§1.紫外灾难和普朗克的量子假说
一 紫外灾难
1．背景
1800年，天文学家赫歇尔(Herschel)用滤色片观察太阳光透过的热效应时发现，在红外区有一种产生明显热效应的辐射，从而发现了红外线。第二年，里特和沃拉斯顿发现了紫外辐射。1821年，塞贝克发现温差电并用于测量温度。1830年诺比利发明了热辐射测量仪。还有许多物理学家对热辐射的性质、辐射能量与辐射源的关系、辐射能量按波长的分布曲线等进行了大量研究，并逐渐认识到光谱、热辐射、光辐射是统一的。
1881年，美国人兰利(Langley)发明了热辐射计，可以很灵敏的测量辐射能量，并测出能量随波长变化的曲线，如图，从曲线可以很明显的看到能量最大值随温度的增高向短波方向转移。
兰利的能量分布曲线
1859年底，基尔霍夫提出：物体的发射本领e(λ,T)和吸收本领α(λ,T)的比值，等于物体处于辐射平衡时的表面亮度E(λ,T)。即：
)T ,(E )
T ,()T ,(e λλαλ=
并指出这一比值对所有物体都是一样的，与辐射物体的性质无关。实际上，E(λ,T)反映的是在不同温度下辐射按波长分布的函数，它是一个与物体性质无关的普适函数。
1860年，基尔霍夫又提出绝对黑体的概念：在任何温度下都能全部吸收落在它上面的一切辐射。显然，当吸收本领α=1时，物体的发射本领就是辐射的普适函数。绝对黑体的表面亮度E(λ,T)可以用平衡辐射时的能量密度ρ(ν,T)来表示。
)T ,(c
)T ,(E νρπν8=
ρ(ν,T)的探求可以从实验和理论两个方面去解决。
1879年，德国物理学家斯特藩(Joseph Stefan)总结出一条经验规律：黑体表面单位面积上在单位时间内发射出的总能量与它的绝对温度的四次方成正比，即：W=σt 4 。
1884年，玻尔兹曼根据电磁学和热力学理论，利用统计方法的结果（压强等于能量密度的1/3），从理论上导出了这一结果。
1893年，德国物理学家维恩(Wilhelm Wien)根据多普勒效应和斯特藩-玻尔兹曼定律，导出了维恩位移定律：
λm· T = 常数
表明黑体辐射能量强度最大的波长λm 和绝对温度T 成反比。
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来实现。
1896年，卢默尔(Lummer)和普林斯海姆(Pringsheim)实现了空腔辐射，为黑体辐射强度的定量测量提供了重要手段。
2．维恩定律
1896年，德国物理学家维恩通过半理论半经验的方法，得到一个辐射能量分布公式：
T /A e B )T ,(νννρ-=3
ρ是辐射能密度，ν是频率，T 是温度。
1899年普朗克把电磁理论用于热辐射和谐振子的相互作用，并通过熵的运算得到了同样的结果。这样，就使维恩分布定律获得了普遍性意义。
按照维恩分布定律，辐射强度将随频率的减小而按指数规律减小。1899年2月3日，卢默尔和普林斯海姆在一份报告中说，他们把空腔加热到800K-1000K ，得到的能量分布曲线与维恩公式相符。但是，他们在同年的11月3日的另一份报告中又指出：“在理论和实验之间确有系统性偏差。”并指出，这个公式只在短波区、温度较低时和实验结果符合，而在长波区不符。
3．瑞利——金斯定律
1900年6月，瑞利提出了两个假设，①空腔内的电磁辐射形成一切可能形成的驻波，其波节在空腔壁处；②系统处于热辐射平衡时，根据能量均分定理，每个驻波平均具有的能量为kT 。他根据这两个假设，推导出了另一个辐射能量分布公式，但公式中错了一个因子8，后来被金斯于1905年所纠正。公式为：
KT C )T ,(?=
328πννρ
称为瑞利-金斯辐射定律。 但是，这一公式却只有在长波区和实验结果符合，而在短波区不符。由于辐射能量与频率ν的平方成正比，因此当波长接近紫外时，能量为无限大!即在紫色端发散。这一结果后来被埃伦菲斯特(P .Ehrenfest)称为“紫外灾难”。
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，揭示了经典物理学面临的严重困难，使人们不得不称之为“紫外灾难”。
二 普朗克的研究
1.普朗克(1858-1947)
诞生在德国，其父在慕尼黑大学任教，中学毕业后，踌躇于物理、数学和音乐之间，1874年考入慕尼黑大学数学系，因为爱好又转向物理，他的老师约里(P .Jolly)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。1880年起先后在慕尼黑大学和麦基尔大学任教。1888年柏林大学任命他为
基尔霍夫的继任人和为他新设立的理论物理研究所所长。在此岗位一直工作到退休。1894年当选为普鲁士皇家科学院院士，1918年被选为英国皇家学会会员，1930-1937年任威廉皇帝协会会长。1918年因发现能量子获得诺贝尔物理学奖。
2．普朗克的内插公式
普朗克将代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的实验结果结合在一起，得到普朗克辐射定律：
11833-?=KT /h e C h )T ,(νν
πνρ
当ν→0，即在长波范围，普朗克定律变为瑞利—金斯公式。
当ν→∞，即在短波范围，又与维恩定律一致。
鲁本斯得知这一公式后，立即把自己的实验结果和理论曲线相比较，完全符合。于是两人于1900年10月19日向德国物理学会做了报告。题目是《维恩光谱方程的改进》。
3．普朗克的能量子假设
普朗克为一理论物理学家，他不满足于找到一个经验公式，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。因此从10月19日提出这个公式开始，我就致力于找出这个公式的真正物理意义。这个问题使我直接去考虑熵和几率之间的关系，也就是说把我引到了波尔兹曼的思想。”
插曲：最初普朗克并不同意玻耳兹曼的统计观点，曾经跟波尔兹曼进行过论战。但是，普朗克经过几个月的努力，没有从热力学的普遍理论推出新的辐射定律，后来只好用波尔兹曼的热力学几率理论进行尝试。从而导出普朗克辐射公式。
普朗克量子假说
辐射黑体中分子和原子的振动可视为线性谐振子，这些线性谐振子可以发射和吸收辐射能。这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态下，谐振子的能量不能取任意值，只能是某一最小能量ε 的整数倍。εεεεεn ,,,,,???432，n 为整数，称为量子数
对频率为ν 的谐振子, 最小能量εε 称为能量子
普朗克从这些假设出发可以得到他的黑体辐射公式：
11833-?=KT /h e C h )T ,(νν
πνρ
普朗克根据黑体辐射的数据计算出常数h 值：h =6.65×10-34焦耳·秒
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。
普朗克的矛盾
普朗克的能量子假说，对能量连续的观点形成了严重冲击，人们只承认普朗克公式，却不接受他的能量子假说。就连普朗克本人也不能正确理解能量子的物理意义。对此，他的心情非常矛盾，一方面直觉告诉他：这个发现不同寻常，另一方面他又总想回到经典理论的立场上去。他说：“在将作用量子h 引入理论时，应当尽可能保守从事；这就是说，除非业已表明绝对必要，否则不要改变现有理论。”
1911年普朗克认为只是在发射过程中才是量子化的，而吸收则完全是连续进行的。到了1914年，干脆取消了量子假说（ε→0），认为发射过程也是连续的。但一次一次的失败使他最终放弃了自己的倒退立场。为此他百感交集：“为了使作用量子能以某种方式容入经典理论中，我花了几年的时间（一直到1915年），它们耗费了我大量的精力。 …现在我懂得了一件事实，基本作用量子在物理学中所起的作用远比我最初设想的要深刻的多。”
普朗克于1918年获诺贝尔奖。
由于在玻尔兹曼影响下，于1900年12月14日，普朗克明确提出了能量子概念，并指出每个能量子的能量E 与频率ν成正比，这一天，被称为量子力学的诞生日。
玻尔：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。
光量子自血回输法:将患者一定数量的静脉血经特定浓度的紫外线照射及充氧回输后的血液疗法。 其治疗机理:1、通过降低血细胞压积，血红蛋白与氧的结合迅速提高，稀释血浆中各种成分，改善血流状态，加快血流速度，提高组织器官的血流量，迅速逆转心、脑肺肾肝胰等器官的灌注状态，提高血氧饱和度，改善局部组织的缺氧状态，增加缺氧组织的血液供应;使血流速度加快，降低红细胞和血小板聚集力，降低血液黏度，改善病变组织微循环，促进氧的作用; 2、氧在紫外线的作用下形成极强氧化剂―臭氧，可加速体内生化反应，增强新陈代谢，促进组织细胞功能恢复，改善脑缺氧，促进血肿及周围水肿带的吸收，有减轻脑水肿，降低颅内压的作用。所以在治疗后患者均感到头脑变得清楚，记忆增强，语言清晰，记忆力提高。 3.适当降低血液中凝血物质，提高纤维蛋白原的溶解度，红细胞膜变形能力增强，使红细胞的聚集性降低。降低血流切应力对血管的影响，改善血管弹性，增大血管临界半径，降低外周阻力，降低和稳定血压，减轻心脏负荷。降低血细胞的聚集性，使血小板聚集力和血粘度下降，有利于血液循环的改善。从而降低血液的高凝度。 4、提高血液中超过氧岐酶的活性，调节体内自由基平衡，减少自由基对机体的损害，提高机体免疫机能。 5、改善血液物质代谢和血管壁状态，可降低血糖、尿酸、胆红素、乳酸及丙酮酸等物质及血管6酮胶列腺素f1水平，增强体内抗氧化酶活性，从而使血管壁状态得到改善。为防治动脉粥样硬化提供了理论
依据。 6、臭氧治疗能够刺激细胞抗氧化酶的增加，从而抑制慢性氧化应激。 7、臭氧具有强的杀菌效应，能够杀死细菌、病毒和真菌等，并且促进他们被血细胞所吞噬。 8、超氧疗法在疼痛治疗领域的主要应用：椎间盘源性疼痛（颈、腰）、软组织无菌性炎症引起的疼痛，如肌筋膜疼痛综合症。关节炎性疼痛（髋、膝、肩等）；神经病原性疼痛，如带状疱疹后神经痛；背部手术失败综合症 【禁忌症】 1．葡萄糖—6磷酸脱氢酶（G—6PD）明显缺陷； 2．怀孕尤其是怀孕早期； 3．甲状腺功能亢进； 4．对臭氧过敏。 不同疾病具体治疗方法如下： （1）脑梗塞和脑溢血后遗症患者：进行光量子自血回输治疗，臭氧的浓度从20 ug/ml开始，随着患者对臭氧的适应，臭氧浓度逐渐递增，每次递增5个单位浓度，同时配合改善微循环的药物，脑血管疾病疗程至少为三个疗程，每周5次治疗，每疗程进行15次治疗，疗程之间休息半月或者一月，再进行下一疗程的治疗。脑溢血患者：主张在患者的急性期立刻进行光量子自血回输治疗，同时配合甘露醇静脉滴注，或者发生脑溢血后4小时之内治疗，90%以上的患者不会遗留后遗症，48小时之内治疗，85%的患者不会遗留后遗症。
爱因斯坦对量子理论的贡献 －－量子百年纪念文章 高山 在纪念量子百年“诞辰”的这一时刻，我们有理由回顾一下它的发现者们艰辛探索的历程，这不仅是对他们的一种充满深深敬意和感谢的缅怀，同时也可以使我们从中获得进一步探索的勇气和力量。本文我们将简要介绍爱因斯坦对量子理论的贡献。 1901年发表第一篇科学文章，关于毛细现象 1905年光量子假说 1906年固体比热理论，指出普朗克量子假说的真实物理含义 1909年光的波粒二象性思想 1916年普朗克公式的重新推导，受激辐射理论 1924年玻色-爱因斯坦统计 1925年对德布罗意物质波思想的支持，促使薛定谔建立波动力学 1926年开始探索通过统一场论来表述完备的量子理论 1927年最早注意到量子力学与相对论的不相容性，开始反对玻尔等人的哥本哈根解释 1935年发表EPR文章，利用定域性假设论证量子力学的不完备性 1952年反对玻姆的隐变量理论 爱因斯坦无疑是当代人最熟悉的科学家的名字，他几乎成了科学家的神圣象征。最近，英国《物理世界》杂志评选出有史以来10位最杰出的物理学家，其中名列榜首的就是爱因斯坦。然而，尽管大多数人都知道爱因斯坦创立了相对论，但却并不了解他也曾经对量子理论做过同样，甚至更大的贡献。本文我们将主要介绍爱因斯坦对量子理论的贡献。 量子的真正发现者 1900年，普朗克在对黑体辐射的研究中第一个猜测到量子的存在。这一年的12月14日，普朗克在德国物理学会会议上提出了能量量子化假说，根据这一假说，在光波的发射和吸收过程中，发射体和吸收体的能量变化是不连续的，能量值只能取某个最小能量元的整数倍。然而，在普朗克的分析中，他只是将能量量子化作为一种方便的计算手段，而并没有赋予它真实的物理意义，更没有意识到能量量子化与经典力学及经典电动力学基础的根本背离。 在能量量子化假说提出之后，普朗克本人一直试图利用经典的连续概念来解释辐射能量的不连续性。此时，是爱因斯坦最早认识到普朗克量子假说的非经典特征，即能量的量子化假设与麦克斯韦电磁场理论是不相容的，并将这一假说大胆地应用到物理学的其他领域中，如光电效应（1905），固体比热（1906），光 化学现象(1912)，理想气体的玻色-爱因斯坦统计（1924）等。为此，科学史家 库恩甚至将爱因斯坦，而不是普朗克称为量子的发现者。 此外，爱因斯坦第一个指出了普朗克推导中的逻辑不一致性（1906），即同
普朗克和能量子概念 -----纪念能量子概念诞生100周年 张战杰万陵德 （河南师范大学物理与信息工程学院，河南，新乡，453002） 摘要：本文简述了普朗克生平经历，回顾他提出能量子概念这一伟大发现过程，分析他科学研究的方法及其“悲剧”，以此来纪念这位伟大的、正直的物理学家，以期对今后科研工作有借鉴意义。 关键词：普朗克能量子概念 1900年12月14日，德国物理学家M.普朗克(Max Planck)向柏林物理学会提出了能量子假说，冲击了经典物理学的基本概念，使人类对微观领域的奇特本质有了进一步的认识，对现代物理学的发展产生了重大的革命性的影响。100年过去了，人类即将进入更加辉煌灿烂的21 世纪，此时我们回顾能量子的诞生过程，来表达对普朗克这位伟大的、正直的、饱经忧患的卓越物理学家无限的崇敬和仰慕之情。 一、生平简介 普朗克1858年4月23日出生于德国的基尔。普朗克从孩提时代就热爱物理。在小学里，他的老师说：“想象一下，一个工人举起一块重石，奋力顶住它，把它放在屋顶上，他做功的能量没有消失。多年以后，也许有一天，石头掉下来砸了某人的头。”还是孩子的普朗克被这个物理中能量守恒定律的例子震惊了，就像某个人被落下的石头砸着了那样令人难忘，使他萌生了以后成为一个物理学家的想法。1867年考入古典马可西米连大学预科学校。在数学家赫尔曼·米勒尔的悉心指导下，普朗克显露了数学方面的才能。米勒尔还教他天文学和力学。入大学之前，面临着专业的选择，他曾一度徘徊于音乐、语言学和科学之间，后来几经斟酌，终于选择了科学。 1874年10月，普朗克进入慕尼黑大学学习物理和数学。1877年转入柏林大学，在亥姆霍兹和基尔霍夫指导下学习，并于1879年取得博士学位。他在克劳修斯著作的影响下，从事热力学研究。1880年，普朗克成为慕尼黑大学的物理学讲师，1885年被基尔大学聘为理论物理学副教授。1889年，在基尔霍夫去世后，普朗克到柏林大学继任基尔霍夫的职位，担任新设立的理论物理学的科学讲座教学任务，1892年提升为正教授，一直到1926年退休为止。 普朗克早期研究热力学，随后又研究力学、光学和电磁学。1900年提出能量子假说，在此基础上，计算出玻耳兹曼常数和普朗克常数的数值。1918年因“发现能量子而对物理学的发展做出杰出贡献”荣膺最为显赫的诺贝尔物理学奖。由于成就显著，普朗克获得了许多科学上的荣誉和地位。1894年起成为普鲁士科学院院士，1912年起担任该院数学和自然科学部终身秘书。1926年普朗克被选为英国皇家学会的外国会员，并获得该会的科普莱奖章，美国物理学会也曾聘请他为名誉会员。1928年，当他70 岁大寿时，兴登堡总统赠他一枚德国银鹰盾牌，1930年又被任命为柏林威廉皇家研 _____________________ 作者简介：张战杰（1971－），男，河南洛阳人，河南师范大学物理与信息工程学院教育硕士。
光电效应 光的干涉、衍射现象表明光具有波动性，光电效应表明光具有粒子性。关于光的波动性和粒子性并存的性质，称之为波粒二象性。一切涉及到普朗克常数的物理现象皆为量子现象。因此，普朗克常数是一个十分重要的物理常数。 实验目的 1．通过实验了解光的量子性。 2．利用爱因斯坦方程，测定普朗克常数。 实验原理及方法 金属表面在光照射下释放电子的现象称为光电效应。光的波动性无法解释光电效应。1905年爱因斯坦提出了光量子假说，成功地解释了光电效应。他认为光束是由能量E =hv 的光量子聚集而成，h 是普朗克常数，ν是光频率。在光与金属相互作用时，光子带着能量hv 穿过金属表面，金属中电子吸收光子能量后，一部分用于克服逸出金属表面所需的能量E 0（逸出功W ），剩余的能量(hv —W ?)成为光电子的初动能 212 m hv W υ=- （1） 式中m 是电子的质量，υ是光电子逸出金属表面时的初速度。这就是著名的爱因斯坦光电效应方程。 由于金属中电子的能量具有一定的分布，不同能量的电子吸收光子的概率也不相同，以及电子在向金属表面运动过程中能量损失也不尽相一致等原因，故逸出光电子的动能具有一定的分布。从金属中逸出时不因碰撞而损失能量时的光电子的动能，就是光电子的最大初动能。 式（1）表明只有ν≥0W v h =时，才能使光电子逸出金属表面。0v 称为截止频率，它取决于金属材料的逸出功。不同材料有不同的截止频率。一般碱金属的逸出功较低，故常用于光效应实验。 实验线路如图1所示，单色光从光电管的窗口入射到阴极K 上，从K 发射光电子向阳极A 运动，在外电路形成光电流。若在阳极上加一相对于阴极为正的电压，在光电管内形成加速电场，光电流随正向电压的增大而迅速增加，直至所产生的光电子全部到达阳极。此时光电流达到饱和。如果在阳极上加一相对于阴极为负的反向电压U ，则在光电管中形成一个阻止光电子运动到阳极的电场。因而，使从阴极逸出的光电子中只有那些动能221mv 大于eU 的光电子才能运动到阳极而被收集。逐渐增大反向电压U ，就会阻止更多的光电子到达阳极，使光电流逐渐减小。当反向电压达到使具有最大初动能的光电子也被阻止，即
光量子血液疗法临床应用的几点体会 摘要】光量子疗法是取少量自身血液在体外充氧并给紫外线照射后再输到体内 的一种方法。我站应用北京博达技术研究所研制的WL-2B型光量子血疗仪，用来 治疗脑血管病，心血管病，CO中毒等疾病，取得了满意的疗效。 【关键词】光量子疗法临床应用体会 光量子疗法是取少量自身血液在体外充氧并给紫外线照射后再输到体内的一 种方法。 1 治疗方法 取患者静脉血200毫升，应用北京博达技术研究所研制的WL-2B型光量子血 液医疗仪，将血液置于光量子医疗仪中给与10个生物剂量的紫外线照射，同时 充氧，充氧量约5升/分，照射约15～20分钟后当血液呈鲜红色饱和后回输病人 体内，隔日1次，5次为1疗程，隔15～30天可行下疗程。 光量子血液疗法是用小剂量自血在体外经紫外线照射及充氧后再回输患者体 内的疗法。此法有提高血液氧分压，同时提高血红蛋白的携氧能力，改善机体缺 氧状态。血液经紫外线照射1分钟，相当于血液在空气中氧合20～30小时，加 之充氧，更提高了含氧量。使脑病变区域缺氧状态得到改善，改善微循环，从而 使残疾组织功能恢复，使因缺氧而处于冬眠状态的神经细胞迅速恢复功能。同时 血液经紫外线照射后，能产生高能量的光量子线粒体，产生的三磷酸腺苷增高， 红细胞弹性增强。氧的弥散半径增大，可以改善病变区域及周围的血液和血氧供应，加强缺血组织对氧利用并有利于脑功能恢复。从而促进了临床症状与体征明 显好转。 光量子血液疗法可以引起一系列生化反应，以不饱和脂肪酸为主，臭氧与不 饱和脂肪酸作用，形成臭氧化合物。其氧化性能高，能催化和激活未被照射的血 浆质，使之亦处于激化状态，容易使全身血液达到高能量水平。 光子量血液疗法可以降低血液粘度，降低红细胞和血小板聚集力，降低血脂和纤 维蛋白的水平，改善高凝状态，使血胆固醇水平下降，血管壁胆固醇斑块沉着减少，改善微循环，促进血肿及周围水肿带的吸收，减少脑水肿，降低颅内压，同 时可以减少急性期甘露醇的用量。 2 体会 2.1目测抽血发现血液粘稠，色泽暗红，随着治疗次数增多，血液粘稠度明显降低颜色明显改观，治疗效果满意。若抽血时血液粘稠度较大不易抽取，做2～3 次仍不见明显变化者则疗效较差。 2.2光照和充氧后立即快速15分钟内输入则疗效明显，若操作间距离病房远，输入速度超过半小时，则疗效较差。 2.3部分脑血栓患者配合脉络宁和蝮蛇抗栓酶等药物治疗比单纯药物疗法缩短了疗程，且疗效卓著，治愈率增高。 2.4光量子血液疗法对脑梗塞、冠心病、CD中毒等疾病疗效肯定。 2.5疗效差异与治疗的疗程长短有关，凡是坚持治疗5次者疗效都较好，再持续治疗，疗效更佳。 2.6疗效与病程有关，病程越短疗效越高。 2.7疗效与年龄有关，年龄轻、疗效高。 2.8疗效与患者情绪有关，精神紧张，心情不舒畅影响疗效。 2.9本疗法具有临床应用范围广，安全可靠，病人易接受，疗效满意，副作用
2 光电效应与光量子假说 [目标定位] 1.知道光电效应现象，能说出光电效应的实验规律.2.能用爱因斯坦光电效应方程对光电效应作出解释，会用光电效应方程解决一些简单的问题. 一、光电效应 1．光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象． 2．光电子：光电效应中发射出来的电子． 3．光电效应的实验规律 (1)对于给定的光电阴极材料，都存在一个截止频率ν0，只有超过截止频率ν0的光，才能引起光电效应． (2)光电流的大小由光强决定，光强愈大，光电流愈大． (3)光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系． (4)光电效应具有瞬时性：光电效应中产生电流的时间不超过10－9 s. 想一想 紫外线灯照射锌板，为什么与锌板相连的验电器指针张开一个角度？ 答案 紫外线灯照射锌板，发生光电效应现象，锌板上的电子飞出锌板，使锌板带正电，与锌板相连的验电器也会因而带正电，使得验电器指针张开一个角度． 二、爱因斯坦的光电效应方程 1．光子说：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为hν. 2．爱因斯坦光电效应方程的表达式：hν＝12mv 2 ＋A.其中A 为电子从金属内逸出表面时所需做的功． 想一想 怎样从能量守恒角度理解爱因斯坦光电效应方程？ 答案 爱因斯坦光电效应方程中的hν是入射光子的能量，逸出功A 是光子飞出金属表面消耗的能量，12mv 2 是光子的最大初动能，因此爱因斯坦光电效应方程符合能量的转化与守恒定律． 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题1 问题2 问题3 一、光电效应现象 1．光电效应的实质：光现象――→转化为 电现象． 2．光电效应中的光包括不可见光和可见光． 3．光电子：光电效应中发射出来的光电子，其本质还是电子．
第一章 激光基本原理 本章介绍激光最基本的原理，包括光量子的起源和激光的基本物理过程和基本特性。 第一节 光量子起源 光量子也称为光子（photon ），和牛顿力学质点概念类似，光子具有能量和 动量方面的特性，其含义是频率为ν、传播矢量为k 单色光波，其能量和动量是 某一个值的整数倍，能量最小值正比于光频率，动量最小值正比于波矢： k p h ==νε （1.1-1） 其中π2/,/10626.634h s J h =?=- ，称为普朗克（Planck ）常数。但光量子和牛顿力学的粒子有本质区别。牛顿力学的粒子被理解为一个体积为零的质点；光量子有区别于牛顿力学的、多方面的量子力学特性，例如能量不连续、测不准特性、非局域特性等特点。 在量子力学建立之前，已经建立了麦克斯韦方程组的电磁场理论。光波已经普遍被认为是频率很高的电磁波，其性质和微波以及其它电磁波是一样的，都满足麦克斯韦方程组。按照麦克斯韦方程组，电磁波的能量密度只与电场和磁场振幅有关： 20202 121H E W με+= （1.1-2） 光子能量和麦克斯韦方程组所导出能量密度差别很大，什么原因使人们愿意接受光量子概念而放弃电磁场理论呢？ 本节将介绍导致光量子概念的最早三个实验：黑体辐射、光电效应和康普顿散射。 1.1.1 黑体辐射 所谓黑体（Blank body ）是一种假想的物体，这种物体能够完全吸收所有波长电磁辐射。现实中并不存在这样的物体，相对于黑体，其它物体称为灰体（grey body ）。但可以构造一种结构，在一定程度上模拟黑体。这种结构如图（1－1）所示，是壁上开一个小孔的空心腔体。当波长远小于小孔口径的电磁波入射到空腔中时，在腔壁上多次反射后几乎全部被腔体吸收，再次从小孔反射出腔体的几率非常小。所以这样一个空腔黑体近似为黑体。设想这样一个装置置于环境中，由于周围都有环境光， 因此不断会有光从小孔入射进入腔体，这样腔体吸收环境光能量会越来越多，腔体的温度就会越来越高。这种情况有点像夏天停在室外的汽车，太阳光不断从车窗透过玻璃进入车内，使车内温度高得烫人。但是，根据热力学原理，腔体内温度最终应该和环境温度一致。因此为了保持能量平衡，
普朗克量子论 胡紫薇20154934 软件1504班 现代文明全部都是建立在量子理论的基础之上。尽管量子力学是为了描述远离我们日常生活经验的抽象原子世界而创立的，但是它对日常生活的影响无比巨大。没有量子力学作为工具，就不可能有化学、生物、医学以及其他很多学科的巨大进展，作为量子力学的重要产物的电子学革命将我们带入了计算机时代。同时，光子学的革命也将我们带入信息时代。 马克斯?普朗克提出量子概念100多年了，在他关于热辐射的经典论文中，普朗克假定振动系统的总能量不能连续改变，而是以不连续的能量子形式从一个值跳到另一个值。能量子的概念太激进了普朗克后来将它搁置下来。随后，爱因斯坦在1905年，认识到光量子化的潜在意义。不过量子的观念太离奇了，后来几乎没有根本性的进展。现代量子理论的创立则是崭新的一代物理学家花了20多年时间建立的。 量子物理实际上包含两个方面。一个是原子层次的物质理论量子力学：正是它我们才能理解和操纵物质世界；另一个是量子场论，它在科学中起到一个完全不同的作用。 普朗克将他的量子假设应用到辐射体表面振子的能量上，如果没有新秀阿尔伯特?爱因斯坦，量子物理恐怕要至此结束。1905年，他毫不犹豫的断定，如果振子的能量是量子化的，那么产生光的电磁场的能量也应该是量子化的。尽管麦克斯韦理论以及一个多世纪的权威性实验都表明光具有波动性，爱因斯坦的理论还是蕴含了光的粒子性行为。随后十多年的光电效应实验显示仅当光的能量到达一些离散的量值时才能被吸收，这些能量就像是被一个个粒子携带着一样。光的波粒二象性取决于你观察问题的着眼点，这是始终贯穿于量子物理且令人头痛的实例之一，它成为接下来20年中理论上的难题。
第1节量子概念的诞生 第2节光电效应与光量子假说 学习目标核心提炼 1.了解黑体辐射及能量子概念，知道黑体辐射的实 验规律。 3个概念——黑体黑体辐 射能量子 4个光电效应规律——截止 频率光强与光电流的关系 最大初动能与入射光频率的 关系瞬时性 1个光电效应方程——hν＝ 1 2 m v2＋A 2.知道普朗克提出的能量子假说。 3.了解光电效应及其实验规律，感受以实验为基础 的科学研究方法。 4.知道光电效应方程及其意义，感受科学家在面对 科学疑难时的创新精神。 一、热辐射、黑体与黑体辐射 1.热辐射：我们周围的一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，辐射强度随波长的分布与物体的温度有关。 2.黑体：能够全部吸收外来电磁波而不发生反射的物体。 3.一般材料物体的辐射规律：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。 4.黑体辐射：加热腔体，黑体表面就向外辐射电磁波的现象。 思考判断 (1)只有高温物体才能辐射电磁波。() (2)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。() (3)温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大。()
答案(1)×(2)√(3)√ 二、能量子 1.定义：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 2.能量子大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常数。h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s)。 3.能量子提出的意义：打破了一切自然过程都是连续变化的经典看法，第一次向人们展示了自然界的非连续特性。 思考判断 (1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。() (2)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。() 答案(1)√(2)√ 三、光电效应 1.光电效应：当光照射在金属表面上时，金属中的电子吸收光的能量而逸出金属表面的现象。 2.光电子：光电效应中发射出来的电子。 3.光电效应的四个特征 (1)发生条件：对于给定的光电阴极材料，都存在一个截止频率ν0，只有超过截止频率ν0的光，才能引起光电效应。 (2)光电流的大小：由光强决定，光强愈大，光电流愈大。 (3)光电子的最大初动能：与入射光的频率成线性关系。 (4)光电效应具有瞬时性：光电效应中产生电流的时间不超过10－9s。 思考判断 (1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。() (2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。() (3)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。() 答案(1)×(2)×(3)√ 四、爱因斯坦的光子说与光电效应方程
量子力学之父普朗克的故事 人物传记来源：精品学习网2015-03-03 15:49 历史上最有影响的人当然是说法不一，仁者见仁，智者见智，美国学者迈克尔·哈特进行的历史上最具影响力100人排名，他分别细心挑选一百个人物评功论过，排名定位，让我们来看看普朗克的故事。 量子力学之父普朗克的故事 1900年德国科学家马克斯·普朗克提出了一个大胆的假说，在科学界一鸣惊人。这一假说认为幅射能(即光波能)不是一种连续不断的流的形式，而是由小微粒组成的。他把这种小微粒叫做量子。普朗克的假说与经典的光学说和电磁学说相对立，使物理学发生了一场革命，使人们对物质性和放射性有了更为深刻的了解。 普朗克于1858年出生在德国的基尔市。他先后就读于柏林大学和慕尼黑大学，二十一岁时在慕尼黑大学获得物理学博士学位。他一时曾在慕尼黑大学和基尔大学任教，1889年任柏林大学教授，直到1928年70岁退休为止。 和其他几位科学家一样，普朗克对黑体幅射问题也很感兴趣，黑体幅射是描述给绝对黑体加热来做电磁幅射的术语(绝对黑体是不反射任何光而完全吸收所遇见光的物体)。实验物理学家们甚至在普朗克着手研究这个问题之前就对这样的物体幅射做过认真的测量。普朗克取得的第一项成就是提出了一个用来正确描绘黑体幅射的相当复杂的代数公式。这个代数式完美地概述了实验数据，在今天理论物理学上仍常常使用。但是却有一个问题：公认的物理学定律预示存在着一个完全不同的公式。 普朗克对这个问题沉思默想，终于提出了一个崭新的学说：幅射能只能以普朗克称为量子这个基本单位的整倍数形式幅射出来。根据普朗克学说，一个光量子的大小取决于光的频率(即颜色)且与一个物理量成正比。普朗克把这个物理量缩写为h，现在被称为普朗克常数。普朗克假说与当时流行的物理概念完全对立，但是他却利用这一假说在理论上准确地推导了正确的黑体幅射公式。 普朗克假说具有彻底的革命性。因此若不是他以顽固保守的物理学家而著称，他的假说无疑会被当作一种荒诞的思想而弃之一边。虽然这一假说听起来很离奇，但是在这种特殊情况下却推导出了正确的公式。 当初大多数物理学家(包括普朗克本人在内)都认为这一假说不过是适应面很窄的一个数学假设。但是几年以后表明普朗克的概念还能应用于除黑体幅射以外的许多各种不同的物理现象。1905年爱因斯坦用这一概念解释光电效应，1913年尼尔斯·玻尔在他的原子结构学说中也使用了这一概念。1918年普朗克获得诺贝尔奖。他的学说基本正确而且在物理学理论方面具有根本重要的意义。 普朗克坚决反对纳粹分子，这使他在希特勒时代的处境十分危险。他的次子有一次参与一伙军官暗杀希特勒的密谋，但因刺杀未遂于1945年初被处以死刑。普朗克于1947年去世，终
§1.紫外灾难和普朗克的量子假说 一 紫外灾难 1．背景 1800年，天文学家赫歇尔(Herschel)用滤色片观察太阳光透过的热效应时发现，在红外区有一种产生明显热效应的辐射，从而发现了红外线。第二年，里特和沃拉斯顿发现了紫外辐射。1821年，塞贝克发现温差电并用于测量温度。1830年诺比利发明了热辐射测量仪。还有许多物理学家对热辐射的性质、辐射能量与辐射源的关系、辐射能量按波长的分布曲线等进行了大量研究，并逐渐认识到光谱、热辐射、光辐射是统一的。 1881年，美国人兰利(Langley)发明了热辐射计，可以很灵敏的测量辐射能量，并测出能量随波长变化的曲线，如图，从曲线可以很明显的看到能量最大值随温度的增高向短波方向转移。 兰利的能量分布曲线 1859年底，基尔霍夫提出：物体的发射本领e(λ,T)和吸收本领α(λ,T)的比值，等于物体处于辐射平衡时的表面亮度E(λ,T)。即： )T ,(E ) T ,()T ,(e λλαλ= 并指出这一比值对所有物体都是一样的，与辐射物体的性质无关。实际上，E(λ,T)反映的是在不同温度下辐射按波长分布的函数，它是一个与物体性质无关的普适函数。 1860年，基尔霍夫又提出绝对黑体的概念：在任何温度下都能全部吸收落在它上面的一切辐射。显然，当吸收本领α=1时，物体的发射本领就是辐射的普适函数。绝对黑体的表面亮度E(λ,T)可以用平衡辐射时的能量密度ρ(ν,T)来表示。 )T ,(c )T ,(E νρπν8= ρ(ν,T)的探求可以从实验和理论两个方面去解决。 1879年，德国物理学家斯特藩(Joseph Stefan)总结出一条经验规律：黑体表面单位面积上在单位时间内发射出的总能量与它的绝对温度的四次方成正比，即：W=σt 4 。 1884年，玻尔兹曼根据电磁学和热力学理论，利用统计方法的结果（压强等于能量密度的1/3），从理论上导出了这一结果。 1893年，德国物理学家维恩(Wilhelm Wien)根据多普勒效应和斯特藩-玻尔兹曼定律，导出了维恩位移定律： λm· T = 常数 表明黑体辐射能量强度最大的波长λm 和绝对温度T 成反比。 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来实现。 1896年，卢默尔(Lummer)和普林斯海姆(Pringsheim)实现了空腔辐射，为黑体辐射强度的定量测量提供了重要手段。 2．维恩定律 1896年，德国物理学家维恩通过半理论半经验的方法，得到一个辐射能量分布公式： T /A e B )T ,(νννρ-=3 ρ是辐射能密度，ν是频率，T 是温度。 1899年普朗克把电磁理论用于热辐射和谐振子的相互作用，并通过熵的运算得到了同样的结果。这样，就使维恩分布定律获得了普遍性意义。
一、光电效应的实验规律 1、光电效应 光照射在金属及其化合物的表面上发射电子的现象称为光电效应（photoelectric effect ）。实验装置为光电管，在阴极金属表面逸出的电子称为光电子（photoelectron ），电路中出现的电流形成光电流（photocurrent ）。 2、实验规律： （1）饱和光电流：电流强度随光电管两端电压的增加而增加，在入射光强一定时光电流会随U 的增大而达到一饱和值i m ，且饱和电流与入射光强I 成正比。 （2）遏止电压：将光电管上的电压反向，电子的运动受到抑制，实验发现当反向电压不太大时仍有光电流存在，这说明从阴极发射的光电子具有一定的初速度，当反向电压大到一定数值U a 时光电流完全变为零，称U a 为遏止电压。显然电子有初动能与U a 之间有关系 a eU m =2v 2 1 （3）红限（截止）频率：当入射光的频率改变时遏止电压随之改变，实验发现两者成线性关系 0U K U a -?=ν 只有当入射光频率ν大于一定的频率ν0时，才会产生光电效应，ν0称为截止频率或红限频率。 Ua
从不同材料的U a -ν曲线可看出：不同材料的图线的斜率相同，但在横轴上的截距不同。说明K 与金属材料种类无关，但U 0与金属材料种类有关。 （4）光电效应瞬时发生的：当入射光无论如何弱，光电子在光照射的瞬间可产生，驰豫时间不超过10-9秒。 二、爱因斯坦的光量子假设 1、经典物理学所遇到的困难 金属表面对电子具有束缚作用，电子脱离金属表面所需要的能量，所需的最少能量称为逸出功，用 A 表示，显然有 A eU A m E a photon +=+=2v 2 1 其中E photon 为吸收的电磁波能量。 按照光的经典电磁理论：光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，不存在截止频率！若用极微弱的光照射，阴极电子积累能量达到逸出功A 需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生！ 2、爱因斯坦光量子假设（1905年） 为了解释光电效应，爱因斯坦假设： （1）光是由一颗一颗的光子（光量子）组成，每个光子的能量与其频率成正比，即 ν?=h E （2）一个光子只能整个地被电子吸收或放出，光量子具有“整体性”。 （3）根据能量守恒定律，电子在离开金属面时具有的初动能 A eU A m h a +=+=2v 2 1ν 上式即为光电效应方程。 利用爱因斯坦光电方程可以解释光电效应的瞬时性问题和红限频率问题。 3、光电效应的实验验证 Millikan 极力反对爱因斯坦的光子假说，花了十年测量光电效应，得到了遏止电压和光子频率的严格线性关系 ()? ??==?-==eK h eU A U K e eU m a m 002v 21ν 由直线斜率K 的测量可以确定（光电效应）普朗克常数。 爱因斯坦年由于他在光电效应方面的工作而获1921年诺贝尔物理学奖；R. A. Millikan （密立根），1923诺贝尔物理学奖得主，研究元电荷和光电效应，通过油滴实验证明电荷有
普朗克的假设 在热力学中，黑体（Black body），是一个理想化的物体，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射和透射。随着温度上升，黑体所辐射出来的电磁波则称为黑体辐射。
“紫外灾难”：在经典统计理论中，能量均分定律预言黑体辐射的强度在紫外区域会发散至无穷大，这和事实严重违背 马克斯·普朗克于1900年建立了黑体辐射定律的公式，并于1901年发表。其目的是改进由威廉·维恩提出的维恩近似（至于描述黑体辐射的另一公式：由瑞利勋爵和金斯爵士提出的瑞利-金斯定律，其建立时间要稍晚于普朗克定律。由此可见瑞利-金斯公式所导致的“紫外灾难”并不是普朗克建立黑体辐射定律的动机。）。维恩近似在短波范围内和实验数据相当符合，但在长波范围内偏差较大；而瑞利-金斯公式则正好相反。普朗克得到的公式则在全波段范围内都和实验结果符合得相当好。在推导过程中，普朗克考虑将电磁场的能量按照物质中带电振子的不同振动模式分布。得到普朗克公式的前提假设是这些振子的能量只能取某些基本能量单位的整数倍，这些基本能量单位只与电磁波的频率有关，并且和频率成正比。 这即是普朗克的能量量子化假说，这一假说的提出比爱因斯坦为解释
光电效应而提出的光子概念还要至少早五年。然而普朗克并没有像爱因斯坦那样假设电磁波本身即是具有分立能量的量子化的波束，他认为这种量子化只不过是对于处在封闭区域所形成的腔内的微小振子而言的，用半经典的语言来说就是束缚态必然导出量子化。普朗克没能为这一量子化假设给出更多的物理解释，他只是相信这是一种数学上的推导手段，从而能够使理论和经验上的实验数据在全波段范围内符合。不过最终普朗克的量子化假说和爱因斯坦的光子假说都成为了量子力学的基石。 爱因斯坦的光电子假设
什么叫光电效应？ 1)概述 在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应。 (2)说明 ①光电效应的实验规律。 a．阴极(发射光电子的金属材料)发射的光电子数和照射发光强度成正比。b．光电子脱出物体时的初速度和照射光的频率有关而和发光强度无关。这就是说，光电子的初动能只和照射光的频率有关而和发光强度无关。 c．仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电子，这个频率蛳叫做极限频率(或叫做截止频率)，相应的波长λ。叫做红限波长。不同物质的极限频率”。和相应的红限波长λ。是不同的。 d．从实验知道，产生光电流的过程非常快，一般不超过lO-9秒；停止用光照射，光电流也就立即停止。这表明，光电效应是瞬时的。 ②解释光电效应的爱因斯坦方程：根据爱因斯坦的理论，当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量hυ后，能量增加，不需要积累能量的过程。如果电子吸收的能量hυ足够大，能够克服脱离原子所需要的能量(即电离能量)I和脱离物体表面时的逸出功(或叫做功函数)W，那末电子就可以离开物体表面脱逸出来，成为光电子，这就是光电效应。爱因斯坦方程是 hυ=(1/2)mv2+I+W 式中(1/2)mv2是脱出物体的光电子的初动能。 金属内部有大量的自由电子，这是金属的特征，因而对于金属来说，I项可以略去，爱因斯坦方程成为 hυ=(1/2)mv2+W 假如hυ 实验简介： 1905年，年仅26岁的爱因斯坦（A.Einstein）提出光量子假说，发表了在物理学发展史上具有里程碑意义的光电效应理论，10年后被具有非凡才能的物理学家密里根（Robert Millikan）用光辉的实验证实了。两位物理大师之间微妙的默契配合推动了物理学的发展，他们都因光电效应等方面的杰出贡献分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。 光电效应实验及其光量子理论的解释在量子理论的确立与发展上，在揭示光的波粒二象性等方面都具有划时代的深远意义。利用光电效应制成的光电器件在科学技术中得到广泛的应用，并且至今还在不断开辟新的应用领域，具有广阔的应用前景。 本实验的目的是了解光电效应基本规律，并用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线。 实验原理： 当光照在物体上时，光的能量仅部分地以热的形式被物体吸收，而另一部分则转换为物体中某些电子的能量，使电子逸出物体表面，这种现象称为光电效应，逸出的电子称为光电子。在光电效应中，光显示出它的粒子性质，所以这种现象对认识光的本性，具有极其重要的意义。 光电效应实验原理如图1所示。其中S为真空光电管，K为阴极，A为阳极。当无光照射阴极时，由于阳极与阴极是断路，所以检流计G中无电流流过，当用一波长比较短的单色光照射到阴极K上时，形成光电流，光电流随加速电位差U变化的伏安特性曲线如图2所示。 ?光电流与入射光强度的关系 光电流随加速电位差U的增加而增加，加速电位差增加到一定量值后，光电流达到饱和值，饱和电流与光强成正比，而与入射光的频率无关。当变成负值时，光电流迅速减小。实验指出，有一个遏止电位差存在，当电位差达到这个值时，光电流为零。 ?光电子的初动能与入射光频率之间的关系 光电子从阴极逸出时，具有初动能。在减速电压下，光电子在逆着电场力方向由K极向A极运动。当时，光电子不再能达到A极，光电流为零。所以电子的初动能等于它克服电场力所作的功。即 (1) 根据爱因斯坦关于光的本性的假设，光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光 量子理论 19世纪末20世纪初，物理学处于新旧交替的时期。生产的发展和技术的提高，导致了物理实验上一系列重大发现，使当时的经典物理理论大厦越发牢固，欣欣向荣，而唯一不协调的只是物理学天空上小小的"两朵乌云"。但是正是这两朵乌云却揭开了物理学革命的序幕：一朵乌云下降生了量子论，紧接着从另一朵乌云下降生了相对论。量子论和相对论的诞生，使整个物理学面貌为之一新。 中文名量子论外文名Quantum theory别称量子力学提出者普朗克提出时间1900年应用学科物理学适用领域范围黑体辐射数学基础微分几何、线性代数目录1简介2量子理论的发展与建立 ?历史的孕育 ?旧量子论的建立1简介编辑量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述 方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。 2量子理论的发展与建立编辑该文回顾了从量子理论提出到量子力学建立的一段历史,详细叙述了在量子理论发展过程中每一种新的思想提出的曲折经过. 19世纪末20世纪初,物理学处于新旧交替的时期.生产的发展和技术的提高,导致了物理实验上一系列重大发现,使当时的经典物理理论大厦越发牢固，欣欣向荣，而唯一不协调的只是物理学天空上小小的"两朵乌云"。但是正是这两朵乌云却揭开了物理学革命的序幕:一朵乌云下降生了量子论,紧接着从另一朵乌云下降生了相对论.量子论和相对论的诞生,使整个物理学面貌为之一新. 马克思有句名言:"历史上有惊人的相似之处."正处于新的世纪之交的20世纪的物理学硕果累累,但也遇到两大困惑----夸克禁闭和对称性破缺.这预示着物理学正面临新的挑战.重温百年前量子论建立与发展的那段历史,也许会使我们受到新的启迪. 历史的孕育 在19世纪末,经典物理学理论已经发展到相当完备的阶段.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.其主要标志是:物体的机械运动在其速度远小于光速的情况下,严格遵守牛顿力学的规律;电磁现象总结为麦克斯韦方程组;光现象有光的波动理论,最后也归结为麦克斯韦方程组;热现象有热力学和统计物理的理论.在当时看来,物理学的发展似乎已 达到了颠峰.于是,多数物理学家认为物理学的重要定律均已找到,伟大的发现不会再有了,理论已相当完善了.以后的工作无非是在提高实验精度和理论细节上作些补充和修正,使常数测得更精确而已.英国著名物理学家开尔文在一篇瞻望20世纪物理学的文章中,就曾谈到:"在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了."然而,正当物理学界沉浸在满足的欢乐之中的时候,从实验上陆续出现了一系列重大发现.如固体比热,黑体辐射,光电效应,原子结构cdots cdots这些新现象都涉及物质内部的微观过程,用已经建立起来的经典理论进行解释显得无能为力.特别是关于黑体辐射的实验规律,运用经典理论得出的瑞利-金斯公式,虽然在低频部分与实验结果符合得比较好,但是,随着频率的增 第十六章从经典物理到量子物理 杨振宁在《爱因斯坦对理论物理学的影响》一书中指出：在20世纪初，发生了三次概念上的革命，它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是狭义相对论（1905年）、广义相对论（1916年）和量子力学（1925年）。 1) 微观粒子：对象线度小 活动范围小 3) 粒子的能量、角动量等物理量分立取值，完全脱离了经典物理的模式 量子力学研究对象的特点 2) 粒子除了具有粒子性 还具有明显的波动性 分子的热运动将导致物体向外不断地发射电磁波。这种辐射因与温度有关，故称为热辐射。 辐射的波长分布随温度而变化。 温度越高，发射的能量越大，发射的电磁波的波长越短。 §16-1 黑体辐射 普朗克的能量子假说 固体在温度升高时颜色的变化 1400 K 800 K 1000 K 1200 K 一、热辐射的基本概念 1.热辐射现象 2.热辐射的基本性质 热辐射是所有物体(气体、液体、固体)在任何温度下都具有的本领。 热辐射发射的电磁波是连续光谱。 但各种波长的强度不同。 3.平衡热辐射 物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量，物体达到热平衡，称为平衡热辐射。此时物体具有固定的温度。 二、热辐射的物理描述 1.单色出射度M λ（T） 温度为T 的物体,在单位时间内从单位面积上发射的波长在λ到λ+dλ范围内的辐射能量dMλ,与dλ的比值为Mλ（T）,即单色辐出定义dM λ 度.单位为W/m3 单色辐出度Mλ（T）与物体的温度和辐射波长有关；和发射体材料及表面情况有关。 2.辐出度 物体在单位时间内从单位面积上所辐射出的各种波长电磁波的能量总和称为物体的辐出度. 在一定温度T 时,物体的辐射出射度和单色辐出度的关系为 ?∞ =0d )()(λλT M T M ?∞ =0 )()(ν νd T M T M 或 辐出度和温度有关;和发射体材料及表面情况有关。 量子论理念和普朗克 广为人知的另一朵“乌云”热辐射实验引发了物理学的又一次革命，量子力学诞生了． 1．普朗克量子论一切物体都发射并吸收电磁波．物体发射电磁波又称热辐射，温度越高辐射的能量越多，辐射中短波成分比例越大．完全吸收电磁辐射的物体发射电磁辐射的本领也最强，这种理想的物体称为黑体．科学家开始研究黑体辐射电磁波的能量与黑体温度以及电磁波波长的关系，从实验上得出了著名的黑体辐射定律．1879 年，斯特蕃总结出黑体辐射总能量与黑体温度4次方成正比的关系：E 一a洲.1884年这一关系得到玻耳兹曼从电磁理论和热力学理论的证明． 1893 年发表的维恩分布定律更是引起了物理学界的注意．假设电磁辐射由组成黑体的谐振子发出，按照经典理论，谐振子的能量可以连续地变化，电磁波的能量也是可以连续变化的，但是理论结果与实验定律相矛盾．普朗克认为维恩的推导过程不大令人信服，假设太多，似乎是凑出来的．1900年，普朗克提出了量子理论：黑体中的振子具有的能量是不连续的，它们发射或吸收的电磁波的能量也是不连续的．如果发射或吸收的电磁辐射的频率为＊，则发射或吸收的辐射能量只能是加的整倍数，h 为普适常量，称为普朗克常量．普朗克的量子理论成功地解释了黑体辐射定律，这种能量不连续变化的概念，是对经典物理概念的革命，普朗克的理论预示着物理观念上革命的开端． 瑞利看到维恩分布定律在长波方向的偏离，感到有必要提醒人们：在高温和长波的情况下，麦克斯韦一玻耳兹曼的能量均分原理似乎仍然有效．于是他假设在辐射空腔中，电磁谐振的能量按自由度平均分配，由此得出uOC扩T或u戊汇’T, 这个结果要比维恩辐射公式更能反映高温下长波辐射的情况.1905年，瑞利和金斯得到一孚、 T,这个公式称为瑞利 一金斯定律?它代表了能量均分原理在黑体辐射问题上的运用． 普朗克很快找到一个公式，把代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的实验结果综合在一起：u 一以一尹习这就是普朗克辐射定律?鲁本斯得知这一公式后，渊把自己的实验结果和理论曲线进行比较，发现完全符合．于是，两人就在190 年10 月19 日向德国物理学会作了报告．普朗克的题目叫“维恩光谱方程的改进”，报告了他得到的经验公式．作为理论物理学家，普朗克当然不满足于找到一个经验公式．经过两三个月的努力，他终于在190。年底用一个能量不连续 的谐振子假设，按照玻耳兹曼的统计方法，推出了黑体辐射公式．普朗克的能量不连续谐振子假设也叫能量子假设，这个假设的提出对物理学有划时代的意义．但是，坚持经典理论的物理学家还大有人在，怀疑和非难接踵而来．1911 年，埃伦费斯特用“紫外灾难”来形容经典理论的困境．其实，物理学面临的不是危机而是一场伟大的革命．黑体辐射的研究为量子理论的建立打响了第一炮．1887 年赫兹发现了光电效应，1902 年光电效应现象中的许多问题难以用光电效应与普朗克常量的测定
量子理论
§16-1黑体辐射 普朗克的能量子假说概述
量子论理念和普朗克
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