第5篇 量 子 物 理
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第24章 量子物理的基本概念 §1 早期量子论 §2 概率波 不确定关系 §3 简说动力学
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前言 在本世纪 (指20世纪--编者注）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）。
2πh 3
M (T ) c2 eh /kT 1
h 6.551034 Js
M.Planck 德国人 1858－1947 28
用内插法得出(短波趋向维恩 长波趋向瑞利) 实验物理学家鲁本斯（Rubens）把它同最 新的实验结果比较 发现：
在全波段与 实验结果惊 人符合
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1900.12.14普朗克在德国物理学会上报告了论文 “关于正常谱中能量分布的理论”
1900年瑞利-金斯从经典电动力学 和统计物理学理论推导而得
•瑞利-金斯公式 长波方向与实验符合较好
短波方向得出灾难性的结论
“紫外灾难”－经典物理有难 24
1904年诺贝尔物理 学奖获得者
——瑞利
• 英国人 • Lord
Rayleigh • 1842-1919 • 氩的发现
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维恩公式在高频段与实验曲线符合得很好， 但在低频段明显偏离实验曲线。
•普朗克能量子假定： 振子的能量不连续
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1）对热辐射的初步认识 •任何物体任何温度均存在热辐射 •热辐射谱是连续谱 •热辐射谱与温度有关
温度 发射的能量 电磁波的短波成分
如一个20瓦的白炽灯和一个200瓦的白炽灯
昏黄色
贼亮 刺眼
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红外夜视仪
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红外夜视图
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红外照相机拍摄的人的头部的热图
热的地方显白色，冷的地方显黑色 17
运动时各部分温度的分布
1911年诺贝尔物理学 奖获得者 —— 维恩
• 德国人 • Wilhelm
Wien • 1864-1928 • 热辐射定律
的发现
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由经典理论导出的 M (T)～ 公式都与实验 结果不符合！
物理学晴朗天空中的一朵乌云!
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5）普朗克的能量子假说—突破了经典的框架
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
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1913 N.Bohr 原子能量量子化 B、量子力学的建立（崭新概念）
1923 de Broglie 电子具有波动性 1926 - 27 Davisson, G.P.Thomson
电子衍射实验 1925 Heisenberg 矩阵力学 1926 Schroedinger 波动方程 1928 Dirac 相对论波动方程
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C、量子力学的进一步发展（应用、发展） 量子力学原子、分子、原子核、固体 量子电动力学(QED)电磁场 量子场论原子核和粒子 进一步认识的问题．．．． 量子信息－－新的信息科学的兴起
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本课程的主要教学内容： 量子理论的基本概念 量子力学解决问题的基本思路和方法 对象的特点：
1) 微观：对象线度小 活动范围小 109 米
是一个全新的领域
人们认识自然的过程决定的
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讲课思路： 1)突破性的实验
实验规律 经典理论的困难 假设 确立新理论 2)实物粒子的波粒二象性 及量子力学解决问 题的基本方法 3)证明量子理论的一些重要实验 4)量子力学的应用举例
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敲开量子物理大门的首要问题 是 关于光的本质的认识
光具有波动性 已被大量实验证明 但 与物质相互作用的大量实验
使经典的波动理论遇到无法克服的困难 论述由此展开
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§1 早期量子论 一.经典理论遇到的挑战
1.热辐射
19世纪末20世纪初 德国寻找新能源 由于分子热运动导致物体辐射电磁波 温度不同时 辐射的波长分布不同 例如：铁块 温度 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色
这种与温度有关的辐射 称为热辐射 热辐射 --- 热能转化为电磁能的过程
0
单位：w/m2
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3）热辐射的实验研究 理想模型 -- 黑体 黑体： 可吸收全部到达它表面的电磁辐射
维恩设计的黑体 空腔上的小孔 炼钢炉上的小洞
演示黑体模型 21
室温下，反射光 1100K，自身辐射光
一个黑白花盘子的两张照片 演示 黑色的 M 和 均较白色的大 思考 非洲沙漠人为何穿黑袍？
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2）描述热辐射的基本物理量
①光谱辐射出射度(也称单色辐射本领)
单位时间内从物体单位表面向前方半球
发出的波长在 附近单位波长间隔内的电磁波
的能量 T
M
dE
d
dE
( dλ)
单位面积 （单位时间内）
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T
辐射出射度与
( )
物质种类
表面情况
有关
② 总辐出度 (总辐射本领)
M (T ) M (T )d
黑体辐射实验规律 •维恩位移定律
mT b
b = 2.897756×10-3 m·K
•斯特藩 - 玻耳兹曼定律
M (T ) T 4 = 5.6710-8 W/m2K4
重要应用： 遥感和红外追踪 高温比色测温仪 估算表面温度 非典时：测温仪23
4）解释实验现象--- 经典物理学遇到了困难 1896年维恩从经典热力学理论 及实验数据的分析得出 •维恩公式 短波方向与实验符合较好
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这两朵乌云开出近代物理的鲜花
M－M实验 相对论 黑体辐射 量子论 量子力学
可谓拨开乌云见鲜花
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近代物理（20世纪） • 相对论 1905 狭义相对论 1916 广义相对论 － 引力、天体 • 量子力学 A 旧量子论的形成（冲破经典－量子假说） 1900 Planck 振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化
2) 粒子除了具有粒子性 还具有明显的波动性 3) 粒子的能量 角动量等物理量取值分立
完全脱离了经典物理的模式
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注意：
1) 自觉摆脱经典的束缚 注重实验事实
2) 处理好形象与抽象的关系
3) 对应关系
新理论是在原有的理论基础上发展起来的
所以 在极限情况下可以回到原有的理论
但 量子范围内的很多概念找不到经典的对应
－杨振宁
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经典物理（18－19 世纪） 牛顿力学 热力学 经典统计力学 经典电磁理论 19世纪末趋完善
• 海王星的发现（Leverrier,1846） “不必向天空看一眼就发现了这颗新行星” “是在Leverrier的笔尖下看到的，····”
• 电磁理论解释了波动光学 开尔文：大厦基本建成 ···两朵乌云