第二章 量子物理学的实验基础.

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1 第二章 量子物理学的实验基础

2 §2.1 引 言 微观粒子与宏观物体并不仅仅是尺度大小的区别，它们的运动规律以及描述它们状态的方式上都存在着质的区别。 经典物理学和量子物理学 经典物理粒子和波粒是两个概念 微观粒子的波粒二象性

3 §2.2 经典物理学中的粒子和波 一、经典物理中的粒子 确定的因果关系 二、经典物理中的波 粒子被视为质点 其状态有它的位矢和速度确定
在惯性参考系中，其运动服从牛顿第二运动定律 确定的因果关系 二、经典物理中的波 波的特征量是波长和频率 波总是展开在空间一定范围内，即非定域性 满足叠加原理，具有干涉和衍射等波特有的性质

4 平面简谐波 相速： 波包 群速：

5 §2.3 黑体辐射 一、热辐射 热辐射 : 由温度决定的物体的 吸收 平衡热辐射：辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化。 辐射
固体在温度升高时颜色的变化，白炽灯灯丝 1400K 800K 1000K 1200K 高温 热辐射 : 由温度决定的物体的 电磁辐射。 吸收 室温 平衡热辐射：辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化。 辐射 白底黑花瓷片 热辐射的特点: (1)连续; (3)频谱分布随温度变化; (2)温度越高,辐射越强; (4)辐射本领越大，吸收本领也越大. Kirchhoff，1859年

6 (单色)辐射本领Rn(T ) ：在一定温度T 下，单位时间从单位表面积黑体上辐射的频率在n 附近单位频率范围内的辐射能。
吸收本领 :在频率ν附近，单位频率间隔内被物体吸收的辐射能 和照射在该物体的辐射能之比。 总辐射本领R(T ) ：  二、Kirchhoff 定律，1859

7 煤烟 三、黑体辐射 绝对黑体(黑体)：能够全部吸收各种波长的辐射且不反射和透射的物体。 黑体表面 约99% 1859年基尔霍夫证明: 温度
黑体模型 1859年基尔霍夫证明: 温度 黑体热辐射 材料性质 与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射本领最强。

8 黑体辐射规律: 1. 斯特藩(1879年) — 玻耳兹曼定律(1884年) 辐射本领与 T 4 成正比. 2. 维恩位移定律(1893年)
1. 斯特藩(1879年) — 玻耳兹曼定律(1884年) R (10-7 × W / m2 · m)  ( m) 10 5 式中 辐射本领与 T 4 成正比. 6000K 2. 维恩位移定律(1893年) 可见光 峰值波长  m 与温度 T 成反比 5000K ●应用: 现代广泛应用于高温测量、遥感、红外追踪等。 4000K 3000K

9  Rl 例 测得太阳光谱的峰值波长在绿光区域，为 m = 0.47 m. 求 估算太阳的表面温度和辐射本领。 解 由维恩位移定律，太阳表面的温度为 辐射本领为 说明 太阳不是黑体，所以按黑体计算出的 Ts 不是太阳的实际温度；R(T) 高于太阳实际辐射本领。

10 四、Planck量子论 1893年Wien利用热力学和电磁学理论得到 Wien公式→Stefan-Boltzmann Wien公式→Wien位移定律 令 方程变为

11 维恩半经验公式(1895年) 据热力学和麦克斯韦分布率
瑞利—金斯公式( 年) 据电磁理论和能量均分定理 普朗克黑体辐射公式(1900年) R  Rayleigh-Jeans 普朗克常数： h = (40)× J·s Wien 为从理论导出这一黑体辐射公式，普朗克提出了能量量子化 假设。 Planck

12 普朗克能量子假设 若谐振子频率为 v ，则其能量是 hv , 2hv, 3hv , …, nhv , …
腔壁上的原子 (谐振子) 普朗克能量子假设 若谐振子频率为 v ，则其能量是 　hv , 2hv, 3hv , …, nhv , … 　 电磁波 能 量 与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化是 hv (能量子) 的整数倍. 说明 首次提出微观粒子的能量是量子化的，打破了经典物理学中能量连续的观念。 （绝望地、不惜任何代价地） 打开了人们认识微观世界的大门,在物理学发展史上起了划时代的作用。

13 Rayleigh-Jeans公式导出

14 Planck公式导出

15 例 由Planck公式导出斯特藩－玻尔兹曼定律和维恩位移定律 解