17.1能量量子化[选修3-5]

第十七章波粒二象性17.1能量量子化我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，称为热辐射。所辐射电磁波的特征仅与温度有关。固体在温度升高时颜色的变化特性：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。黑体与黑体辐射1.热辐射现象一、经典物理的麻烦800K暗红1000K赤红1200K橘红1400K黄白热辐射强度按波长(频率)的分布和温度有关，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。温度短波长的电磁波的比例。任何物体（气、液、固）在任何温度下，都会有热辐射。热辐射波谱是连续谱，各种波长(频率)都有，但是强度不同。ffC2.黑体及黑体辐射如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是“绝对黑体”，简称“黑体”。它是在任何温度下都能全部吸收落在它上面的一切辐射的理想物体。黑体辐射特点：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。黑体模型：1895年，维恩首先指出，绝对黑体可以用一个带有小孔的辐射空腔（见图)来实现在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个小孔（而非空腔壁）就成了一个黑体各种温度下黑体辐射强度按波长分布情况的实验曲线1）温度一定时，黑体的辐射强度每一条曲线都有一个极大值,对应的波长为λm。2）随着温度的升高，黑体的总辐射强度迅速增大，并且曲线的极大值点逐渐向波长较短的方向移动。3.黑体辐射的规律ctkTT。15.273为热力学温标辐射强度（3）瑞利—金斯公式：在长波部分与实验结果比较吻合。但在短波区与实验严重不符，且当波长趋于0时，紫外区竟算得单色辐出度为无穷大—所谓的“紫外灾难”。利用经典理论无法解释黑体辐射现象。正如1900年开尔文指出的晴朗的物理学理论大厦上空，飞来“两朵乌云”之一，它动摇了经典物理的基础。（2）维恩公式解释：在短波部分与实验结果吻合得很好，但长波却不行。4.黑体辐射实验规律的理论解释（1）物体中存在大量不停运动的带电微粒，带电微粒的振动产生变化的电磁场，向外辐射电磁波瑞利-金斯维恩理论值实验T=1646k辐射强度振动着的带电微粒所吸收或发射的能量只能是h的整数倍，微粒只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量。在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫做能量的量子化。)3,2,1(nnhE电磁波频率：普朗克常数h=6.626×10－34JS自然界存在着能量的最基本单元：能量子=h二、普朗克的能量子假设为了能够从理论上推导出同实验相符的黑体辐射公式，普朗克提出了一个与经典物理学概念截然不同的“能量子”假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍，其辐射和吸收能量时也是以这个最小能量值为单位一份一份的进行。图中的热辐射曲线就是依照普朗克计算及能量子假设而导出的辐射公式画成的，与黑体辐射实验结果相符合。1900年12月14日普朗克在德国物理学会上报告了自己的研究结果，他的公式受到欢迎，但他的能量子假说，却受到冷遇，当时没有人相信他的假说。能量子假说的提出，给经典物理学打开了一个缺口，为量子物理学安放了一块奠基石，宣告量子物理学的诞生。能量的变化竟然是不连续的，这与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”的原则直接矛盾，因此量子论出现之后，许多物理学家不予接受。量子论的出现，物理学界最初的反应是极其冷淡的。人们只承认普朗克那个同实验一致的经验性的辐射公式，而不承认他的理论性的量子假说。遗憾的是，普朗克虽然发现了能量子，但他不能理解这一发现的意义，对自己的发现长期惴惴不安。在发现能量子之后的长达１４年时间，他总想退回到经典物理学的立场。他曾在散步时对儿子说：“我现在做的事情，要么毫无意义，要么可能成为牛顿以后物理学上最大的发现。”►普朗克在做出量子假说时已年过四十。他受过严格的经典物理学训练，对经典物理学十分熟悉和热爱。他不愿意同经典物理学决裂，只是迫于事实的压力，才不得不做出能量子的假说。他的能量子假说是不彻底的，他的理论还是以承认电磁波本身的连续性为基础的。他把自己的量子假说仅仅局限于振子对电磁波的吸收和发射的特殊性上。►１９０５年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了光电效应；１９０６年，他又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功；１９１２年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了经典理论解释原子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展；１９２２年，康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性，从而使量子理论得到科学界的普遍承认。面对量子论的发展与成功，以及科学界的批评，普朗克最终放弃了倒退的立场。1920年，在诺贝尔奖颁奖仪式上，他作了题为《量子理论的创立和当前的发展状况》的演讲，演讲中他说：“……我觉得整个的发展过程似乎是为歌德在很久以前所说的一句名言提供了一个新的证明，这句名言是：‘人要奋斗就要有错误。’”