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量子物理发展简史 量子物理学发展的历史回顾 本讲简要回顾量子物理学产生、发展到完善过程中一些标志性事件和代表人物，试图给出量子力学理论体系的发展脉络。 量子物理学的发展阶段 旧量子论时期 量子力学的创建与完善时期 量子力学向纵深发展 旧量子论时期 ——1900年4月27日 伦敦 “动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”（The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds.） 《在热和光动理论上空的19世纪乌云》 Lord Kelvin(1824-1907) 迈克尔逊－莫雷实验 光速与参考系的运动无关 黑体辐射 普朗克的观点： 组成黑体的分子、原子视为一系列的电磁振子，振子的能量不连续分布，只能取某一最小能量值 （称为能量子）的整数倍； 振子（黑体的分子、原子）辐射或吸收能量时，只能是能量子的整数倍，或者振子的能量是一份一份的辐射或吸收，即振子能量变化也是不连续的。 经典物理学的信条之一就是一切过程和一切物理量都是连续的，连续性又是微积分的核心思想，而微积分是处理物理问题的基本数学工具。微积分的发明人莱布尼兹(1646年－1716年)曾明确指出：如果我们对连续性原理提出疑问，那么世界将会出现许多间隙，而这条间隙就会将这条具有充分理由的普遍原理推翻，结果迫使我们不得不乞求奇迹或纯粹的机遇来解释自然现象了。普朗克引入不连续的能量子突破了经典物理的连续性原理。正是这一点被认为是量子物理学诞生的标志！ 1905年，A.爱因斯坦提出光量子（光子）假说，成功的解释了光电效应，在此基础上，于1909年进一步提出光的波粒二象性理论。 光电效应的历史 (1) H.R. Hertz, 1886，在用莱顿瓶放电的实验中，当紫外线照在火花隙的负极上，放电比较容易发生。 W. Hallwach, 1888，清洁而绝缘的锌板在紫外线照射下获得正电荷，而带负电的板在光照射下失掉其负电荷。 J.J. Thomson, 1899，阴极射线由电子组成 光电效应的历史 (2) Phillipp Lenard, 1902，金属在紫外线照射下发射电子 Albert Einstein, 1905，光量子假说 Robert Andrews Millikan, 1916，验证爱因斯坦的光电效应量子公式，并精确测定了普朗克常量。 外光电效应 真空管 光照射某种物质，致使部分电子逃逸 物质表面。这些电子被称为光电子。 光电倍增管 (Photomultiplier) 经典麦克斯韦尔理论的推论 相比与蓝光，红光具有更长的周期，因而红光与电子的相互作用时间更长，这使得红光比蓝光更容易使电子逸出。 若入射单色光的光强增强，则会有更多的电子逸出，且这些电子的能量也相应增大。 由于弱光的能量相当小，因此在弱光的条件下，电子需要更多的时间才能逸出。 入射波的能量将由上百万个电子分享。 爱因斯坦光子假说 光子仍保持频率及波长的概念。 电磁场和物质相互交换的能量不是连续分布的， 而是集中在一些叫光子(或光量子)的粒子上。 爱因斯坦公式 (1) 脱出功 电子动能 金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功，另一部分变为光电子的动能。 光电效应的解释 截止频率ν0（红限）- 只有当入射光频率νν0时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应 遏止电压 - 初动能及反向遏止电压与ν成正比 效应瞬时性 - 电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关 1913年，N.玻尔(1885-1962)提出定态跃迁假设，建立了原子中电子运动的量子理论，成功解释了氢原子光谱结构。 氢原子光谱-棱镜光谱仪 Source Slit Prism Screen 氢原子光谱 里德伯公式 n=1, =2,3,4,… 紫外区，赖曼系 n=2, =3,4,5,… 可见区，巴耳末系 n=3, =4,5,6,… 红外区，帕邢系 卢瑟福的原子模型 卢瑟福的有核模型 原子中的正电荷集中在占原子大小万分之一的小范围内. 玻尔的氢原子模型 原子的稳定状态，即定态只可能是某些具有一定的分离值能量(E1, E2, E3,…)的状态。 原子处于定态时是不辐射的。 由于某种原因，电子可以从一个能级En跃迁到另外一个较低(高)的能级Em 。此时，将发射(吸收)一个光子，光子的能量为