L物理学与人类文明L.ppt

大连理工大学 余 虹 姜东光 微观世界的发现之旅 4.1.0 X射线的发现 4.1.1 电子的发现 4.1.2 永不静止的光子 4.1.3 揭开原子核的内幕 一、发现质子 二、发现中子 4.1.4 囚禁中的夸克 光的量子性 经典物理无法解释的实验现象 一、黑体辐射的规律 二、光电效应 现实背后的机遇 当时许多著名的物理学家都认为物理学的基本规律都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本规律应用到各种具体问题上，并用来说明各种新的实验事实而已。 开耳文在一篇于1900年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了”。 不过他接着又指出：“但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌云”。 一个是热辐射现象中的紫外灾难， 另一个是否定绝对时空观的迈克尔逊—莫雷实验。 事实上还有第三朵小小的乌云，这就是放射性现象的发现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元，原子也是可以分割的。 绝对黑体 一个开有小孔的空腔，对射入其中的光几乎可以全部吸收 黑体辐射的定律 1、Stefan-Boltzmann定律（1879年、1884年） 辐射的总能量，即曲线下的面积与T4成正比 2、Wien位移定律（1893年） 曲线的极大值满足 引力 强力的特点 + + 高速靠近才能克服电斥力——高温引发氢聚变。 1000万oC ！ 氢聚变 用裂变“炸弹”引发聚变。 斥力 无力 0 0.4 1 我们熟悉了足球与海浪的运动——经典的粒子与波。 当我们深入研究微观世界时，却发现微观粒子既不像球，又不像波。 人们甚至发现，用日常或经典物理的语言都不能很好描述微观粒子?引入陌生的概率幅（波函数）来描写微观粒子。 4.2 震撼世界的量子科学 4.2.1 温度与颜色 一、热与颜色 经典电磁理论：带电粒子加速运动?辐射电磁波。 温度高?振动快?辐射能量多～物体辐射紫外线能量趋于无限？ 不符合实验事实！ 寻找以太的 零结果？ 热辐射的 紫外灾难 物理世界上空的两朵乌云 等效于绝对黑体 即可以得到 测量空腔开口处的辐射本领 光谱仪 测量黑体辐射的实验装置 Stefan-Boltzmann常数 用于测量温度 o λ(μm) 1 2 3 5 6 8 9 4 7 M B λ 维恩 瑞利--金斯 实验值 紫 外 灾 难 能量不连续，只能是 h? 的整数倍。 二、普朗克的量子假说 1900年12月14日，在德国物理学会上演讲——这一天定为量子力学的诞生日。 1900年，普朗克提出能量子h? h=6.63?10-34 J·s —— 普朗克常数 他比喻：能量如商店里卖啤酒，只能一瓶一瓶卖出。 他对自己的理论忐忑不安， 1910年，提出发射能量不连续，吸收连续－啤酒卖出去后就成了流体。1914年，发射也连续只有相互碰撞时才不连续。 普朗克把物理带到量子论大门口，却没进去。 三、量子理论 玻尔：原子子处于确定状态时不辐射， 只有在不同的能量状态之间跃迁时才发光。 爱因斯坦：具有确定频率?的单色光， 是由具有确定能量 的光子组成。 德布罗意：一个具有确定能量E、动量P 的粒子，在某些测量条件下显示出沿动量 方向传播的单色平面波的行为，满足 玻恩：物质波是一种概率波，波函数的 平方值代表粒子出现的概率密度。 一、经典粒子与经典波 经典粒子的特点：定域性、排他性。 经典波的特点： 广延性、可叠加性。 让开！这是我的地方。 各种不同频率的电磁波在空间同时传播。 4.2.2 电子的波动性 二、微观粒子与德布罗意波 德布罗意（1924年）：一个具有确定能量E、动量P的粒子，在某些测量条件下显示出沿动量方向传播的单色平面波的行为，其频率?、波长?满足 他明确指出：可以用电子波贯穿晶片进行验证。 三、实验验证 镍晶 0.012 104 0.100 150 0.167 54 ?/nm U/V 相当于X 射线 0 1、戴维孙和革末（1927年） 电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图像 多晶铝泊 2. G?P?汤姆逊（1927）——J?J?汤姆逊的儿子 3. 约恩逊（1961） 1. 玻尔的理论 对原子内电子的两种描述 4.2.3 原子中电子的行踪 ?原子能够，而且只能够稳定地存在于能量为一系列离散值E1、E2……的相关状态（定态）。