物理学史上的两朵乌云.ppt

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1、 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言勋爵作了展望新世纪的发言:“科学的大厦已经基本完成，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后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。的修补工作就行了。”-开尔文开尔文-也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只也就是说：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！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，但开尔文毕竟是一位重视

2、现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：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，还有两朵但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，令人不安的乌云，-”这两朵乌云是指什么呢？这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射有关，一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。另一朵与迈克尔逊实验有关。然而然而,事隔不到一年事隔不到一年(1900年底年底)，就从，就从第一朵乌云中降生了量子论第一朵乌云中降生了量子论，紧接着，紧接着(1905年年)从第二朵乌云中降生了相对论。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，物理学经典物理学的大厦被彻底动摇，物理

3、学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路山重水复疑无路,柳暗花明又一村柳暗花明又一村一、普朗克能量子假说一、普朗克能量子假说能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，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。简称折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体黑体1.1.1.1.黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律 不透明的材料制成带小孔的的空腔不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看可近似看作作黑体黑体。黑体模型黑体模型 研究黑体辐射的研究黑体辐射的规律是了解一般物体规律是了解一般物体热辐射性质的基础。

4、热辐射性质的基础。0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K实验结果实验结果o实验值/m维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线12345678黑体辐射实验是物理学晴朗天空中黑体辐射实验是物理学晴朗天空中 一朵令人不安的乌云。一朵令人不安的乌云。2.2.能量子假说能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看辐射黑体分子、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

5、允许的可态中，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具有任意值。相应的能量是某一最小能量（称为称为能量子）的整数倍，即：能量子）的整数倍，即：,1,1,2,2,3,3,.n n.n n为正整数，称为为正整数，称为量子数。量子数。对于频率为对于频率为的谐振子最小能量为的谐振子最小能量为能量能量量子量子经典经典普朗克的能量子假说和黑体辐射公式普朗克的能量子假说和黑体辐射公式黑体辐射公式黑体辐射公式1900.10.19 普朗克在德国物理学会会普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公议上提出一个黑体辐射公式式M.Planck 德国人德国人 18581947(m)

6、1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克实验值实验值 当光线当光线照射在金属照射在金属表面时，金表面时，金属中有电子属中有电子逸出的现象，逸出的现象，称为称为光电效光电效应。应。逸出的逸出的电子称为电子称为光光电子电子。二、光电效应二、光电效应1.1.什么是光电效应什么是光电效应阳阳极极阴阴极极石英窗石英窗 光线经石英窗照在阴极上，便光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出有电子逸出-光电子光电子。光电子在电场作用下形成光电流。光电子在电场作用下形成光电流。2.2.光电效应的实验规律光电效应的实验规律1.1.光电效应实验光电效应实验阳阳极极阴阴极极 将换向开关反接，电场反向，将换向开关反接，电场

7、反向，则光电子离开阴极后将受反向电则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。场阻碍作用。当当 K K、A A 间加反向电压，光间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达电子克服电场力作功，当电压达到某一值到某一值 U Uc c 时，光电流恰为时，光电流恰为0 0。U Uc c称称遏止电压遏止电压。遏止电压遏止电压IUcOU光光 强强 较较 弱弱光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线光电效应实验装置光电效应实验装置遏遏止止电电压压阳阳极极阴阴极极光电效应的实验规律光电效应的实验规律IIsUaOU光光 强强 较较 强强光光 强强 较较 弱弱光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线光电效应实验装置

8、光电效应实验装置遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流光电效应的实验规律光电效应的实验规律阳阳极极阴阴极极阳阳极极阴阴极极石英石英窗窗2.2.光电效应实验规律光电效应实验规律.光电流与光强的关系光电流与光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比。饱和光电流强度与入射光强度成正比。.截止频率截止频率c-极限频率极限频率对于每种金属材料，都相应的有一确对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率定的截止频率c。当入射光频率当入射光频率 c 时，电子才能逸出时，电子才能逸出金属表面；金属表面；当入射光频率当入射光频率 c时，无论光强多大也无电子逸出金时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。属表面。光电效应是

9、瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间时间 10-9s。3.3.爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设1.1.内容内容 光不仅在发射和吸收时以能量为光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为频率为 的的光是由大量能量为光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流，这些光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速光子沿光的传播方向以光速 c 运动。运动。在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出

10、功部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子逸出后另一部分变为光电子逸出后的动能的动能 Ek。由能量守恒可得出：由能量守恒可得出：2.2.爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；为光电子的最大初动能。为光电子的最大初动能。19231923年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大胆地设想，对于光子的波粒二象性会不会也适用于实胆地设想，对于光子的波粒二象性会不会也适用于实物粒子。物粒子。三、德布罗意物质波的假设三、德布罗意物质波的假设1.1.物质波的引入物质波的引入光具有粒子性，

11、又具有波动性。光具有粒子性，又具有波动性。光子能量和动量为光子能量和动量为 上面两式左边是描写粒子性的上面两式左边是描写粒子性的 E、P；右边是描写右边是描写波动性的波动性的、。将光的粒子性与波动性联系起来。将光的粒子性与波动性联系起来。实物粒子：静止质量不为零的那些微观粒子。实物粒子：静止质量不为零的那些微观粒子。一切实物粒子都有具有波粒二象性。一切实物粒子都有具有波粒二象性。实物粒子的波粒二象性的意思是：实物粒子的波粒二象性的意思是：微观粒子既表现出微观粒子既表现出粒子的特性，又表现出波动的特性。粒子的特性，又表现出波动的特性。实物粒子的波称为德布罗意波或物质波，物质波的波实物粒子的波称为

12、德布罗意波或物质波，物质波的波长称为德布罗意波长。长称为德布罗意波长。2.2.德布罗意关系式德布罗意关系式 德布罗意把爱因斯坦对光的波粒二象性描述应用德布罗意把爱因斯坦对光的波粒二象性描述应用到实物粒子，到实物粒子，动量为动量为 P 的粒子波长：的粒子波长：德布罗意公式德布罗意公式德布罗意是第一个由于博士论文（提出的物质波的假德布罗意是第一个由于博士论文（提出的物质波的假设）获得了诺贝尔奖。设）获得了诺贝尔奖。二、不确定关系二、不确定关系 经典力学中，物体初始位置、动量以及粒子所在经典力学中，物体初始位置、动量以及粒子所在力场的性质确定后，物体以后的运动位置就可确定。力场的性质确定后，物体以后

13、的运动位置就可确定。但对微观粒子，因具有的波动性，其坐标和动量不能但对微观粒子，因具有的波动性，其坐标和动量不能同时确定。我们不能用经典的方法来描述它的粒子性。同时确定。我们不能用经典的方法来描述它的粒子性。严格的理论给出的严格的理论给出的不确定性关系不确定性关系为：为：首先由海森堡给出首先由海森堡给出(1927)(1927)海森堡不确定性关系海森堡不确定性关系 (海森堡测不准关系海森堡测不准关系)它的物理意义是，微观粒子不可能同时具有确定的位置和动它的物理意义是，微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。粒子位置的不确定量量。粒子位置的不确定量 越小，动量的不确定量越小，动量的不确定量 就越大，反之亦然。因此不可能用某一时刻的位置和动量描就越大，反之亦然。因此不可能用某一时刻的位置和动量描述其运动状态。轨道的概念已失去意义，经典力学规律也不述其运动状态。轨道的概念已失去意义，经典力学规律也不再适用。再适用。二、不确定关系二、不确定关系-微观粒子的微观粒子的“波粒二象波粒二象”性的具体体性的具体体现现