安宏
19.1.22
二、黑体辐射实验定律
单色反射率
r ( T )
第十五章 量子物理
——对一定波长的波，单位时间、单位
面积上反射能与入射能之比
( 1858―1947)
第十五章 量子物理 德国物理学家，量子物理学的开 创者和奠基人，1918年诺贝尔物理学奖 金的获得者。 普朗克的伟大成就，就是创立了量 子理论，这是物理学史上的一次巨大变 革。从此结束了经典物理学一统天下的 局面。 1900年，普朗克抛弃了能量是连续 的传统经典物理观念，导出了与实验完 全符合的黑体辐射经验公式。在理论上 导出这个公式，必须假设物质辐射的能 量是不连续的，只能是某一个最小能量 的整数倍。普朗克把这一最小能量单位 称为“能量子”。普朗克的假设解决了 黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步 提出了能量子与频率成正比的观点，并 引入了普朗克常数h。量子理论现已成为 现代理论和实验的不可缺少的基本理论。 普朗克由于创立了量子理论而获得了诺 贝尔奖金。
第十五章 量子物理
本次课教学基本要求
了解热辐射、光电效应的实验规律
理解普朗克量子假设 理解爱因斯坦光量子假设
掌握爱因斯坦方程
安宏
19.1.22
第十五章 量子物理
第十五章
量子物理基础
１ ２
３ ４
热辐射 普朗克的量子假设 光电效应 爱因斯坦的光子理论 康普顿效应 波尔氢原子理论
实物粒子的波粒二象性 不确定关系 波函数 薛定谔方程 一维定态问题

5.0
19.1.22
安宏
热辐射规律的理论解释
第十五章 量子物理
实验规律——找到了 实验曲线——画出来了
下一步
要上升到理论：从理论上找到符合实验曲线 的函数式
安宏
19.1.22
热辐射规律的理论解释
第十五章 量子物理

热辐射的理论解释 M (T)
当时经典物理占统治地位，人们自然用经典学 理论来解释热辐射并建立了两个公式：
1.02.0 3.04.0 5.0 6.0 7.08.0 9.0
1）维恩公式（Wien’s formula） 维恩公式在长波 方面与实验不符 1896年德国维恩（Wien）从热力学普遍理论 出发导出 19.1.22
安宏
热辐射规律的理论解释
2）瑞利--金斯公式（Rayleigh-jean’s formula）
安宏
19.1.22
何谓热辐射
第十五章 量子物理
物体在任一温度下发射从红外线、可见光到 紫外线的λ连续的电磁波。
0.6 mm～760 nm之间的电磁波称为红外线 760nm～400nm之间的电磁波称为可见光 （可见光在整个电磁波谱中所占的波段最窄） 400nm～5nm之间的电磁波称为紫外线 它们都是由原子的外层电子自发辐射产生的． 19.1.22 安宏
金属
爱因斯坦————光量子理论
安宏
19.1.22
1905年
光电效应——光的微粒说——爱因斯坦
第十五章 量子物理
•爱因斯坦光量子假说(1905)
1）光束——粒子流——光子（光量子）流
2）光子的能量
3）单色光的强度
hν
I N hν
•爱因斯坦光电效应方程
1 2 hν mV W m 2
安宏
19.1.22
量子理论的三大先驱
第十五章 量子物理
普朗克42
1900年 量子概念
玻尔15 爱因斯坦21
1905年 安宏
19.1.22
第十五章 量子物理
问题：
2. 什么是光电效应？
安宏
19.1.22
光电效应——光的微粒说——爱因斯坦
第十五章 量子物理
光电子
1. 存在红限频率。 2. 光照到金属表面光电流立即产生。 3. 光的最大动能只与光的频率有关，与光强无关。 4. 存在饱和光电流。
量子概念的诞生
第十五章 量子物理
量子理论带来了出人意料的 科学上
hν
技术上
社会上
哲学上
的多种多样的新鲜成果
揭示了微观世界中一个重要规律，
开创了物理学的一个全新领域。 安宏
19.1.22
也逐渐成了20世纪物理学中的“唯一思想模式”
量子概念的诞生
第十五章 量子物理
“这一发现成为20世纪整个物理研究的基础， 从那时起，几乎完全决定了物理学的发展”。 ——爱因斯坦
绝对黑体
第十五章 量子物理
辐射能量 与 T、λ的规律
不能一个物体一个物体分别来研究
基尔霍夫——理想模型：绝对黑体 在任何温度、对于任何波长的外来辐射的 吸收率均为 1 的物体。
安宏
19.1.22
绝对黑体
第十五章 量子物理
注意：
一个开有小孔的内表 面粗糙的空腔可近似 看成理想的黑体。
一般物体——吸收 反射 透射

安宏
19.1.22
量子概念的诞生
第十五章 量子物理
量子论这个精灵蹦跳在时代的最前缘，它 需要最有锐气的头脑和最富有创见的思想来激 活它的灵气。
hν
20世纪初，物理学的天空中已是黑云压城， 每一升空气似乎都在激烈地对流和振荡。 一个伟大的时代需要伟大的人物，有史 以来最出色和最富激情的 “黄金一代” 物理学家便在这乱世的前夕成长起来。
紫外灾难
安宏
量子论
19.1.22
量子概念的诞生
第十五章 量子物理
普朗克公式（Planck’s formula）
1900.10.19年德国物理学家普朗克根据实验数据拼凑了 一个公式：“普朗克公式”
M (T )
普朗克
普朗克公式曲线

1.02.0 3.04.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0
19.1.22
第十五章 量子物理
问题：
光的本性是什么？
粒子？！——牛顿 波？！—— 反射 折射 干涉 衍射 偏振
、 、 、 、
波粒二象性！——爱因斯坦
安宏
19.1.22
光子
第十五章 量子物理
•光子的能量、质量与动量
hν 2 mc
hν m 2 c
p
h

•光的“波粒二象性”
1)光在传播过程中——波动性
光具有“波粒二象性”
2)光在与物质相互作用时——粒子性 爱因斯坦 1921年诺贝尔物理奖。
安宏
19.1.22
康普顿效应——光的微粒说
第十五章 量子物理
1923年— 康普顿研究
了X射线经物 质散射的实验 进一步证实了 爱因斯坦的光 子概念。
康普顿正在操纵 X射线光谱仪 19.1.22 安宏
康普顿效应——光的微粒说
hν
事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生， 1918年因此而获得诺贝尔奖。
普朗克诞辰100周年德国发行的2马克面值的纪念硬币
哥庭根市公墓： h = 6.6310-34J· s 安宏
19.1.22
量子概念的诞生
第十五章 量子物理
注意：普朗克这一思想是完全背离经典物理，并 受到当时许多人的怀疑和反对，包括当时的物理 学泰斗---洛仑兹。乃至当时普朗克自已也想以某 种方式来消除 En n h 这一关系式。它写道： “我试图将h 纳入经典理论的范围，但一切 这样的尝试都失败了，这个量非常顽固”。后来 他又说：“在好几年内我花费了很大的劳动，徒 劳地去尝试如何将作用量子引入到经典理论中去。 我的一些同事把这看成是悲剧，但我有自已的看 法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处 ，起初我只是倾向于认为，而现在是确切地知道 作用量子 将在物理中发挥出巨大作用”。
何谓热辐射 固体在温度升高时颜色的变化
第十五章 量子物理
1400 K
因辐射与温度有关，故称热辐射
1200 K 1000 度 400 600度 度
1000 K 800 K
火 炉
安宏
19.1.22
第十五章 量子物理
辐射能量 与 T、λ有规律吗？
成为19世纪末炼钢、电灯照明
急待解决的课题
安宏
19.1.22
该公式与实验数据符合得很好！ 安宏
19.1.22
量子概念的诞生
第十五章 量子物理
普朗克量子假说
hν
E n n
能量不连续，只能取某一最小能量的 整数倍!!!!!
1900年12月14 日
n 1.2.3 量子数
安宏
h = 6.6310-34J· s
称为普朗克恒量 19.1.22
逸出功 安宏
19.1.22
光电效应——光的微粒说——爱因斯坦
第十五章 量子物理
1 2 hν mV W m 2
密立根
1916年，密立根的实验结果完全肯定了爱因斯坦的 光电效应方程，并且测出当时最好的普朗克常数h的值。
但他研究的初衷不是去证明爱因斯坦的光电 效应公式，而是要推翻爱因斯坦的公式。 1923 年获诺贝尔物理学奖，以表彰他对基本 电荷和光电效应的工作。 安宏
第十五章 量子物理
1900.6年瑞利--金斯利从电动力学和统计力学 出发导出
紫外灾难
M (T )

1.02.0 3.04.0 5.0 6.0 7.0 8.0 安 9.0 宏
公式在短波区域 明显与实验不符， 而理论上却找不出 错误
19.1.22
第十五章 量子物理
新实验 经典物理
尖锐矛盾
0 结果
相对论
绝对黑体——吸收
辐射 整个热辐射研究可简化为黑体辐射的研究
安宏
19.1.22
热辐射的实验曲线
第十五章 量子物理
热辐射的实验规律
M (T )
60 50 度
火 炉