物理学史上的两朵乌云ppt课件
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物理学发展史上的两朵乌云
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Байду номын сангаас “电磁质量”的发现
在研究阴极射线并测量其荷质比时，人们遇到了一个奇特现象，电子的质量 会随速度的增加而增加，这一事实为爱因斯坦狭义相对论提供了重要依据。1878 年罗兰用实验演示了运动电荷产生磁场的事实，促使人们开始研究运动带电体的 问题。1881 年，J.J.汤姆生首先提出，既然带电体运动要比不带电体需要外界 作更多的功，带电体的动能就要比不带电体大，换言之，带电体应具有更大的质 量。后来，人们用“电磁质量”来代表这一部分增加的质量。这时，电子已经发 现，电子已被认为是物质的最小组成部分。人们开始注意在实验中研究电磁质量 问题。
1871 年，英国物理学家瓦尔利从阴极射线在磁场中受到偏转的事实，提出 这一射线是由带负电的物质微粒组成的设想。他的主张得到本国人克鲁克斯和舒 斯特的赞同。于是在19 世纪的后30 年，形成了两种对立的观点：德国学派主张 以太说，英国学派主张带电微粒说。双方争持不下，谁也说服不了谁。为了找到 有利于自己观点的证据，双方都做了许多实验。克鲁克斯证实阴极射线不但能传 递能量，还能传递动量。他认为阴极射线是由于残余气体分子撞到阴极，因而带 上了负电，又在电场中运动形成“分子流”。以太论者不同意这一说法，用实验 加以驳斥。哥尔茨坦做了一个很精确的光谱实验。他用一根特制的L 形放电管， 电极A、B 可以互换，轮流充当阴极，用光谱仪观测谱线。如果阴极射线是分子 流，它发出的光应产生多普勒效应，即光的频率应与分子流速度方向有关。可是， 不管是那一端发出阴极射线，谱线的波长都没有改变。这就证明了分子流之说站 不住脚。以太论者认为这是对以太说的一个支持。
1901 年考夫曼用β射线做实验，证实电子的质荷比确随速度的增大而增大。 第一次观测到了电磁质量。1903 年，阿伯拉罕用经典电磁理论系统地研究了电 磁质量问题，导出了电磁质量随速度变化的关系。1904 年，洛仑兹把收缩假设 用于电子，推出关系;这个关系也可以从爱因斯坦的狭义相对论推导出来，所以 叫洛仑兹-爱因斯坦公式。然而，考夫曼的进一步实验却倾向于经典理论，他宣 称：“量度结果与洛仑兹-爱因斯坦的基本假设不相容。”对此，爱因斯坦在 1907 年写道：“阿伯拉罕的电子运动理论所给出的曲线显然比相对论得出的曲 线更符合于观测结果。但是，在我看来，那些理论在颇大程度上是由于偶然碰巧 与实验结果相符。因为它们关于运动电子质量的基本假设不是从总结了大量现象 的理论体系得出来的。”果然，不久后，好几个地方做了新的实验，证明爱因斯 坦的结果符合实际。就这样，从经典物理学提出的电磁质量问题，反而成了相对
Байду номын сангаас “电磁质量”的发现
在研究阴极射线并测量其荷质比时，人们遇到了一个奇特现象，电子的质量 会随速度的增加而增加，这一事实为爱因斯坦狭义相对论提供了重要依据。1878 年罗兰用实验演示了运动电荷产生磁场的事实，促使人们开始研究运动带电体的 问题。1881 年，J.J.汤姆生首先提出，既然带电体运动要比不带电体需要外界 作更多的功，带电体的动能就要比不带电体大，换言之，带电体应具有更大的质 量。后来，人们用“电磁质量”来代表这一部分增加的质量。这时，电子已经发 现，电子已被认为是物质的最小组成部分。人们开始注意在实验中研究电磁质量 问题。
1871 年，英国物理学家瓦尔利从阴极射线在磁场中受到偏转的事实，提出 这一射线是由带负电的物质微粒组成的设想。他的主张得到本国人克鲁克斯和舒 斯特的赞同。于是在19 世纪的后30 年，形成了两种对立的观点：德国学派主张 以太说，英国学派主张带电微粒说。双方争持不下，谁也说服不了谁。为了找到 有利于自己观点的证据，双方都做了许多实验。克鲁克斯证实阴极射线不但能传 递能量，还能传递动量。他认为阴极射线是由于残余气体分子撞到阴极，因而带 上了负电，又在电场中运动形成“分子流”。以太论者不同意这一说法，用实验 加以驳斥。哥尔茨坦做了一个很精确的光谱实验。他用一根特制的L 形放电管， 电极A、B 可以互换，轮流充当阴极，用光谱仪观测谱线。如果阴极射线是分子 流，它发出的光应产生多普勒效应，即光的频率应与分子流速度方向有关。可是， 不管是那一端发出阴极射线，谱线的波长都没有改变。这就证明了分子流之说站 不住脚。以太论者认为这是对以太说的一个支持。
1901 年考夫曼用β射线做实验，证实电子的质荷比确随速度的增大而增大。 第一次观测到了电磁质量。1903 年，阿伯拉罕用经典电磁理论系统地研究了电 磁质量问题，导出了电磁质量随速度变化的关系。1904 年，洛仑兹把收缩假设 用于电子，推出关系;这个关系也可以从爱因斯坦的狭义相对论推导出来，所以 叫洛仑兹-爱因斯坦公式。然而，考夫曼的进一步实验却倾向于经典理论，他宣 称：“量度结果与洛仑兹-爱因斯坦的基本假设不相容。”对此，爱因斯坦在 1907 年写道：“阿伯拉罕的电子运动理论所给出的曲线显然比相对论得出的曲 线更符合于观测结果。但是，在我看来，那些理论在颇大程度上是由于偶然碰巧 与实验结果相符。因为它们关于运动电子质量的基本假设不是从总结了大量现象 的理论体系得出来的。”果然，不久后，好几个地方做了新的实验，证明爱因斯 坦的结果符合实际。就这样，从经典物理学提出的电磁质量问题，反而成了相对
物理学史上的两朵乌云
1.物质波的引入 光具有粒子性，又具有波动性。
光子能量和动量为 E h
P h
m h
c
上面两式左边是描写粒子性的 E、P；右边是描写
波动性的 、。 将光的粒子性与波动性联系起来。
1923年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大 胆地设想，对于光子的波粒二象性会不会也适用于实 物粒子。
一切实物粒子都有具有波粒二象性。
A
W 石英窗
K
阴
极
G
A
极
将换向开关反接，电场反向， 则光电子离开阴极后将受反向电 场阻碍作用。
当 K、A 间加反向电压，光
电子克服电场力作功，当电压达
V
到某一值 Uc 时，光电流恰为0。
Uc称遏止电压。
1 2
mevc
2
eU c
K阴
极
G
光电效应的实验规律
光电效应实验装置 光电效应伏安特性曲线
M 0 (T )
实验值 一朵令人不安的乌云。
紫
普朗 克线
外 灾 难
瑞利--金斯线
维恩线
o1 2 3 4 5
6 78
/μm
2.能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看
作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但
是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状
态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可 具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε（称为
x px 2
y py 2
z pz 2
首先由海森堡给出(1927) 海森堡不确定性关系 (海森堡测不准关系)
二、不确定关系
它的物理意义是，微观粒子不可能同时具有确定的位置和动
量。粒子位置的不确定量 x 越小，动量的不确定量 Ρx
物理学发展史上的两朵乌云
3．用不同方法测阴极射线的荷质比。一种方法是在管子两侧各加一通电线圈， 以产生垂直于电场方向的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴 极射线的荷质比e/m 与微粒运动的速度。另一种方法是测量阳极的温升，因为阴 极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。J.J.汤姆生把热电偶接到阳极，测 量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线 在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度。
1895 伦琴 发现X 射线 1896 贝克勒尔 发现放射性 1896 塞曼 发现磁场使光谱线分裂 1897 J ． J ．汤姆生 发现电子 1898 卢瑟福 发现α 、β 射线 1898 居里夫妇 发现放射性元素钋和镭 1899 — 1900 卢梅尔和鲁本斯等人 发现热辐射能量分布曲线偏离维恩分布律 1900 维拉德 发现γ 射线 1901 考夫曼 发现电子的质量随速度增加 1902 勒纳德 发现光电效应基本规律 1902 里查森 发现热电子发射规律 1903 卢瑟福和索迪 发现放射性元素的蜕变规律
物理学史
李宏荣
古代物理学发展
第五章
辉煌的物理大厦与两朵乌云
19 世纪末，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门——力学、热力学 和分子运动论、电磁学以及光学，都已经建立了完整的理论体系，在应用上也取 得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶，伟大的发现不会 再有了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正，使常数测得更精确而已。 然而，正在这个时候，从实验上陆续出现了一系列重大发现，打破了沉闷的空气， 把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。 年代人物贡献
哥尔茨坦的光谱实验
舒斯特则将带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片，带正电的部分被 阴极俘获，电极间只留下带负电的部分，因而形成阴极射线。1890 年，他根据 磁偏转的半径和电极间的电位差估算带电微粒的荷质比，得到的结果在 5×106 库仑/千克至1×1010 库仑/千克之间，与电解所得的氢离子的荷质比108 库仑/ 千克相比，数量级相近。 赫兹和他的学生勒纳德也做了许多实验来证明自己的以太理论。赫兹做的真 空管中电流分布的实验，“证明”阴极射线的走向与真空管中电流的分布何偏 转。这两个实验不成功的原因是因为当时不了解低压状态下气体导电机制的复杂 性。遗憾的是，赫兹以此作为阴极射线不带电的证据，更加坚持以太说。赫兹做 的另一实验则是成功的。1891 年，他注意到阴极射线可以象光透过透明物质那 样地透过某些金属薄片。1894 年，勒纳德发表了更精细的结果。他在阴极射线 管的末端嵌上厚仅0.000265 厘米的薄铝箔作为窗口，发现从铝窗口会逸出射线。 在空气中穿越约1 厘米的行程。他们认为这又是以太说的有力证据，因为只有波 才能穿越实物。 微粒说者也在积极寻找证据。1895 年法国物理学家佩兰将圆桶电极安装在 阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷。结果确是负电。他支持带电微粒 说，发表论文表示了自己的观点。但是他的实验无法作出判决性的结论。因为反 对者会反驳说：佩兰测到的不一定就是阴极射线所带的电荷。
物理学史的两朵乌云
一、第一朵乌云
• 内容：迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说 破灭
• 内容介绍 1、迈克尔逊—莫雷实验介绍
1、问题：当时认为光的传播介质是“以 太”，由此产生了一个新的问题：地球 以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必 须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面 吹来，同时，它也必须对光的传播产生 影响。 2、实验： ①1887年，阿尔贝特· 迈克尔逊（后来成 为美国第一个物理诺贝尔奖获得者）和 爱德华· 莫立在克里夫兰的卡思应用科学 学校进行了非常仔细的实验。目的是测 量地球在以太中的速度(即以太风的速度)。
• 这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。 它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论 在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整 个经典物理学的“灾难”。
• 自己的一些体会： • 1、还有许多难题等着我们去解决，要始终 保持一颗探索的心去观察世界。 • 2、年轻人是科研的主力军，我们要发挥青 年才智，现在努力学习科学知识，随时准 备报效祖国。
物理学史的两朵乌云
By-威廉汤姆森
1、光的波动理论
2、关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论
4+4（1701） 万遂
1、内容简介
• 一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释， 牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效 的工具。对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电 磁场理论，这是电磁场统一理论。 • 作为一个完整的体系，那是建立得足够牢固的。而 理论物理学正在明显地接近于几何学在数百年中所 已具有的那样完美的程度。 • 开尔文对物理学成就的评价言之过激，但他能够在 此万里晴空中发现“两朵乌云”并为之忧心忡忡， 足见他富有远见。物理学发展的历史表明，正是这 两朵小小的乌云，终于酿成了一场大风暴。
•
两朵乌云
第一朵乌云出现在光的波动理论上，----迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质―“以太”，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。
这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。
为了观测“以太风”是否存在，迈克耳逊）与莫雷合作，在克利夫兰进行了一个著名的“迈克耳逊－莫雷实验”，但是实验结果和却以太漂移说相矛盾。
使科学家处于左右为难的境地。
他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。
如果他们不敢放弃以太，那末，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。
第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。
——黑体辐射与“紫外灾难”。
19世纪末，卢梅尔等人的著名实验―黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。
为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。
但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。
所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。
它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。
19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。
会上，英国著名物理学家W．汤姆孙（即开尔文勋爵）发表了新年祝词。
他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。
同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了……第一朵乌云出现在光的波动理论上……第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。
物理学史上的两朵乌云
G
V
•当入射光频率 < c时，无论光强多大也无电子逸出金 属表面。 ③光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需 时间<10-9s。
3.爱因斯坦的光量子假设 1.内容 光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出 现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为 的光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流，这 些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。 2.爱因斯坦光电效应方程 在光电效应中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A，另一部分变为光电子逸出后 的动能 Ek 。由能量守恒可得出： h E W
x p x 2 y p y 2 z p z 2
首先由海森堡给出(1927) 海森堡不确定性关系 (海森堡测不准关系)
二、不确定关系
它的物理意义是，微观粒子不可能同时具有确定的位置和动 量。粒子位置的不确定量 x 越小，动量的不确定量 Ρx 就越大，反之亦然。因此不可能用某一时刻的位置和动量描 述其运动状态。轨道的概念已失去意义，经典力学规律也不 再适用。 ----------微观粒子的“波粒二象” 性的具体体现
M 0 (T )
实验值
紫 外 普 灾 朗 难 克 线
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一朵令人不安的乌云。
瑞利--金斯线
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2.能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看
作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但 是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状
态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可
2.光电效应的实验规律 1. 光电效应实验 光线经石英窗照在阴极上， 便有电子逸出----光电子。
历史上物理学晴空的两朵“乌云”
历史上物理学晴空的两朵“乌云”
大家知道，被加热的物体开始时会发出红光，随着温度上升，光的颜色逐渐由红变黄又向蓝白色过渡，这种以电磁波的形式向外传递能量的现象就叫热辐射。
由于光的颜色随温度变化而有规律地变化，所以有经验的炼钢工人能凭钢水的颜色就可判断其温度。
任何物体，不论温度高低，都要以电磁波的形式向外辐射能量。
为了从理论上总结热辐射规律，19世纪物理学家导出了热辐射物体的能量按发光波长分布的两个公式：维恩公式和瑞利一金斯公式。
然而，这两个公式算出的结果，不是在长波方面就是在短波方面与实验结果不符，物理学家为此伤透了脑筋。
经典物理学遇到的另一个困难，是如何解释迈克尔孙一莫雷实验的结果。
按照经典物理学的观点，任何一种波动的传播都需要有一种媒介物，比如声波主要依靠空气传播，月球上没有空气，人们讲话就听不见。
为了解释光的传播，物理学家不得不假设，在宇宙空间到处存在一种静止的传光媒质——以太。
由于地球在以太的“海洋”中绕太阳公转，因而在地球表面理应存在以每秒30公里运动的以太流。
迈克尔孙一莫雷实验就是为了证实以太的存在，但实验结果却令人大失所望，这使物理学家陷入左右为难的境地：要么放弃“以太说”，要么否定比这更重要的哥白尼的“地动说”。
上述两个难题形成了本世纪初物理学晴朗天空中的“两朵乌云”。
出乎人们意料的是，这两朵乌云给物理学界带来了革命风暴，使物理学家发现了“新大陆”——“量子论”和“相对论”，将人类对物质世界的认识向前推进了一大步。
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遏止电压
阳A
极
将换向开关反接，电场反向， 则光电子离开阴极后将受反向电 场阻碍作用。
当 K、A 间加反向电压，光
电子克服电场力作功，当电压达
V
到某一值 Uc 时，光电流恰为0。
Uc称遏止电压。
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2 m v eU e c
c 精选PPT课件
K阴
极
G
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光电效应的实验规律
光电效应实验装置 光电效应伏安特性曲线
实物粒子的波称为德布罗意波或物质波，物质波的波 长称为德布罗意波长。
2.德布罗意关系式
德布罗意把爱因斯坦对光的波粒二象性描述应用 到实物粒子，
动量为 P 的粒子波长： h h h P mv m e v
德布罗意公式
德布罗意是第一个由于博士论文（提出的物质波的假
设）获得了诺贝尔奖。
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首先由海森堡给出(1927) 海森堡不确定性关系 (海森堡测不准关系)
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二、不确定关系
它的物理意义是，微观粒子不可能同时具有确定的位置和动
量。粒子位置的不确定量 x 越小，动量的不确定量 Ρ x
就越大，反之亦然。因此不可能用某一时刻的位置和动量描 述其运动状态。轨道的概念已失去意义，经典力学规律也不 再适用。
3
e0(,T)
实验结果
λ
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1
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6 (μm)4
黑体辐射实验是物理学晴朗天空中
M0(T)
实验值 一朵令人不安的乌云。
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物理学史上的两朵乌云
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实验值
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二、光电效应
1.什么是光电效应
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当光线 照射在金属 表面时，金 属中有电子 逸出的现象， 称为光电效 应。逸出的 电子称为光 电子。
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2.光电效应的实验规律
1. 光电效应实验
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黑体模型
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实验结果
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黑体辐射实验是物理学晴朗天空中
M0(T)
实验值 一朵令人不安的乌云。
紫
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外 灾 难
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“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令
人不2021安/3/2的7 乌云，----”
CHENLI
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一、普朗克能量子假说
这两朵乌云是指什么呢？
一朵与黑体辐射有关，
另一朵与迈克尔逊实验有关。
然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第
一朵乌云中降生了量子论，紧接着
(1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。
子沿光的传播方向以光速 c 运动。
2.爱因斯坦光电效应方程
在光电效应中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A，另一部分变为光电子逸出后
的动能 Ek 。由能量守恒可得出： h Ek W0
W 为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；
“两朵乌云”PPT20页
“两朵乌云”
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之
物理学史上的两朵乌云
一切实物粒子都有具有波粒二象性。
实202物1/3/粒27 子：静止质量不为C零HEN的LI 那些微观粒子。
16
实物粒子的波粒二象性的意思是：微观粒子既表现出 粒子的特性，又表现出波动的特性。
实物粒子的波称为德布罗意波或物质波，物质波的波 长称为德布罗意波长。
2.德布罗意关系式
德布罗意把爱因斯坦对光的波粒二象性描述应用 到实物粒子，
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令
人不2021安/3/2的7 乌云，----”
CHENLI
1
一、普朗克能量子假说
这两朵乌云是指什么呢？
一朵与黑体辐射有关，
另一朵与迈克尔逊实验有关。
然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第
一朵乌云中降生了量子论，紧接着
(1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。
就越大，反之亦然。因此不可能用某一时刻的位置和动量描 述其运动状态。轨道的概念已失去意义，经典力学规律也不 再适用。
----------微观粒子的“波粒二象” 性的具体体现
2021/3/27
CHENLI
19
完
2021/3/27
20
子沿光的传播方向以光速 c 运动。
2.爱因斯坦光电效应方程
在光电效应中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A，另一部分变为光电子逸出后
的动能 Ek 。由能量守恒可得出： h Ek W0
W 为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；
1 0 E m v k
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黑体模型
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实验结果
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实202物1/3/粒27 子：静止质量不为C零HEN的LI 那些微观粒子。
16
实物粒子的波粒二象性的意思是：微观粒子既表现出 粒子的特性，又表现出波动的特性。
实物粒子的波称为德布罗意波或物质波，物质波的波 长称为德布罗意波长。
2.德布罗意关系式
德布罗意把爱因斯坦对光的波粒二象性描述应用 到实物粒子，
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令
人不2021安/3/2的7 乌云，----”
CHENLI
1
一、普朗克能量子假说
这两朵乌云是指什么呢？
一朵与黑体辐射有关，
另一朵与迈克尔逊实验有关。
然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第
一朵乌云中降生了量子论，紧接着
(1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。
就越大，反之亦然。因此不可能用某一时刻的位置和动量描 述其运动状态。轨道的概念已失去意义，经典力学规律也不 再适用。
----------微观粒子的“波粒二象” 性的具体体现
2021/3/27
CHENLI
19
完
2021/3/27
20
子沿光的传播方向以光速 c 运动。
2.爱因斯坦光电效应方程
在光电效应中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A，另一部分变为光电子逸出后
的动能 Ek 。由能量守恒可得出： h Ek W0
W 为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；
1 0 E m v k
2 2021/3/27
2 e
2021/3/27
黑体模型
CHENLI
3
e0(,T)
实验结果
λ
01 2021/3/27
浅谈物理学的两朵乌云课件
浅谈物理学的两朵乌云
主讲人：***
如果你完全不懂量子力学，请放心大 胆地听下去，我保证不用任何公式就能让 你秒懂，连1+1=2的幼儿园数学基础都不 需要。
如果你自以为懂量子力学，请放心大 胆地往下听，我保证你听完仰天长叹：什 么是量子力学啊？
正如量子力学大师费曼所说：没有人懂量子力学。如果你觉得懂 了，那肯定不是真懂。
第一朵乌云——光的波动理论
当时人们普遍认为以太是假想的电磁波的传播媒介（古希腊哲学家亚里士多德假想的一种物 质），当时迈克尔逊和莫雷想用实验证明光以太的存在，这就有了著名的迈克尔逊-莫雷实验。
结果表明真空中的光速是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。
第二朵乌云——黑体辐射理论
黑体辐射定律:在一定温度T下，从一个黑体中发射出的电磁辐射的辐射率和频率 之间的关系。
由于海森堡和薛定谔在量子力学建立开创性的工作， 他们分别获得了1932年、1933年的诺贝尔物理学奖。
物理史最豪华阵容的精彩对决
第五届索尔维会议
玻派
爱派
上帝到底掷不掷骰子？
量子力学的创始人爱因斯坦，德布罗意，薛定谔因 不能接受量子力学太多的概率成分和不确定因素，而站 到了量子力学的对立面。于是形成了以爱因斯坦为首的 反对派和以玻尔为首的哥本哈根诠释拥护派两大阵营。 他们开始了长久的论证。1935年，薛定谔提出了著名的 薛定谔猫，爱因斯坦提出EPR佯谬，所以就有了那句名 言：“上帝不掷骰子！”。
在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解 释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于 1923年提出了物质波这一概念。认为一切微观粒子均伴随着 一个波，这就是所谓的德布罗意波。德布罗意可以说是一个 奇才，本来是个研究欧洲历史的，半路出家学了物理。德布 罗意在他五年的研究生生涯几乎一无事成，他的博士论文也 就一页多一点，他的导师朗之万拿着他的博士论文不知怎么 办，就寄给了爱因斯坦，爱因斯坦拿着德布罗意的论文决定 很有意思，于是德布罗意就顺利拿到了博士学位。
主讲人：***
如果你完全不懂量子力学，请放心大 胆地听下去，我保证不用任何公式就能让 你秒懂，连1+1=2的幼儿园数学基础都不 需要。
如果你自以为懂量子力学，请放心大 胆地往下听，我保证你听完仰天长叹：什 么是量子力学啊？
正如量子力学大师费曼所说：没有人懂量子力学。如果你觉得懂 了，那肯定不是真懂。
第一朵乌云——光的波动理论
当时人们普遍认为以太是假想的电磁波的传播媒介（古希腊哲学家亚里士多德假想的一种物 质），当时迈克尔逊和莫雷想用实验证明光以太的存在，这就有了著名的迈克尔逊-莫雷实验。
结果表明真空中的光速是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。
第二朵乌云——黑体辐射理论
黑体辐射定律:在一定温度T下，从一个黑体中发射出的电磁辐射的辐射率和频率 之间的关系。
由于海森堡和薛定谔在量子力学建立开创性的工作， 他们分别获得了1932年、1933年的诺贝尔物理学奖。
物理史最豪华阵容的精彩对决
第五届索尔维会议
玻派
爱派
上帝到底掷不掷骰子？
量子力学的创始人爱因斯坦，德布罗意，薛定谔因 不能接受量子力学太多的概率成分和不确定因素，而站 到了量子力学的对立面。于是形成了以爱因斯坦为首的 反对派和以玻尔为首的哥本哈根诠释拥护派两大阵营。 他们开始了长久的论证。1935年，薛定谔提出了著名的 薛定谔猫，爱因斯坦提出EPR佯谬，所以就有了那句名 言：“上帝不掷骰子！”。
在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解 释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于 1923年提出了物质波这一概念。认为一切微观粒子均伴随着 一个波，这就是所谓的德布罗意波。德布罗意可以说是一个 奇才，本来是个研究欧洲历史的，半路出家学了物理。德布 罗意在他五年的研究生生涯几乎一无事成，他的博士论文也 就一页多一点，他的导师朗之万拿着他的博士论文不知怎么 办，就寄给了爱因斯坦，爱因斯坦拿着德布罗意的论文决定 很有意思，于是德布罗意就顺利拿到了博士学位。
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首先由海森堡给出(1927) 海森堡不确定性关系 (海森堡测不准关系)
18
二、不确定关系
它的物理意义是，微观粒子不可能同时具有确定的位置和动
量。粒子位置的不确定量 x 越小，动量的不确定量 Ρx
就越大，反之亦然。因此不可能用某一时刻的位置和动量描 述其运动状态。轨道的概念已失去意义，经典力学规律也不 再适用。
光子能量和动量为 E h
P h
m h
c
上面两式左边是描写粒子性的 E、P；右边是描 写波动性的 、。 将光的粒子性与波动性联系起来。
1923年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大 胆地设想，对于光子的波粒二象性会不会也适用于 实物粒子。
一切实物粒子都有具有波粒二象性。
实物粒子：静止质量不为零的那些微观粒子。
16
实物粒子的波粒二象性的意思是：微观粒子既表现出 粒子的特性，又表现出波动的特性。
实物粒子的波称为德布罗意波或物质波，物质波的波 长称为德布罗意波长。
2.德布罗意关系式
德布罗意把爱因斯坦对光的波粒二象性描述应
用到实物粒子，
动量为 P 的粒子波长： h
h
h
P mv mev
德布罗意公式
德布罗意是第一个由于博士论文（提出的物质波的假 设）获得了诺贝尔奖。
G
压
Ua
O
U 13
2. 光电效应实验规律
①.光电流与光强的关系
饱和光电流强度与入射光强度成正比。
②.截止频率c ----极限频
率对于每种金属材料，都相应的有一确
定的截止频率c 。 •当入射光频率 > c 时，电子才能逸
出金属表面；
阳A 极
W 石英 窗
K阴 极
G V
•当入射光频率 < c时，无论光强多大也无电子逸出金
M 0 (T )
实验值 一朵令人不安的乌云。
紫
普朗 克
外 灾 难
线
瑞利--金斯线
维恩线
o1 2 3 4 5
6 78
/μm
5
2.能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看
作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但 是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状 态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可 具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε （称为
在光电效应中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A，另一部分变为光电子逸出后
的动能 Ek 。由能量守恒可得出： h Ek W0
W 为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；
0
Ek
1 2
me
v
2
为光电子的最大初动能。
15
三、德布罗意物质波的假设
1.物质波的引入 光具有粒子性，又具有波动性。
属表面。
③光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需
时间<10-9s。
14
3.爱因斯坦的光量子假设
1.内容
光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出
现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为
的光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流，这 些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。
2.爱因斯坦光电效应方程
h 6.551034 Js
M.Planck 德国人 1858－1947 7
e0(,T )
实验值
普朗克
1 2 3 4 5 6 7 8 9 λ (μ 8m)
二、光电效应
1.什么是光电效应
当光线 照射在金属 表面时，金 属中有电子 逸出的现象， 称为光电效 应。逸出的 电子称为光 电子。
9
2.光电效应的实验规律
1. 光电效应实验
阳
极
光线经石英窗照在阴极上， 便有电子逸出----光电子。
A
W 石英窗
K
阴
极
G
光电子在电场作用下形成光电流。
V
10
遏止电压
阳A
极
将换向开关反接，电场反 向，则光电子离开阴极后将受反 向电场阻碍作用。
当 K、A 间加反向电压，光
电子克服电场力作功，当电压达
V
1. 黑体辐射实验规律
能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，
折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体
不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看 作黑体。
研究黑体辐射的 规律是了解一般物体 热辐射性质的基础。
黑体模型
3
e0(,T )
实验结果
λ
0 1 2 3 4 5 6 (μm)4
黑体辐射实验是物理学晴朗天空中
到某一值 Uc 时，光电流恰为0。
Uc称遏止电压。
1 2
mevc 2
eUc
K阴
极
G
11
光电效应的实验规律
光电效应实验装置 光电效应伏安特性曲线
阳A
极
V
K阴
极
遏
止
电
G
压
Uc
I光强较弱OU 12光电效应的实验规律
光电效应实验装置 光电效应伏安特性曲线
阳A
极
V
I
K阴
极
饱
光强较强
和
遏 止
电I s
流
电
光强较弱
能量子）的整数倍，即：ε , 1ε , 2ε , 3ε ,
... nε . n为正整数，称为量子数。
对于频率为ν 的谐振子最小能量为
能量
h
经典 量子
6
普朗克的能量子假说和黑体辐射公式
黑体辐射公式1900.10.19 普朗克在德国物理学会会 议上提出一个黑体辐射公 式
2πh 3
M (T ) c2 eh /kT 1
“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令
人不安的乌云，----”
1
一、普朗克能量子假说
这两朵乌云是指什么呢？
一朵与黑体辐射有关，
另一朵与迈克尔逊实验有关。
然而, 事隔不到一年(1900年底)，就从第 一朵乌云中降生了量子论，紧接着
(1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。 经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学 发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓 “山重水复疑无路, 柳暗花明又一村 2
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文 勋爵作了展望新世纪的发言:
“科学的大厦已经基本完成， 后辈的物理学家只要做一些零碎 的修补工作就行了。”
--开尔文--
也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈 只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点 后面在加几位罢了！
但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家， 就在上面提到的文章中他还讲到：
----------微观粒子的“波粒二象” 性的具体体现
19
17
二、不确定关系
经典力学中，物体初始位置、动量以及粒子所在 力场的性质确定后，物体以后的运动位置就可确定。 但对微观粒子，因具有的波动性，其坐标和动量不能 同时确定。我们不能用经典的方法来描述它的粒子性。
严格的理论给出的不确定性关系为：
x px 2
y py 2
z pz 2