量子化現(xiàn)象物理學新紀元

量子化現(xiàn)象：物理學新紀元量子物理引言到十九世紀末期，物理學各個分支的發(fā)展都已日臻完善，并不斷取得新的成就。首先在牛頓力學基礎(chǔ)上，哈密頓和拉格朗日等人建立起來的分析力學，幾乎達到無懈可擊的地步，特別是十九世紀中期，海王星的發(fā)現(xiàn)充分表明了牛頓力學是完美無缺的。其次，通過克勞修斯、玻耳茲曼和吉布斯等人的巨大努力，建立了體系完整而又嚴密的熱力學和統(tǒng)計力學，并且應(yīng)用越來越廣泛。由安培、法拉第和麥克斯韋等人對電磁現(xiàn)象進行的深入而系統(tǒng)的研究，為電動力學奠定了堅實的基礎(chǔ)，特別是由麥克斯韋的電磁場方程組預(yù)言了電磁波的存在，隨即被赫茲的實驗所證實。后來又把牛頓、惠更斯和菲涅耳所建立的光學也納入了電動力學的范疇，更是一項輝煌的成就。因此當時許多著名的物理學家都認為物理學的基本規(guī)律都已被發(fā)現(xiàn)，今后的任務(wù)只是把物理學的基本規(guī)律應(yīng)用到各種具體問題上，并用來說明各種新的實驗事實而已。就連當時赫赫有名對物理學各方面都做出過重要貢獻的權(quán)威人物開耳文在一篇于1900年發(fā)表的瞻望二十世紀物理學發(fā)展的文章中也說：“在已經(jīng)基本建成的科學大廈中，后輩物理學家只需要做一些零星的修補工作就行了”，不過接著又指出：“但是在物理晴朗天空的遠處，還有兩朵小小令人不安的烏云”，即運用當時的物理學理論所無法正確解釋的兩個實驗現(xiàn)象，一個是熱輻射現(xiàn)象中的紫外災(zāi)難，另一個是否定絕對時空觀的邁克爾遜--莫雷實驗。正是這兩朵小小的烏云，沖破了經(jīng)典物理學的束縛，打消了當時絕大多數(shù)物理學家的盲目樂觀情緒，為后來建立近代物理學的理論基礎(chǔ)作出了貢獻。事實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。所有這些實驗結(jié)果都是經(jīng)典物理學無法解釋的，它們使經(jīng)典物理處于十分困難境地，為擺脫這種困境，有一些思想敏銳而又不受舊觀念束縛的物理學家紛紛重新思考研究，在二十世紀初期，建立起了近代物理的兩大支柱------量子論和相對論，并在這個基礎(chǔ)上又建立起以研究原子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其運動規(guī)律為目的的原子物理學，后來又進一步發(fā)展，相繼建立起原子核物理學和基本粒子物理學，這些內(nèi)容統(tǒng)稱為量子物理學。第三節(jié)量子化現(xiàn)象19世紀末20世紀初，在研究黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜和原子穩(wěn)定性等問題時發(fā)現(xiàn)，許多現(xiàn)象與經(jīng)典物理學的觀念產(chǎn)生了尖銳的矛盾，暴露了經(jīng)典物理學的局限性，從而引發(fā)了物理學的另一場革命------量子論的建立使人類對物質(zhì)的認識由宏觀世界進入微觀世界。序言黑體輻射光電效應(yīng)原子光譜黑體與黑體輻射第三節(jié)量子化現(xiàn)象1.黑體：如果一個物體能夠吸收照射到它上面的全部輻射而無反射，這種物體就叫做黑體。2.黑體輻射：黑體的溫度升高時可以輻射出任何頻率的電磁波(包括可見光和不可見光)。比如一塊鐵，可以近似看成黑體。黑體輻射的實驗規(guī)律無法用經(jīng)典物理學的理論解釋。一.黑體輻射：能量子假說的提出3.能量子假說：所謂能量子就是能量的最小單元。微觀領(lǐng)域里能量的變化總表現(xiàn)為電磁波的輻射與吸收，不同頻率的電磁波其能量子的值不同，表達式為：

E=hυ其中，υ是電磁波的頻率，h是一個普遍適用的常量，稱作普朗克常量。由實驗測得h＝6.63×10－34J·s。4.能量的量子化在微觀領(lǐng)域里能量的不連續(xù)變化，即只能取分立值的現(xiàn)象，叫做能量的量子化。

——普朗克的能量子假說不僅解決了黑體輻射的理論困難，而且揭開了物理學上嶄新的篇章。第三節(jié)量子化現(xiàn)象二.光子說：對光電效應(yīng)的解釋1.光電效應(yīng)：當光線(包括不可見光)照射到金屬表面時，有電子從金屬表面發(fā)射出來的現(xiàn)象。發(fā)射出來的電子就是光電子。實驗表明，光電效應(yīng)現(xiàn)象能否發(fā)生不是取決于光的強度而是取決于照射光的頻率。極限頻率的存在是與經(jīng)典物理學的理論矛盾最尖銳的地方。2.光子——愛因斯坦光也是一種電磁波。光的最小能量單元就是光子，實際就是一種能量子。其能量為：E=hυ。3.光子說對光電效應(yīng)的解釋：⑴一個電子只能吸收一個光子；⑵電子吸收光子的能量向外“運動”時，要克服金屬的束縛作用而消耗能量(叫做金屬的逸出功)。⑶吸收的光子能量要足夠克服金屬的束縛作用，電子才能夠發(fā)射出來。第三節(jié)量子化現(xiàn)象三.光的波粒二象性：光的本性的揭示結(jié)論：光既具有波的特性又具有粒子的特性。這就是光的波粒二象性。①在宏觀上，大量光子傳播往往表現(xiàn)為波動性；②在微觀上，個別光子在與其他物質(zhì)產(chǎn)生作用時，往往表現(xiàn)為粒子性。1.光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動性；2.光電效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有粒子性。第三節(jié)量子化現(xiàn)象四原子光譜：原子能量的不連續(xù)2.原子光譜的解釋：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，當原子從一種能量狀態(tài)變化到另一能量狀態(tài)時，輻射（或吸收）一定頻率的光子，輻射（或吸收）的光子的能量是不連續(xù)的。1.經(jīng)典理論與實驗的矛盾①經(jīng)典理論：能量是連續(xù)變化的，原子發(fā)光的光譜是連續(xù)譜。②實驗結(jié)論：原子發(fā)光的光譜是不連續(xù)的線狀譜—原子光譜。第三節(jié)量子化現(xiàn)象第三節(jié)量子化現(xiàn)象結(jié)論：量子化現(xiàn)象是微觀世界的普遍現(xiàn)象，這與經(jīng)典理論產(chǎn)生尖銳矛盾。這暴露了經(jīng)典物理學的局限性（宏觀、低速）。從而引發(fā)了物理學的革命——量子論的建立，使人類對物質(zhì)的認識由宏觀世界進入微觀領(lǐng)域。量子論的發(fā)展也改變了人