第十七章波粒二象性.DOC

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1、 1 / 5第十七章 波粒二象性科学的历史不仅是一连串事实、规则和随之而来的数学描述,它也是一部概念的历史。当我们进入一个新的领域时,常常需要新的概念。普朗克 1最好的光学显微镜也看不到大小仅为 10-10m 的原子,那是因为可见光的波长太大了。要想看到更小的东西,需要波长更短的波来帮忙!1932 年,一台神奇的显微镜出现了,它就是电子显微镜。在这种显微镜下,我们真切地看到了物质的微观结构。在电子显微镜中,电子束代替了光束。同学们早就听说过电子了,它怎么可以代替光在显微镜中起作用?电子及其他各种微观粒子难道也像光一样,具有波动性吗?第十七章 1 物理学的新纪元:能量量子化思考与讨论(1)在火炉

2、旁边有什么感觉?(2)投在炉中的铁块一开始是什么颜色?过一会儿又是什么颜色?1 普朗克(MKELPlank,1858-1947),德国物理学家,量子论的奠基人之一。2 / 5黑体与黑体辐射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,所以叫做热辐射(thermal radiation)。物体在室温时,热辐射的主要成分是波长较长的电磁波,不能引起人的视觉。当温度升高时,热辐射中较短波长的成分越来越强。例如给一个铁块不断加热,铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色,直至成为黄白色。这表明,辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。这是热辐射的一个特性。除了热辐射之外,物体表面还会吸

3、收和反射外界射来的电磁波。常温下我们看到的物体的颜色就是反射光所致。一些物体在光线照射下看起来比较黑,就是因为它吸收电磁波的能力强,而反射电磁波的能力弱。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(blackbody)。实验表明,对于一般材料的物体,辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关,而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,因而反映了某种具有普遍意义的客观规律。于是,在研究热辐射的规律时,人们特别注意对黑体辐射(blackbody radiation) 的研究。在莎士比亚的喜剧威尼斯商人中,高利贷者夏洛克对

4、什么东西都贪得无厌,人们说他是个“黑心”的人。夏洛克贪的是金钱,“黑体”贪的是电磁波。图 17.1-1 如果在一个空腔壁上开一个很小的孔,那么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。这个小孔就成了一个绝对黑体。思考与讨论一座建筑中的楼房还没有安装窗子,尽管室内已经粉刷,如果从远处观察,把窗内的亮度与楼房外墙的亮度相比,你会发现什么?为什么?黑体辐射的实验规律加热图 17.1-1 中的空腔,空腔内的温度升高,小孔就成了不同温度下的黑体,从小孔向外的辐射就是黑体辐射。利用分光技术和热电偶等设备,就能测出它所辐射的电磁波强度按波长的分布情况。图 17.1-2 画出了四种

5、温度下黑体热辐射的强度与波长的关系。从中可以看出,随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度都有增加,另一方面,辐射强度的极大值向波长3 / 5较短的方向移动。这些规律与日常经验是一致的。图 17.1-2 黑体辐射的实验规律19 世纪后半叶,欧洲的冶金工业迅速发展,技术人员渴望了解热辐射的规律。如果知道了辐射强度、波长分布与辐射体的温度的关系,就可以通过钢水的光谱推知钢水的温度。这种需求推动了黑体辐射的研究。物理学家总是力图用已有的知识来解释新发现的现象和规律。那么,怎样解释黑体辐射的实验规律呢?大家知道,物体中存在着不停运动的带电微粒,按照当时物理学的认识,每个带电微粒的振动都产生变化的电磁

6、场,从而产生电磁辐射。于是,人们很自然地要依据热学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。德国物理学家维恩(WWien)在 1896年,英国物理学家瑞利(LRayleigh)在 1900 年,分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式 2。维恩公式在短波区与实验非常接近,在长波区则与实验偏离很大;瑞利公式在长波区与实验基本一致,但在短波区与实验严重不符,不但不符,而且当波长趋于零时,辐射强度竟变成无穷大,这显然是荒谬的。由于波长很小的辐射处在紫外线波段,故而由理论得出的这种荒谬结果被认为是物理学理论的灾难,当时称为“紫外灾难”。能量子:超越牛顿的发现为了得出同实验相符的黑体辐射公式,德国物理学家普朗

7、克做了多种尝试,进行了激2 瑞利公式曾被金斯(JHJeans)修正过,所以也称瑞利-金斯公式。4 / 5烈的思想斗争。最后他不得不承认:微观世界的某些规律,在我们宏观世界看来可能非常奇怪。1900 年底,普朗克做出了这样的大胆假设: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。例如,可能是 或 2、3 当带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。这个不可再分的最小能量值 叫做能量子(energy quantum )h 是电磁波的频率,h 是一个常量,后被称为普朗克常量(Planck constant),其值为h6.62610 -34 Js在电工学和电子

8、技术中,频率常用 f 表示,而在研究微观世界的物理学中,频率常用希腊字母 表示。这个观点与宏观世界中我们对能量的认识有很大不同。例如一个宏观的弹簧振子,把小球推离平衡位置后开始振动,能量为 E。下一次我们可以把它推得稍远一些,使它振动的能量稍多一些,例如 1.2E 或 1.3E,也可以把它推得更远,能量更大,例如 2.7E 或3.3E。弹簧振子的能量不一定是某个最小值的整数倍。只要在弹性限度以内,我们可以把小球推到任何位置,它的能量可以是任何值。对于弹簧振子的情况,我们说能量值是连续的;而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的,或说微观粒子的能量是分立的。借助于能量子的假说,普朗克得出了黑

9、体辐射的强度按波长分布的公式,与实验符合之好令人击掌叫绝,如图 17.1-3 所示。图 17.1-3 普朗克公式与实验结果的比较。曲线是根据普朗克的公式作出的,小圆代表实验值。对于一位物理学家,还有什么能比自己的理论被实验证实更为欢欣鼓舞吗?然而,普朗克的情绪却被某种思考破坏了。在很长的历史时期内,不仅是物理学界,就是整个科学和哲学界都认为,一切自然过程都是连续的。数学家、哲学家莱布尼兹(G WFvon Leibniz,1646 1716)曾经说道:“自然界不会突变。如果要对此提出疑问,那么世界将会出现许多间隙,这就迫使我们去乞求神灵来解释自然现象了。间断性同科学格格不入。”正是这样的信条使普

10、朗克惶5 / 5惑。他对儿子说,自己的发现“要么是荒诞无稽的,要么也许是牛顿以来物理学最伟大的发现之一。”物理学后来的发展表明,普朗克在 1900 年把能量子引入物理学,正确地破除了“能量连续变化”的传统观念,成为新物理学思想的基石之一。因此,这不仅是日历上一个新世纪的开始,而且是物理学的一个新纪元。18 年之后,普朗克为此获得了诺贝尔物理学奖。M普朗克(M Planck,1858 - 1947)在科学发展的历程中,一种新的思想,一种新的观念,要让人们接受,也包括让最早萌生这种思想和观念的人自己完全接受,需要时间,也需要更多的人对这种思想和观念的深入解析。至于微观世界量子化的观念,正像普朗克自己所说的那样,是后来的爱因斯坦,跨出了真正说明物质世界量子性质的第一步。问题与练习1以下宏观概念中,哪些是“量子化”的?A物体的长度B物体所受的重力C物体的动能D人的个数2光是一种电磁波,可见光的波长的大致范围是 400700 nm。400 nm、700 nm 电磁辐射的能量子 的值是多少?3在一杯开水中放入一枝温度计,开水静置室内,可以看到开水的温度是逐渐降低的。既然从微观的角度来看开水的能量是一份一份向外辐射的,为什么它的温度不是一段一段地降低呢?

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