1、上一代人能取得自然知識的如此神奇進(jìn)展，應(yīng)歸功于人們從傳統(tǒng)思想束縛下獲得的這一解放。 玻爾,紫 外 災(zāi) 難 和 普 朗 克 的 量 子 假 說,一.紫外災(zāi)難 二.普朗克獨(dú)步一時的研究,1.紫外災(zāi)難和普朗克的量子假說,19世紀(jì)末，由于冶金等各方面的需求，人們急于知道輻射強(qiáng)度與光波長之間的函數(shù)關(guān)系。單靠實(shí)驗(yàn)逐一找對應(yīng)點(diǎn)的方法，猶如鈍刀子割肉。當(dāng)時維恩和瑞利-金斯分別發(fā)表了兩個公式，試圖解決這一問題。,紫 外 災(zāi) 難 和 普 朗 克 的 量 子 假 說,維恩像,一.紫外災(zāi)難,1.輻射強(qiáng)度隨波長變化的規(guī)律圖:,紫 外 災(zāi) 難 和 普 朗 克 的 量 子 假 說,2.維恩定律,在短波區(qū)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合，而在

2、長波區(qū)不符。,是輻射能密度，是頻率，T是溫度。,紫 外 災(zāi) 難 和 普 朗 克 的 量 子 假 說,3.瑞利金斯定律,在長波區(qū)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合，而在短波區(qū)不符。而且當(dāng)波長接近紫外時，計(jì)算出的能量為無限大!,紫 外 災(zāi) 難 和 普 朗 克 的 量 子 假 說,但瑞利、金斯兩人得出的共識，是根據(jù)經(jīng)典物理的理論嚴(yán)密推導(dǎo)的，瑞利和金斯也是物理學(xué)界公認(rèn)的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜耍碚撝蹬c實(shí)驗(yàn)值在短波區(qū)的北轍南轅，使人們不得不稱之為“紫外災(zāi)難”。,紫外災(zāi)難也就是經(jīng)典物理的災(zāi)難。,紫 外 災(zāi) 難 和 普 朗 克 的 量 子 假 說,瑞利像,1.普朗克(1858-1947),紫 外 災(zāi) 難 和 普 朗 克 的 量 子 假

3、說,誕生在德國，中學(xué)畢業(yè)后，躊躇于物理和音樂之間，老師勸他不要選物理，但普朗克選了物理并于1879年獲得博士學(xué)位。,二.普朗克獨(dú)步一時的研究,2.普朗克的內(nèi)插公式,將維恩公式和瑞利公式綜合在一起，理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得較好。,當(dāng)0，即在長波范圍，普朗克定律變?yōu)槿鹄鹚构健?當(dāng)，即在短波范圍，又與維恩定律一致。,紫 外 災(zāi) 難 和 普 朗 克 的 量 子 假 說,3.普朗克的能量子假設(shè),普朗克寫道:“即使這個新的輻射公式證明是絕對精確的，但若僅僅是一個僥幸揣測出來的公式，它的價值也只能是有限的?！逼绽士瞬⒉粷M足于自己的一得之功。,他大膽地將熱力學(xué)的熵與能量的分配相聯(lián)系，獨(dú)創(chuàng)了能量子理論。,紫

4、外 災(zāi) 難 和 普 朗 克 的 量 子 假 說,1900年12月14日，普朗克提出了一個假設(shè)，即能量可以劃分成n個相等的小份，每個小份叫能量子，每個能量子又與頻率成正比，比例系數(shù)為h。,這一天，被稱為量子力學(xué)的生日。,只要自然科學(xué)在思維著，它的發(fā)展形式就是假說。 恩格斯,紫 外 災(zāi) 難 和 普 朗 克 的 量 子 假 說,h普朗克常數(shù) ，就好象普羅米修斯從天上引來的一?；鸱N，使人們從傳統(tǒng)思想的束縛下獲得了解放!黑體輻射，光電效應(yīng)，原子光譜，康普頓效應(yīng)等都是普朗克假說的發(fā)展結(jié)果，是經(jīng)典物理所不能解釋的。,紫 外 災(zāi) 難 和 普 朗 克 的 量 子 假 說,普朗克于1918年獲諾貝爾獎。,這個發(fā)現(xiàn)

5、將人類的觀念不僅是有關(guān)經(jīng)典科學(xué)的觀念，而且是有關(guān)通常思維方式的觀念的基礎(chǔ)砸得粉碎。 玻爾,普朗克像,紫 外 災(zāi) 難 和 普 朗 克 的 量 子 假 說,一.光電效應(yīng) 二.經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象 三.愛因斯坦的光量子 四.物理規(guī)律中的辯證法,2.愛因斯坦的光量子理論,金屬受到光照射后釋放出電子的效應(yīng)。1887年，由赫茲首先發(fā)現(xiàn)。,愛 因 斯 坦 的 光 量 子 理 論,一.光電效應(yīng),二.經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象,普朗克在熱輻射理論中所提出的能量子理論，啟發(fā)了愛因斯坦。,愛 因 斯 坦 的 光 量 子 理 論,三.愛因斯坦的光量子,愛因斯坦認(rèn)為能量=h不僅以 形式發(fā)射，也以同樣的方式一份

6、份被吸收，光是由具有粒子性的光子所組成。,他說：“光量子鉆進(jìn)物體的表面層，把它的全部能量給予了單個電子”,提出了著名的光電效應(yīng)方程：,愛因斯坦的光量子理論，一語中的，圓滿地解釋了光電子效應(yīng)，使量子概念進(jìn)一步深入人心，并因此獲得諾貝爾物理獎。,愛 因 斯 坦 的 光 量 子 理 論,可見，若僅僅認(rèn)為光只具有波動性，就無法解釋光電效應(yīng)，同樣若只承認(rèn)光的粒子性，就無法解釋它的干涉、衍射現(xiàn)象，二者都不能對光以全面科學(xué)的解釋。光的波粒二象性是光的波動性與粒子性的矛盾對立統(tǒng)一。,愛 因 斯 坦 的 光 量 子 理 論,四.物理規(guī)律中的辯證法,一.原子模型的歷史演變 二.盧瑟福的核式結(jié)構(gòu),3.盧瑟福的原子核

7、式結(jié)構(gòu),電子的發(fā)現(xiàn)，引起了人們對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的興趣，但都莫衷一是。,1.長崗的土星模型:1904年，提出土星衛(wèi)環(huán)模型。,2.JJ湯姆遜西瓜模型：正電荷像西瓜瓤，負(fù)電荷像西瓜子分布其上。,盧 瑟 福 的 原 子 核 式 結(jié) 構(gòu),一.原子模型的歷史演變,1.盧瑟福(1871-1937),后從事教學(xué)與科研，1907 年獲諾貝爾化學(xué)獎。,盧 瑟 福 的 原 子 核 式 結(jié) 構(gòu),生于新西蘭一個偏遠(yuǎn)的小城鎮(zhèn)，有兄弟姐妹12人，但身體很好，18歲獲獎學(xué)金上大學(xué)。后又獲得英國劍橋大學(xué)留學(xué)的資格。,盧瑟福像,二.盧瑟福的核式結(jié)構(gòu),盧 瑟 福 的 原 子 核 式 結(jié) 構(gòu),在獨(dú)創(chuàng)的科學(xué)研究中，我從未見過有比盧瑟福先

8、生更加熱情和干練有為的學(xué)生。 JJ湯姆遜,2. 射線的大角散射,JJ湯姆遜：“原子內(nèi)的正電荷是均勻地分布在原子中的，而并非呈粒子狀態(tài)。”而盧瑟福認(rèn)為應(yīng)該用帶電粒子碰撞去試探。,盧 瑟 福 的 原 子 核 式 結(jié) 構(gòu),1909年，盧瑟福和蓋革、馬登思，用氦核轟擊厚度為10-6米的金箔，起初蓋革沒看到什么現(xiàn)象，盧瑟福告訴他要仔細(xì)觀察：“要多看細(xì)看，實(shí)驗(yàn)要重復(fù)幾次、幾十次、幾百次，才能發(fā)現(xiàn)偶然的現(xiàn)象?！?發(fā)現(xiàn)有1/8000的粒子，偏轉(zhuǎn)反彈。,蓋革像,盧 瑟 福 的 原 子 核 式 結(jié) 構(gòu),盧瑟福于1911年、1913年發(fā)表論文，提出了原子的有核模型，使人們對原子的結(jié)構(gòu)有了進(jìn)一步的了解，同時也提出了研

9、究微觀粒子的方法。,但一則以喜，一則以憂，原子的核式結(jié)構(gòu)卻無法用經(jīng)典理論加以解釋。,盧瑟福:“猶如一發(fā)15寸的炮彈去轟一張薄紙，而炮彈卻掉過頭來擊中你自己一樣?！?盧 瑟 福 的 原 子 核 式 結(jié) 構(gòu),一.玻爾(1885-1962) 二.玻爾的氫原子理論 三.玻爾理論的缺陷,4.玻爾的氫原子理論,丹麥物理學(xué)家。1911年赴英國劍橋大學(xué)。在湯姆遜的指導(dǎo)下，跟盧瑟福搞科研。參加第一顆原子彈的制造。37歲獲諾貝爾獎。,玻 爾 的 氫 原 子 理 論,玻爾像,一.玻爾(1885-1962),首創(chuàng)將量子理論用于解釋原子現(xiàn)象的第一人。深信核式理論的正確性，認(rèn)為必須對經(jīng)典概念進(jìn)行改造。,1913年，寫出了

10、原子構(gòu)造和分子構(gòu)造（1）（2）（3）三篇論文，提出了定態(tài)躍遷的原子模型。,玻 爾 的 氫 原 子 理 論,二.玻爾的氫原子理論,1)定態(tài)假設(shè)：原子中電子的軌道不是任意的，只能取分立的幾個，在以上軌道運(yùn)動的電子不輻射電磁波，原子處于相應(yīng)的定態(tài)。,2)躍遷假設(shè)：原子中的電子從一定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，若相應(yīng)的能量 ，則原子將放出一個光子，其頻率：,玻 爾 的 氫 原 子 理 論,3）角動量量子化：如果電子繞核轉(zhuǎn)的是圓軌道的話，它的角動量也應(yīng)是量子化的，即,(n=1，2，3),玻爾把量子理論開創(chuàng)性地應(yīng)用到原子理論中去，成功地解釋了氫原子的核式結(jié)構(gòu)和氫光譜的規(guī)律，量子論又一次取得成功。,玻 爾 的 氫 原

11、 子 理 論,玻爾理論是經(jīng)典與量子理論的混合物，存在著內(nèi)在的不協(xié)調(diào)，內(nèi)在的矛盾。,玻 爾 的 氫 原 子 理 論,三.玻爾理論的缺陷,一.量子力學(xué)的發(fā)展線索與代表人物 二.矩陣力學(xué)的創(chuàng)立 三.波動力學(xué)的建立,5.量子理論的發(fā)展,2.線索:,1.量子力學(xué)：研究微觀粒子運(yùn)動的基本理論，它和相對論構(gòu)成近代物理學(xué)的兩大支柱。,量 子 理 論 的 發(fā) 展,一.量子力學(xué)的發(fā)展線索與代表人物,3.代表人物:,量 子 理 論 的 發(fā) 展,泡利像,量 子 理 論 的 發(fā) 展,玻爾和索末菲,量 子 理 論 的 發(fā) 展,玻爾和泡利,量 子 理 論 的 發(fā) 展,玻爾、海森堡和泡利,量 子 理 論 的 發(fā) 展,1. 海

12、森堡的貢獻(xiàn),量 子 理 論 的 發(fā) 展,海森堡像,二.矩陣力學(xué)的創(chuàng)立,海森堡決定用新思路去描述微觀世界。,海森堡在索末菲、玻爾等人指導(dǎo)下，認(rèn)識到在原子物理中，軌道上運(yùn)行的電子位置和速度是不可觀察的，因而需要用可觀察量去描寫電子所處的狀態(tài)，他認(rèn)為n是原子定態(tài)的量子數(shù)，光譜頻率和振幅A是原子現(xiàn)象的可觀察量，海森堡用頻率和振幅表示了坐標(biāo)，,量 子 理 論 的 發(fā) 展,波恩看到海森堡的論文關(guān)于運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)關(guān)系的量子論解釋后，經(jīng)過8天的苦苦思索，終于認(rèn)識到海森堡的數(shù)集，是他在大學(xué)里學(xué)過的矩陣，這樣某力學(xué)量就可以用一些元素組成的矩陣來表示。,2.波恩的思索,量 子 理 論 的 發(fā) 展,波恩像,3.算符的

13、引進(jìn),由海森堡、波恩等引入到量子力學(xué)中。在量子力學(xué)中用算符表示力學(xué)量，它可以作用在一個函數(shù)上，得出另一個函數(shù)。比如動量算符,泡利用海森堡的矩陣力學(xué)解決了三個方面的問題，矩陣力學(xué)成長建立起來。,量 子 理 論 的 發(fā) 展,1.德布羅意波,1)德布羅意(1892-1960)： 法國人，一戰(zhàn)服役六年，原來從事歷史研究，受其兄影響，改學(xué)物理，1924年獲博士學(xué)位，1932年任巴黎大學(xué)物理教授，1933年被選為法國科學(xué)院院士，1929年獲諾貝爾物理獎。,量 子 理 論 的 發(fā) 展,德布羅意像,三.波動力學(xué)的建立,德布羅意的獲獎?wù)撐?2) 德布羅意的觀點(diǎn):既然光具有波粒二象性，那么實(shí)物粒子如電子、質(zhì)子等也

14、應(yīng)該具有波動性和粒子性。,量 子 理 論 的 發(fā) 展,3) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:1923年910月，德布羅意在法國科學(xué)院“通報(bào)”上，發(fā)表了三篇文章，提出了物質(zhì)波的思想，并指出這種波的波長為：,量 子 理 論 的 發(fā) 展,由于他們實(shí)驗(yàn)的成功，實(shí)物粒子也具有波動性的理論被證實(shí)了，他們也因此獲得了1937年的諾貝爾獎。,戴維森革末實(shí)驗(yàn)：美國人，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室研究員 GP湯姆遜實(shí)驗(yàn)：,量 子 理 論 的 發(fā) 展,GP湯姆遜像,戴維森像,量 子 理 論 的 發(fā) 展,2.薛定諤的創(chuàng)建,1)薛定諤(1887-1961)：奧地利人，物理學(xué)博士。曾先后擔(dān)任蘇黎士、柏林大學(xué)的物理學(xué)教授，在愛爾蘭工作了17年，1933年獲諾貝爾物理學(xué)獎。,量 子 理 論 的 發(fā) 展,薛定諤像,1944年發(fā)表生命是什么（What is the life），給生命科學(xué)注入了新的活力。,薛定諤像,量 子 理 論 的 發(fā) 展,量 子 理 論 的 發(fā) 展,2）薛定諤方程：薛定諤在德布羅意、愛因斯坦的啟發(fā)影響下，在1926年1-6月，連續(xù)發(fā)表了四篇論文，系統(tǒng)闡明了波動力學(xué)的理論，提出了量子力學(xué)中著名的薛定諤方程。,3.矩陣力學(xué)與波動力學(xué)的統(tǒng)一,既然矩陣力學(xué)與波動力學(xué)描述了同一物理現(xiàn)象，它們之間是否存在著內(nèi)在的聯(lián)系？薛定諤證明了矩陣力學(xué)和波動力學(xué)的等價性。1926