量子革命的導(dǎo)火線

輻射問題熱的物體發(fā)光，越熱發(fā)出的光越明亮。光譜的范圍很廣，當(dāng)溫度升高時(shí)，物體呈現(xiàn)出的顏色向短波方向移動(dòng)，人們試圖結(jié)合熱力學(xué)和電磁學(xué)作出解釋，不過所有的嘗試均以失敗告終。就連當(dāng)時(shí)赫赫有名對物理學(xué)各方面都做出過重要貢獻(xiàn)的權(quán)威人物開耳文勛爵在一篇于1900年發(fā)表的瞻望二十世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的文章中也說：“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只需要做一些零星的修補(bǔ)工作就行了”，不過他還不愧為一名確有遠(yuǎn)見卓識的物理學(xué)家，因?yàn)樗又种赋觯骸暗窃谖锢砬缋侍炜盏倪h(yuǎn)處，還有兩朵小小令人不安的烏云”，即運(yùn)用當(dāng)時(shí)的物理學(xué)理論所無法正確解釋的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

一個(gè)是熱輻射現(xiàn)象中的紫外災(zāi)難另一個(gè)是否定絕對時(shí)空觀的邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)正是這兩朵小小的烏云，沖破了經(jīng)典物理學(xué)的束縛，打消了當(dāng)時(shí)絕大多數(shù)物理學(xué)家的盲目樂觀情緒，為后來建立近代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)作出了貢獻(xiàn)。事實(shí)上還有第三朵小小的烏云，這就是放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，它有力地表明了原子不是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，原子也是可以分割的。對于許多人來說，也許量子力學(xué)比相對論更為有用。后者一般用于研究基本粒子的產(chǎn)生和相互轉(zhuǎn)化以及大尺度的時(shí)空結(jié)構(gòu)，但對于20世紀(jì)人類的生產(chǎn)生活，原子層次的世界顯得更為重要。在量子力學(xué)基礎(chǔ)上，材料科學(xué)、激光技術(shù)、超導(dǎo)物理等學(xué)科蓬勃發(fā)展，為深刻影響20世紀(jì)人們生活方式的計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、能源技術(shù)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。2、輻出度物體單位時(shí)間在單位表面積上輻射的能量稱為輻出度，用M(T)表示；（T表示輻出度與溫度有關(guān)）物體對某一單色光的輻出度稱為單色輻出度，單色輻出度用Mλ(T)表示，單位為：W·m

-2

某一溫度下物體對所有波長的總輻出度為：4、黑體(blackbody)如果一個(gè)物體對入射的電磁波能全部吸收，即稱為黑體(blackbody)。用一個(gè)耐高溫不透明材料做成一個(gè)大空腔，外面開一個(gè)小孔，入射光線不會(huì)被反射，此空腔可看作是黑體模型。給黑體模型加熱，由小孔處發(fā)出的輻射就是黑體輻射。用分光技術(shù)把從空腔發(fā)出的輻射拍攝成光譜，再測量各種波長的功率，可得出黑體輻射的能量分布曲線，如圖。此曲線給出兩個(gè)重要的定律：Mλ(T)1234λ(μm)1100K1300K1500K1700K5、黑體輻射能譜曲線由左圖可看出溫度T升高，各波長的能量增加，實(shí)驗(yàn)確定：黑體總輻射能量M(T)=∫Mλ(T)dλ與絕對溫度T的四次方成正比，即斯特藩(J.Stefan,1835—1893)建立了黑體面輻射強(qiáng)度與絕對溫度之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，制成輻射高溫計(jì)，測得太陽表面溫度約為6000℃；1884年玻爾茲曼同時(shí)也從熱力學(xué)理論上證明了此公式成立，故此定律稱為斯特藩-玻爾茲曼定律。實(shí)驗(yàn)證明：總輻射能量M（T）=∫Mλ(T)dλ與絕對溫度T的四次方成正比，即

M

(T)=σT4

σ=5.67×10-8w/m2k4，稱為斯特藩常數(shù)。作用；在已知物體表面溫度時(shí)，我們可以求出物體因輻射損失的能量。斯特藩—玻爾茲曼定律維恩根據(jù)熱力學(xué)理論指出：

λm=b/T

常數(shù)b=2.898×10-3m·k，此結(jié)果稱為維恩位移定律。鐵塊被加熱Mλ(T)1234λ(μm)1100K1300K1500K1700K每一曲線都對應(yīng)一個(gè)輻射能量最大的波長(峰值波長)λm，λm隨溫度升高向短波方向位移。λm維恩位移定律維恩位移定律的作用：已知溫度,確定物體輻射電磁波的波長范圍如人體溫度為35℃(308k)，其輻射電磁波的峰值波長λm約為多少？λm=b/308=93×10-7m=93000A在遠(yuǎn)紅外線范圍普朗克公式如何給出與實(shí)驗(yàn)曲線完全的符合的黑體輻射公式(即M與T、λ的關(guān)系)？1、瑞利—金斯公式1900－1905年間，瑞利和金斯根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)導(dǎo)出：Mλ(T)=C1λ-4T此公式在長波區(qū)域與曲線符合，短波時(shí)Mλ(T）趨于無窮大，不符合曲線。歷史上稱其為“紫外區(qū)災(zāi)難”。2、維恩輻射公式

1896年，維恩把熱力學(xué)和多普勒原理結(jié)合起來并由此得出：Mλ(T)=C1λ-5e–C2/λT此公式在短波區(qū)與曲線相符，長波時(shí)誤差大。3、普朗克公式1900年，馬克思·普朗克，根據(jù)能量量子化的假設(shè)擬合實(shí)驗(yàn)曲線得出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：此式與實(shí)驗(yàn)曲線完全符合，稱為普朗克公式。o實(shí)驗(yàn)值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線12345678黑體輻射實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)晴朗天空中一朵令人不安的烏云。

普朗克后來又為這種與經(jīng)典物理格格不入的觀念深感不安，只是在經(jīng)過十多年的努力證明任何復(fù)歸于經(jīng)典物理的企圖都以失敗而告終之后，他才堅(jiān)定地相信h的引入確實(shí)反映了新理論的本質(zhì)。1918年他榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在適當(dāng)波長光的照射下，金屬表面逸出電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置OOOOOOVGAKBOOm第二節(jié)光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

1、電子的逸出功應(yīng)決定于光強(qiáng)；二、經(jīng)典電磁波理論的缺陷3、電子積累能量需要時(shí)間，光電效應(yīng)不是瞬時(shí)的。2、任何頻率的光，只要有足夠的光強(qiáng)，都應(yīng)該產(chǎn)生光電效應(yīng)；

三、愛因斯坦方程光量子（光子）——愛因斯坦光電效應(yīng)方程

愛因斯坦光子假說：一束光是以光速C運(yùn)動(dòng)的粒子（稱為光子）流，光子的能量為：一部分轉(zhuǎn)化為光電子的動(dòng)能，即：金屬中的自由電子吸收一個(gè)光子能量一部分用于電子從金屬表面逸出所需的逸出功A,以后，3.從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系。

愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋：2.電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以無須時(shí)間的累