物理学史上的两朵乌云ppt课件
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物理学史上的两朵乌云
1.物质波的引入 光具有粒子性，又具有波动性。
光子能量和动量为 E h
P h
m h
c
上面两式左边是描写粒子性的 E、P；右边是描写
波动性的 、。 将光的粒子性与波动性联系起来。
1923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 物粒子。
一切实物粒子都有具有波粒二象性。
A
W 石英窗
K
阴
极
G
A
极
将换向开关反接，电场反向， 则光电子离开阴极后将受反向电 场阻碍作用。
当 K、A 间加反向电压，光
电子克服电场力作功，当电压达
V
到某一值 Uc 时，光电流恰为0。
Uc称遏止电压。
1 2
mevc
2
eU c
K阴
极
G
光电效应的实验规律
光电效应实验装置 光电效应伏安特性曲线
M 0 (T )
实验值 一朵令人不安的乌云。
紫
普朗 克线
外 灾 难
瑞利--金斯线
维恩线
o1 2 3 4 5
6 78
/μm
2.能量子假说：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
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允许的可 具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε（称为
x px 2
y py 2
z pz 2
首先由海森堡给出(1927) 海森堡不确定性关系 (海森堡测不准关系)
二、不确定关系
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
量。粒子位置的不确定量 x 越小，动量的不确定量 Ρx
物理学发展史上的两朵乌云
3．用不同方法测阴极射线的荷质比。一种方法是在管子两侧各加一通电线圈， 以产生垂直于电场方向的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴 极射线的荷质比e/m 与微粒运动的速度。另一种方法是测量阳极的温升，因为阴 极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。J.J.汤姆生把热电偶接到阳极，测 量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线 在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度。
1895 伦琴 发现X 射线 1896 贝克勒尔 发现放射性 1896 塞曼 发现磁场使光谱线分裂 1897 J ． J ．汤姆生 发现电子 1898 卢瑟福 发现α 、β 射线 1898 居里夫妇 发现放射性元素钋和镭 1899 — 1900 卢梅尔和鲁本斯等人 发现热辐射能量分布曲线偏离维恩分布律 1900 维拉德 发现γ 射线 1901 考夫曼 发现电子的质量随速度增加 1902 勒纳德 发现光电效应基本规律 1902 里查森 发现热电子发射规律 1903 卢瑟福和索迪 发现放射性元素的蜕变规律
物理学史
李宏荣
古代物理学发展
第五章
辉煌的物理大厦与两朵乌云
19 世纪末，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门——力学、热力学 和分子运动论、电磁学以及光学，都已经建立了完整的理论体系，在应用上也取 得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶，伟大的发现不会 再有了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正，使常数测得更精确而已。 然而，正在这个时候，从实验上陆续出现了一系列重大发现，打破了沉闷的空气， 把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。 年代人物贡献
哥尔茨坦的光谱实验
舒斯特则将带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片，带正电的部分被 阴极俘获，电极间只留下带负电的部分，因而形成阴极射线。1890 年，他根据 磁偏转的半径和电极间的电位差估算带电微粒的荷质比，得到的结果在 5×106 库仑/千克至1×1010 库仑/千克之间，与电解所得的氢离子的荷质比108 库仑/ 千克相比，数量级相近。 赫兹和他的学生勒纳德也做了许多实验来证明自己的以太理论。赫兹做的真 空管中电流分布的实验，“证明”阴极射线的走向与真空管中电流的分布何偏 转。这两个实验不成功的原因是因为当时不了解低压状态下气体导电机制的复杂 性。遗憾的是，赫兹以此作为阴极射线不带电的证据，更加坚持以太说。赫兹做 的另一实验则是成功的。1891 年，他注意到阴极射线可以象光透过透明物质那 样地透过某些金属薄片。1894 年，勒纳德发表了更精细的结果。他在阴极射线 管的末端嵌上厚仅0.000265 厘米的薄铝箔作为窗口，发现从铝窗口会逸出射线。 在空气中穿越约1 厘米的行程。他们认为这又是以太说的有力证据，因为只有波 才能穿越实物。 微粒说者也在积极寻找证据。1895 年法国物理学家佩兰将圆桶电极安装在 阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷。结果确是负电。他支持带电微粒 说，发表论文表示了自己的观点。但是他的实验无法作出判决性的结论。因为反 对者会反驳说：佩兰测到的不一定就是阴极射线所带的电荷。
19世纪末两朵乌云
19世纪末飘在物理学晴空中的“两朵乌云”“完美”的经典物理学19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。
会上，英国著名物理学家W．汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。
他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。
同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，”“第一朵乌云出现在光的波动理论上，”“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。
”W．汤姆生在1900年4月曾发表过题为《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的文章。
他所说的第一朵乌云，主要是指A．迈克尔孙实验结果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。
开尔文是19世纪英国杰出的理论物理和实验物理学家，是一位颇有影响的物理学权威，他的说法道出了物理学发展到19世纪末期的基本状况，反映了当时物理学界的主要思潮。
物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。
一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。
例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。
对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。
至于热现象，也已经有了唯象热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够作出合理的说明。
总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观！在这种形势下，难怪物理学家会感到陶醉，会感到物理学已大功告成，因而断言往后难有作为了。
这种思想当时在物理界不但普遍存在，而且由来已久。
浅谈物理学的两朵乌云课件
浅谈物理学的两朵乌云
主讲人：***
如果你完全不懂量子力学，请放心大 胆地听下去，我保证不用任何公式就能让 你秒懂，连1+1=2的幼儿园数学基础都不 需要。
如果你自以为懂量子力学，请放心大 胆地往下听，我保证你听完仰天长叹：什 么是量子力学啊？
正如量子力学大师费曼所说：没有人懂量子力学。如果你觉得懂 了，那肯定不是真懂。
第一朵乌云——光的波动理论
当时人们普遍认为以太是假想的电磁波的传播媒介（古希腊哲学家亚里士多德假想的一种物 质），当时迈克尔逊和莫雷想用实验证明光以太的存在，这就有了著名的迈克尔逊-莫雷实验。
结果表明真空中的光速是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。
第二朵乌云——黑体辐射理论
黑体辐射定律:在一定温度T下，从一个黑体中发射出的电磁辐射的辐射率和频率 之间的关系。
由于海森堡和薛定谔在量子力学建立开创性的工作， 他们分别获得了1932年、1933年的诺贝尔物理学奖。
物理史最豪华阵容的精彩对决
第五届索尔维会议
玻派
爱派
上帝到底掷不掷骰子？
量子力学的创始人爱因斯坦，德布罗意，薛定谔因 不能接受量子力学太多的概率成分和不确定因素，而站 到了量子力学的对立面。于是形成了以爱因斯坦为首的 反对派和以玻尔为首的哥本哈根诠释拥护派两大阵营。 他们开始了长久的论证。1935年，薛定谔提出了著名的 薛定谔猫，爱因斯坦提出EPR佯谬，所以就有了那句名 言：“上帝不掷骰子！”。
在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解 释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于 1923年提出了物质波这一概念。认为一切微观粒子均伴随着 一个波，这就是所谓的德布罗意波。德布罗意可以说是一个 奇才，本来是个研究欧洲历史的，半路出家学了物理。德布 罗意在他五年的研究生生涯几乎一无事成，他的博士论文也 就一页多一点，他的导师朗之万拿着他的博士论文不知怎么 办，就寄给了爱因斯坦，爱因斯坦拿着德布罗意的论文决定 很有意思，于是德布罗意就顺利拿到了博士学位。
主讲人：***
如果你完全不懂量子力学，请放心大 胆地听下去，我保证不用任何公式就能让 你秒懂，连1+1=2的幼儿园数学基础都不 需要。
如果你自以为懂量子力学，请放心大 胆地往下听，我保证你听完仰天长叹：什 么是量子力学啊？
正如量子力学大师费曼所说：没有人懂量子力学。如果你觉得懂 了，那肯定不是真懂。
第一朵乌云——光的波动理论
当时人们普遍认为以太是假想的电磁波的传播媒介（古希腊哲学家亚里士多德假想的一种物 质），当时迈克尔逊和莫雷想用实验证明光以太的存在，这就有了著名的迈克尔逊-莫雷实验。
结果表明真空中的光速是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。
第二朵乌云——黑体辐射理论
黑体辐射定律:在一定温度T下，从一个黑体中发射出的电磁辐射的辐射率和频率 之间的关系。
由于海森堡和薛定谔在量子力学建立开创性的工作， 他们分别获得了1932年、1933年的诺贝尔物理学奖。
物理史最豪华阵容的精彩对决
第五届索尔维会议
玻派
爱派
上帝到底掷不掷骰子？
量子力学的创始人爱因斯坦，德布罗意，薛定谔因 不能接受量子力学太多的概率成分和不确定因素，而站 到了量子力学的对立面。于是形成了以爱因斯坦为首的 反对派和以玻尔为首的哥本哈根诠释拥护派两大阵营。 他们开始了长久的论证。1935年，薛定谔提出了著名的 薛定谔猫，爱因斯坦提出EPR佯谬，所以就有了那句名 言：“上帝不掷骰子！”。
在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解 释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于 1923年提出了物质波这一概念。认为一切微观粒子均伴随着 一个波，这就是所谓的德布罗意波。德布罗意可以说是一个 奇才，本来是个研究欧洲历史的，半路出家学了物理。德布 罗意在他五年的研究生生涯几乎一无事成，他的博士论文也 就一页多一点，他的导师朗之万拿着他的博士论文不知怎么 办，就寄给了爱因斯坦，爱因斯坦拿着德布罗意的论文决定 很有意思，于是德布罗意就顺利拿到了博士学位。
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10
遏止电压
阳A
极
将换向开关反接，电场反向， 则光电子离开阴极后将受反向电 场阻碍作用。
当 K、A 间加反向电压，光
电子克服电场力作功，当电压达
V
到某一值 Uc 时，光电流恰为0。
Uc称遏止电压。
12
2 m v eU e c
c 精选PPT课件
K阴
极
G
11
光电效应的实验规律
光电效应实验装置 光电效应伏安特性曲线
实物粒子的波称为德布罗意波或物质波，物质波的波 长称为德布罗意波长。
2.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 到实物粒子，
动量为 P 的粒子波长： h h h P mv m e v
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
设）获得了诺贝尔奖。
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首先由海森堡给出(1927) 海森堡不确定性关系 (海森堡测不准关系)
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18
二、不确定关系
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
量。粒子位置的不确定量 x 越小，动量的不确定量 Ρ x
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 再适用。
3
e0(,T)
实验结果
λ
0
1
2
34 精选PPT课件
5
6 (μm)4
黑体辐射实验是物理学晴朗天空中
M0(T)
实验值 一朵令人不安的乌云。
紫
普朗 克
外 灾 难
线
瑞利--金斯线
维恩线
o1 2 3 4 5 6 7 8
物理学发展史上的两朵乌云
2．使阴极射线受静电偏转。J.J.汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，起 初也得不到任何偏转。后来经仔细观察，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微 地摆动了一下。他马上领悟到，这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电 离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消掉了。显然这是由于 真空度不够高的原因。于是，他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且 减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。这样，J.J.汤姆生就获得了驳斥以 太说的重要证据。
哥尔茨坦的光谱实验
舒斯特则将带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片，带正电的部分被 阴极俘获，电极间只留下带负电的部分，因而形成阴极射线。1890 年，他根据 磁偏转的半径和电极间的电位差估算带电微粒的荷质比，得到的结果在5×106 库仑/千克至1×1010 库仑/千克之间，与电解所得的氢离子的荷质比108 库仑/ 千克相比，数量级相近。
阿拉果的望远镜实验
阿拉果是法国著名物理学家。由于他曾从事过大气折射的光学研究，引起了 对光速的兴趣。他从牛顿力学速度叠加原理出发，认为如果发光体和观测者的运 动速度不同，光速应有差别，布拉德雷的观测精度有限，没有显出有这种差别。 于是他亲自做了一个实验：在望远镜外用消色差棱镜加于望远镜视场的半边，然 后用望远镜观测光行差。但是实际观测结果却是经过棱镜和不经过棱镜的两边， 光行差完全相同。其实这正说明经典的速度叠加原理不适用于光的传播。但是阿 拉果却和布拉德雷一样，都是光微粒说的信仰者，只能在微波说的前提下作一个 很勉强的假设。他假设星体以无数种速度发射光的微粒，只是因为人眼对光有选 择性，只能接收某一特定速度的光微粒，所以看不出差别。不久，托马斯·杨和 菲涅耳倡导光的波动说获得进展，阿拉果转向波动说，1815 年曾写信给菲涅耳， 告诉他几年前自己做的望远镜实验，征询菲涅耳能否用波动理论予以说明。
哥尔茨坦的光谱实验
舒斯特则将带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片，带正电的部分被 阴极俘获，电极间只留下带负电的部分，因而形成阴极射线。1890 年，他根据 磁偏转的半径和电极间的电位差估算带电微粒的荷质比，得到的结果在5×106 库仑/千克至1×1010 库仑/千克之间，与电解所得的氢离子的荷质比108 库仑/ 千克相比，数量级相近。
阿拉果的望远镜实验
阿拉果是法国著名物理学家。由于他曾从事过大气折射的光学研究，引起了 对光速的兴趣。他从牛顿力学速度叠加原理出发，认为如果发光体和观测者的运 动速度不同，光速应有差别，布拉德雷的观测精度有限，没有显出有这种差别。 于是他亲自做了一个实验：在望远镜外用消色差棱镜加于望远镜视场的半边，然 后用望远镜观测光行差。但是实际观测结果却是经过棱镜和不经过棱镜的两边， 光行差完全相同。其实这正说明经典的速度叠加原理不适用于光的传播。但是阿 拉果却和布拉德雷一样，都是光微粒说的信仰者，只能在微波说的前提下作一个 很勉强的假设。他假设星体以无数种速度发射光的微粒，只是因为人眼对光有选 择性，只能接收某一特定速度的光微粒，所以看不出差别。不久，托马斯·杨和 菲涅耳倡导光的波动说获得进展，阿拉果转向波动说，1815 年曾写信给菲涅耳， 告诉他几年前自己做的望远镜实验，征询菲涅耳能否用波动理论予以说明。
历史上物理学晴空的两朵“乌云”
历史上物理学晴空的两朵“乌云”
大家知道，被加热的物体开始时会发出红光，随着温度上升，光的颜色逐渐由红变黄又向蓝白色过渡，这种以电磁波的形式向外传递能量的现象就叫热辐射。
由于光的颜色随温度变化而有规律地变化，所以有经验的炼钢工人能凭钢水的颜色就可判断其温度。
任何物体，不论温度高低，都要以电磁波的形式向外辐射能量。
为了从理论上总结热辐射规律，19世纪物理学家导出了热辐射物体的能量按发光波长分布的两个公式：维恩公式和瑞利一金斯公式。
然而，这两个公式算出的结果，不是在长波方面就是在短波方面与实验结果不符，物理学家为此伤透了脑筋。
经典物理学遇到的另一个困难，是如何解释迈克尔孙一莫雷实验的结果。
按照经典物理学的观点，任何一种波动的传播都需要有一种媒介物，比如声波主要依靠空气传播，月球上没有空气，人们讲话就听不见。
为了解释光的传播，物理学家不得不假设，在宇宙空间到处存在一种静止的传光媒质——以太。
由于地球在以太的“海洋”中绕太阳公转，因而在地球表面理应存在以每秒30公里运动的以太流。
迈克尔孙一莫雷实验就是为了证实以太的存在，但实验结果却令人大失所望，这使物理学家陷入左右为难的境地：要么放弃“以太说”，要么否定比这更重要的哥白尼的“地动说”。
上述两个难题形成了本世纪初物理学晴朗天空中的“两朵乌云”。
出乎人们意料的是，这两朵乌云给物理学界带来了革命风暴，使物理学家发现了“新大陆”——“量子论”和“相对论”，将人类对物质世界的认识向前推进了一大步。
物理学的两朵乌云,以太学说,黑体辐射,开尔
量子力学
量子力学认为物质和能量都是离散的， 而不是连续的。它解释了微观世界的 许多现象。
暗物质与暗能量
暗物质
暗物质是一种未知的物质，它不与电 磁波相互作用，因此无法直接探测到。 科学家通过观测其引力效应推断出暗 物质的存在。
暗能量
暗能量是一种未知的力，它作用于空 间本身，导致宇宙加速膨胀。科学家 通过观测宇宙的膨胀速度推断出暗能 量的存在。
02
以太学说
以太学说的起源
1 2 3
古希腊时期
以亚里士多德为代表的自然哲学家提出了关于物 质和运动的初步理论，其中以太被视为构成天体 的基本元素。
文艺复兴时期
随着科学技术的复兴，许多科学家开始重新审视 古希腊的自然哲学，以太学说也得到了进一步的 发展。
19世纪
科学家们开始研究光的本质和传播方式，以太学 说成为了解释光传播的重要理论之一。
爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论，该理论认为光速是恒定不变 的，并且所有惯性参照系中光速都是相等的。
冲突点
以太学说认为光在以太中传播，并且光的传播速度是恒定的，这与 相对论中光速不变原理相矛盾。
实验验证
迈克尔逊-莫雷实验是用来检测地球相对于以太的运动速度的实验， 但结果并未发现光速的偏移，这进一步削弱了以太学说的地位。
01
开尔文在热力学领域做出了卓 越的贡献，他提出了热力学第 二定律，并研究了热力学的基 本定律和熵的概念。
02
他在电磁学方面也有重要贡献 ，包括对电磁波的研究和麦克 斯韦方程组的完善。
03
开尔文还研究了地球物理学和 气象学，提出了开尔文-亥姆霍 兹波动方程等重要理论。
开尔文与物理学的发展
开尔文的科学贡献对物理学 的发展产生了深远的影响。 他的热力学理论为现代能源 利用和环境保护提供了重要
物理学史上的“两朵乌云”
物理学史上的“两朵乌云”1900年4月27日，英国著名物理学家威廉.汤姆生（即开尔文男爵）在英国皇家学会发表了题为“在热和光动力理论上空的十九世纪的乌云”的演讲。
他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。
同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，”“第一朵乌云出现在光的波动理论上，”“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。
他所说的第一朵乌云，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。
开尔文是19世纪英国杰出的理论物理和实验物理学家，是一位颇有影响的物理学权威，他的说法道出了物理学发展到19世纪末期的基本状况，反映了当时物理学界的主要思潮。
物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。
一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。
例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。
对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。
至于热现象，也已经有了唯象热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够做出合理的说明。
总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观！在这种形势下，难怪物理学家会感到陶醉，会感到物理学已大功告成，因而断言往后难有作为了。
这种思想当时在物理界不但普遍存在，而且由来已久。
普朗克曾在1924年做过一次演讲。
在演讲中，他回忆1875年在慕尼黑大学学物理时，物理老师P.约里（1809-1884）曾劝他不要学纯理论，因为物理学“是一门高度发展的、几乎是臻善臻美的科学”，现在这门科学“看来很接近于采取最稳定的形式。
物理学史上的两朵乌云
物理学上的两朵乌云19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。
会上，英国著名物理学家威廉.汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。
他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。
同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，”“第一朵乌云出现在光的波动理论上” ，“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。
威廉.汤姆生在1900年4月曾发表过题为《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的文章。
他所说的第一朵乌云，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。
第一朵乌云迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。
太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。
光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质——“以太”。
最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。
亚里士多德认为下界为火、水、土、气四元素组成；上界加第五元素，“以太”。
牛顿在发现了万有引力之后，碰上了难题：在宇宙真空中，引力由什么介质传播呢？为了求得完整的解决，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。
后来，物理学家又发展了“以太”说，认为“以太”也是光波的传播介质。
光和引力一样，是由“以太”传播的。
他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”，“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。
19世纪时，麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量，可以绝对渗透的“以太”。
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阳
极
光线经石英窗照在阴极上，便 有电子逸出----光电子。
A
W 石英窗
K
阴
极
G
光电子在电场作用下形成光电流。
V
.
10
遏止电压
阳A
极
将换向开关反接，电场反向， 则光电子离开阴极后将受反向电 场阻碍作用。
当 K、A 间加反向电压，光
电子克服电场力作功，当电压达
V
到某一值 Uc 时，光电流恰为0。
Uc称遏止电压。
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文 勋爵作了展望新世纪的发言:
“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 的修补工作就行了。”
--开尔文-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 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， 就在上面提到的文章中他还讲到：
1 2
m evc2
eU .c
K阴
极
G
11
光电效应的实验规律
光电效应实验装置 光电效应伏安特性曲线
阳A
极
V
K阴
极
遏
止
电
G
压
U.c
I
光强较弱
O
U 12
光电效应的实验规律
光电效应实验装置 光电效应伏安特性曲线
阳A
极
V
I
K阴
极
饱
光强较强
和
遏 止
电I s
流
电
光强较弱
G
压
U.a
O
U 13
2. 光电效应实验规律
能量子）的整数倍，即：ε, 1ε, 2ε, 3ε,
... nε. n为正整数，称为量子数。
对于频率为ν的谐振子最小能量为
能量
h
.
经典 量子
6
普朗克的能量子假说和黑体辐射公式
黑体辐射公式1900.10.19 普朗克在德国物理学会会 议上提出一个黑体辐射公 式
M(T)2cπ2heh/k3T1
h6.5 5 1 0 3J 4s
时间<10-9s。
.
14
3.爱因斯坦的光量子假设
1.内容
光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现， 而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为 的 光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流，这些光
子沿光的传播方向以光速 c 运动。 2.爱因斯坦光电效应方程
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功A，另一部分变为光电子逸出后
的动能 Ek 。由能量守恒可得出： h Ek W0
W 0 为E电k 子12逸m出ev金2 属表为面光所电. 子需的做最的大功初，动称能。为逸出功；15
三、德布罗意物质波的假设
1.物质波的引入 光具有粒子性，又具有波动性。
光子能量和动量为 Eh P h
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。 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。
严格的理论给出的不确定性关系为：
x p x 2
y p y 2
z p z 2
首先由海森堡给出(1927) 海森堡不确定性关系 (海森堡测不准关系)
.
18
二、不确定关系
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
量。粒子位置的不确定量 x 越小，动量的不确定量 Ρ x
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 再适用。
----------微观粒子的“波粒二象” 性的具体体现
m h c
上面两式左边是描写粒子性的 E、P；右边是描写
波动性的 、。 将光的粒子性与波动性联系起来。
1923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 物粒子。
一切实物粒子都有具有波粒二象性。
实物粒子：静止质量不为零. 的那些微观粒子。
16
实物粒子的波粒二象性的意思是：微观粒子既表现出 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 长称为德布罗意波长。
2.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 到实物粒子，
动量为 P 的粒子波长： h h h P mv m e v
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
设）获得了诺贝尔奖。
.
17
二、不确定关系
1. 黑体辐射实验规律
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。简称黑体
不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作 黑体。
研究黑体辐射的规 律是了解一般物体热 辐射性质的基础。
黑体模型
.
3
e0(,T)
实验结果
λ
0
1
2
34 .
5
6 (μm)4
黑体辐射实验是物理学晴朗天空中
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令
人不安的乌云，----”
.
1
一、普朗克能量子假说
这两朵乌云是指什么呢？
一朵与黑体辐射有关，
另一朵与迈克尔逊实验有关。
然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第 一朵乌云中降生了量子论，紧接着
(1905年)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 发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓 “山重水复疑无路, 柳. 暗花明又一村 2
.
19
M0(T)
实验值 一朵令人不安的乌云。
紫
普朗 克
外 灾 难
线
瑞利--金斯线
维恩线
o1 2 3 4 5
.
6 78
/μm
5
2.能量子假说：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
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允许的可
具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε（称为
.
M.Planck 德国人 1858－1947 7
e0(,T)
实验值
普朗克
1 2 3 4 5 . 6 7 8 9 λ(μ8m)
二、光电效应
1.什么是光电效应
.
当光线 照射在金属 表面时，金 属中有电子 逸出的现象， 称为光电效 应。逸出的 电子称为光 电子。
9
2.光电效应的实验规律
1. 光电效应实验
①.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。
②.截止频率c ----极限频率
对于每种金属材料，都相应的有一确
定的截止频率c 。 •当入射光频率 > c 时，电子才能逸出
金属表面；
阳A 极
W 石英 窗
K阴 极
G V
•当入射光频率 < c时，无论光强多大也无电子逸出金
属表面。
③光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需