的研究,1.紫外灾难和普朗克的量子假说,19世纪末，由于冶金等各方面的需求，人们急于知道辐射强度与光波长之间的函数关系。单靠实验逐一找对应点的方法，犹如钝刀子割肉。当时,维恩,和瑞利-金斯分别发表了两个公式，试图解决这一问题。,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,维恩像,一.紫外灾难,1.辐射强度随波长变化的规律图,:,波长,强度,0,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,2.维恩定律,在短波区和实验结果符合，而在长波区不符。,是辐射能密度，,是频率，,T,是温度。,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,3.瑞利金斯定律,在长波区和实验结果符合，而在短波区不符。而且当波长接近紫外时，计算出的能量为无限大!,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,但瑞利、金斯两人得出的共识，是根据经典物理的理论严密推导的，瑞利和金斯也是物理学界公认的治学严谨的人，理论值与实验值在短波区的北辙南辕，使人们不得不称之为“紫外灾难”。,紫外灾难也就是经典物理的灾难。,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,瑞利像,1.普朗克(1858-1947),紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,诞生在德国，中学毕业后，踌躇于物理和音乐之间，老师劝他不要选物理，但普朗克选了物理并于1879年获得博士学位。,二.,普朗克,独步一时的研究,2.普朗克的内插公式,将维恩公式和瑞利公式综合在一起，理论值与实验结果符合得较好。,当,0,，,即在长波范围，普朗克定律变为瑞利金斯公式。,当,，,即在短波范围，又与维恩定律一致。,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,3.普朗克的能量子假设,普朗克写道:“即使这个新的辐射公式证明是绝对精确的，但若仅仅是一个侥幸揣测出来的公式，它的价值也只能是有限的。”普朗克并不满足于自己的一得之功。,他大胆地将热力学的熵与能量的分配相联系，独创了能量子理论。,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,1900年12月14日，普朗克提出了一个假设，即能量可以划分成,n,个相等的小份，每个小份叫能量子，每个能量子又与频率成正比，比例系数为,h。,这一天，被称为量子力学的生日。,只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。,恩格斯,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,h,普朗克常数,，,就好象普罗米修斯从天上引来的一粒火种，使人们从传统思想的束缚下获得了解放!黑体辐射，光电效应，原子光谱，康普顿效应等都是普朗克假说的发展结果，是经典物理所不能解释的。,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,普朗克于1918年获诺贝尔奖。,这个发现将人类的观念不仅是有关经典科学的观念，而且是有关通常思维方式的观念的基础砸得粉碎。,玻尔,普朗克像,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,一.,光电效应,二.,经典理论无法解释光电效应现象,三.,爱因斯坦的光量子,四.,物理规律中的辩证法,2.,爱因斯坦,的光量子理论,金属受到光照射后释放出电子的效应。1887年，由赫兹首先发现。,爱 因 斯 坦 的 光 量 子 理 论,一.,光电效应,二.经典理论无法解释光电效应现象,普朗克在热辐射理论中所提出的能量子理论，启发了爱因斯坦。,爱 因 斯 坦 的 光 量 子 理 论,三.爱因斯坦的光量子,爱因斯坦认为能量,=h,不仅以 形式发射，也以同样的方式一份份被吸收，光是由具有粒子性的光子所组成。,他说：“光量子钻进物体的表面层，把它的全部能量给予了单个电子”,提出了著名的光电效应方程：,爱因斯坦的光量子理论，一语中的，圆满地解释了光电子效应，使量子概念进一步深入人心，并因此获得诺贝尔物理奖。,爱 因 斯 坦 的 光 量 子 理 论,可见，若仅仅认为光只具有波动性，就无法解释光电效应，同样若只承认光的粒子性，就无法解释它的干涉、衍射现象，二者都不能对光以全面科学的解释。光的波粒二象性是光的波动性与粒子性的矛盾对立统一。,爱 因 斯 坦 的 光 量 子 理 论,四.物理规律中的辩证法,一.,原子模型的历史演变,二.,卢瑟福的,核式结构,3.卢瑟福的,原子核式结构,电子的发现，引起了人们对原子内部结构的兴趣，但都莫衷一是。,1.长岗的土星模型:,1904年，提出土星卫环模型,。,2.,JJ,汤姆逊,西瓜模型,：,正电荷像西瓜瓤，负电荷像西瓜子分布其上。,卢 瑟 福 的 原 子 核 式 结 构,一.原子模型的历史演变,1.卢瑟福(1871-1937),后从事教学与科研，1907 年获诺贝尔化学奖。,卢 瑟 福 的 原 子 核 式 结 构,生于新西兰一个偏远的小城镇，有兄弟姐妹12人，但身体很好，18岁获奖学金上大学。后又获得英国剑桥大学留学的资格。,卢瑟福像,二.卢瑟福的,核式结构,卢 瑟 福 的 原 子 核 式 结 构,在独创的科学研究中，我从未见过有比卢瑟福先生更加热情和干练有为的学生。,JJ,汤姆逊,卢瑟福和盖革在实验室,2.,射线的大角散射,JJ,汤姆逊：“原子内的正电荷是均匀地分布在原子中的，而并非呈粒子状态。”而卢瑟福认为应该用带电粒子碰撞去试探。,卢 瑟 福 的 原 子 核 式 结 构,1909年，卢瑟福和盖革、马登思，用氦核轰击厚度为10,-6,米的金箔，起初盖革没看到什么现象，卢瑟福告诉他要仔细观察：“要多看细看，实验要重复几次、几十次、几百次，才能发现偶然的现象。”,发现有1/8000的,粒子，偏转反弹。,盖革像,卢 瑟 福 的 原 子 核 式 结 构,卢瑟福于1911年、1913年发表论文，提出了原子的有核模型，使人们对原子的结构有了进一步的了解，同时也提出了研究微观粒子的方法。,但一则以喜，一则以忧，原子的核式结构却无法用经典理论加以解释。,卢瑟福:“犹如一发15寸的炮弹去轰一张薄纸，而炮弹却掉过头来击中你自己一样。”,卢 瑟 福 的 原 子 核 式 结 构,一.,玻尔(1885-1962),二.,玻尔的氢原子理论,三.,玻尔理论的缺陷,4.玻尔的氢原子理论,丹麦物理学家。1911年赴英国剑桥大学。在汤姆逊的指导下，跟卢瑟福搞科研。参加第一颗原子弹的制造。37岁获诺贝尔奖。,玻 尔 的 氢 原 子 理 论,玻尔像,一.玻尔(1885-1962),首创将量子理论用于解释原子现象的第一人。深信核式理论的正确性，认为必须对经典概念进行改造。,1913年，写出了原子构造和分子构造（1）（2）（3）三篇论文，提出了定态跃迁的原子模型。,玻 尔 的 氢 原 子 理 论,二.玻尔的氢原子理论,1)定态假设：,原子中电子的轨道不是任意的，只能取分立的几个，在以上轨道运动的电子不辐射电磁波，原子处于相应的定态。,2)跃迁假设：,原子中的电子从一定态跃迁到另一定态，若相应的能量 ，则原子将放出一个光子，其频率：,玻 尔 的 氢 原 子 理 论,3）角动量量子化：,如果电子绕核转的是圆轨道的话，它的角动量也应是量子化的，即,(n=1，2，3),玻尔把量子理论开创性地应用到原子理论中去，成功地解释了氢原子的核式结构和氢光谱的规律，量子论又一次取得成功。,玻 尔 的 氢 原 子 理 论,玻尔理论是经典与量子理论的混合物，存在着内在的不协调，内在的矛盾。,玻 尔 的 氢 原 子 理 论,三.玻尔理论的缺陷,一.,量子力学的发展线索与代表人物,二.,矩阵力学的创立,三.,波动力学的建立,5.量子理论的发展,2.线索:,1.量子力学：,研究微观粒子运动的基本理论，它和相对论构成近代物理学的两大支柱。,量子力学,德布罗意,薛定谔,薛定谔,波动方程,海森堡,波恩,，提出矩阵力学,量 子 理 论 的 发 展,一.量子力学的发展线索与代表人物,3.代表人物:,量 子 理 论 的 发 展,泡利,提出不相容原理,1924年,泡利,像,德布罗意,提出物质波,1923年，31岁,狄拉克,非相对论量子力学,1926年，24岁,波恩,对波函数的物理诠释,玻尔,互补原理和对量子力学诠释,1927年,海森堡,提出矩阵力学,1925年，24岁,薛定谔,提出波动方程,1926年，39岁,量 子 理 论 的 发 展,玻尔和索末菲,量 子 理 论 的 发 展,玻尔和泡利,量 子 理 论 的 发 展,玻尔、海森堡和泡利,量 子 理 论 的 发 展,1.海森堡的贡献,量 子 理 论 的 发 展,海森堡像,二.矩阵力学的创立,海森堡决定用新思路去描述微观世界。,海森堡在索末菲、玻尔等人指导下，认识到在原子物理中，轨道上运行的电子位置和速度是不可观察的，因而需要用可观察量去描写电子所处的状态，他认为,n,是原子定态的量子数，光谱频率,和振幅,A,是原子现象的可观察量，海森堡用频率和振幅表示了坐标，,量 子 理 论 的 发 展,波恩看到海森堡的论文关于运动学和动力学关系的量子论解释后，经过8天的苦苦思索，终于认识到海森堡的数集，是他在大学里学过的矩阵，这样某力学量就可以用一些元素组成的矩阵来表示。,2.波恩的思索,量 子 理 论 的 发 展,波恩像,3.算符的引进,由海森堡、波恩等引入到量子力学中。在量子力学中用算符表示力学量，它可以作用在一个函数上，得出另一个函数。比如动量算符,泡利用海森堡的矩阵力学解决了三个方面的问题，矩阵力学成长建立起来。,量 子 理 论 的 发 展,1.德布罗意波,1)德布罗意(1892-1960)：,法国人，一战服役六年，原来从事历史研究，受其兄影响，改学物理，1924年获博士学位，1932年任巴黎大学物理教授，1933年被选为法国科学院院士，1929年获诺贝尔物理奖。,量 子 理 论 的 发 展,德布罗意像,三.波动力学的建立,德布罗意的获奖论文,2)德布罗意的观点:,既然光具有波粒二象性，那么实物粒子如,电子,、质子等也应该具有波动性和粒子性。,量 子 理 论 的 发 展,3)实验验证:,1923年910月，德布罗意在法国科学院“通报”上，发表了三篇文章，提出了物质波的思想，并指出这种波的波长为：,量 子 理 论 的 发 展,由于他们实验的成功，实物粒子也具有波动性的理论被证实了，他们也因此获得了1937年的诺贝尔奖。,戴维森革末,实验：,美国人，贝尔电话实验室研究员,GP,汤姆逊实验,：,量 子 理 论 的 发 展,G,P,汤姆逊,像,戴维森,像,量 子 理 论 的 发 展,2.薛定谔的创建,1)薛定谔(1887-1961)：,奥地利人，物理学博士。曾先后担任苏黎士、柏林大学的物理学教授，在爱尔兰工作了17年，1933年获诺贝尔物理学奖。,量 子 理 论 的 发 展,薛定谔像,1944年发表生命是什么（,What is the life），,给生命科学注入了新的活力。,薛定谔像,量 子 理 论 的 发 展,量 子 理 论 的 发 展,2）薛定谔方程：,薛定谔在德布罗意、爱因斯坦的启发影响下，在1926年1-6月，连续发表了四篇论文，系统阐明了波动力学的理论，提出了量子力学中著名的薛定谔方程。,3.矩阵力学与波动力学的统一,既然矩阵力学与波动力学描述了同一物理现象，它们之间是否存在着内在的联系？薛定谔证明了矩阵力学和波动力学的等价性。1926年，狄拉克提出了普遍的变换理论，使两种力学进一步得到和谐与统一，将其统称为量子力学，并引进了狄拉克符号，奠定了粒子物理和量子电动力学的基础，因此狄拉克与薛定谔共获1933年诺贝尔物理奖。,量 子 理 论 的 发 展,量 子 理 论 的 发 展,狄拉克像,总之，量子力学冲破了经典物理的局限，迅速发展起来，成为我们研究微观世界的有力武器。普朗克、卢瑟福、玻尔、德布罗意、薛定谔、海森堡等科学家为追求真理而勇于探索的精神，成为我们学习的榜样。,量 子 理 论 的 发 展,