原子物理学第2章

低温物体发出的是红外光 炽热物体发出的是可见光 高温物体发出的是紫外光
一个200W的白炽灯 亮、刺眼
二、Planck的能量量子假说
单色辐射本领：单位时间内从物体单位表面向前
方半球发出的波长在 附近单位波
长间隔内的电磁波的能量M()。
总辐射本领：各种波长辐射的总和。 总辐出本领只是物体温度的函数。
连续光谱
Na
H
线状光谱
Hg
Cu
钠的吸收光谱 太阳光谱
二、氢原子光谱
1853年瑞典人 埃格斯特朗 （A.J.Angstrom） 测得氢可见光光谱
6562.8Å 红 4861.3Å 蓝 4340.5Å 紫
Hα
H
H H
巴尔末线系的前4条谱线
1、Balmer公式
到1885年，已观察到氢的14条光谱线（可见光区）
物理学晴朗天空中 的一朵乌云!
维恩公式 (1896年) 试验曲线

Wilhelm Wien 德国 1864-1928 1911年诺贝尔物理学奖获得者
Lord Rayleigh 英国 1842-1919 1904年诺贝尔物理学奖获得者
二、Planck的能量量子假说
5、普朗克“孤注一掷”的努 力
1). 黑体辐射公式 1900.10.19, 普朗克在德国物理学会会议 上提出一个拼凑出来的黑体辐射公式
钢水
低温物体发出的是红外光， 炽热物体发出的是可见光， 高温物体发出的是紫外光。
运动时人体各 部分温度分布
头部各部分温度不同，它们的 热辐射存在差异，这种差异可 通过热象仪转换成可见光图像。
红外夜视图
二、Planck的能量量子假说
2. 对热辐射的初步认识
(1) 任何物体任何温度均存在热辐射； (2) 热辐射谱是连续谱； 直觉: (3) 热辐射谱与温度有关： 温度 发射的能量 电磁波的短波成分 一个20W的白炽灯 昏黄色
爱因斯坦的评价：
1918年4月在普朗克六十岁生日庆祝会上的讲话：
“在科学的殿堂里有各种各样的人：有人爱科学 是为了满足智力上的快感；有的人是为了纯粹功利的 目的。而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那些普 遍的基本规律， … …他成了一个以伟大的创造性观 念造福于世界的人。”
二战后，德国科学界遭受重创，普朗克临危受命， 领导了德国科学事业的重建和复兴：Max Planck学会
Lord Kelven(W.Thomson)：
物理学已经被认为是完成了，下一代物理学家可做的事情 看来已经不多了。 在物理学平静而晴朗的天空出现了两朵令人不安的乌云。
第一朵乌云：Michelson-Morley实验——否定以太的存在
第二朵乌云：黑体辐射实验——无法用经典理论解释
两场暴雨——物理学的革命：
“一定要不惜任何代价，找到一个理论根据！”
1900.12.14普朗克在德国物理学会上报告 了论文“关于正常谱中能量分布的理论”
量子力学 的生日
腔 壁 上 的 原 子
基本物理思想：
• 辐射黑体中的分子和原子可看做线性 谐振子； • 振动时辐射或吸收能量时，
能 电 量 磁 波
谐振子能量的变化是 hv 的整数倍.
三、Einstein光量子假说
1、光电效应现象
光特别是紫外光照射到 金属表面时，有电子从金属 表面逸出的现象。所逸出的
电子称为光电子，所形成的
电流称为光电流。
三、Einstein光量子假说
2、光电效应的经典解释遇到的困难
矛盾一：经典理论认为，光电流的大小由光强决定； 而光电效应实验中光电流与光强无关。
第二章 原子的量子态：Bohr理论
内容：
1、能量量子假说、光量子假说 2、Bohr氢原子理论
3、实验验证之一：光谱
4、实验验证之二: F-K实验 5、对应原理、Bohr理论的意义和困难
重点：Bohr模型及其对氢原子的解释、对应原理
§6、能量量子假说与光量子假说
开尔文勋爵
(J.J.Thomso 经典力学、经典电磁场理论、经典统计力学n)
§2.2 氢原子光谱
一、光谱知识
1、光谱与光谱仪
光谱是电磁辐射（不论在可见区与否）的波长成分和强 度分布的记录；有时只是波长成分的记录。
光谱是研究原子结构的重要途径之一。
光谱仪：能将混合光按不同波长成分展成光谱的仪器。
不同波长的光线会聚在屏上的不同位臵，因此谱线的位臵 就严格地与波长的长短相对应。
Planck的能量量子假说：启示
普朗克成功的根源：大胆突破与创新，提出与经典物理 相矛盾的量子化概念
物理思想的革命：微观世界与宏观世界不同，物理量的 数值不一定连续变化，这就是微观世界的量子化特性 普朗克一直为量子化假设感到遗 憾，为推翻自己的理论 奋斗了10年：量子论是一个经典理论无法取代的学说 二战后，德国科学界遭受重创，普朗克临危受命，领导 了德国科学事业的重建和复兴：Max Planck学会
第一朵乌云——相对论；第二朵乌云——量子力学
二、Planck的“孤注一掷”——能量量子假 说
1、热辐射
由于分子热运动导致物体辐射电磁波, 温度不同时，辐射的波长分布不同。 例如：铁块温度升高，则从看不出 发光到发出暗红到橙色到黄白色的光。 这种与温度有关的辐射称为热辐射。 热辐射---热能转化为电磁能的过程。
二、Planck的能量量子假说
黑体是由带电的线性谐振子所组成，这些谐振子
的能量是不能连续变化的，只能取一些分立值，这些 分立值是最小能量 0 的整数倍，即 0 , 20、 3 0 …… 称为谐振子的能级。频率为的谐振子的最小 能量 0 =hν 称为能量子。黑体在辐射和吸收能量时是以能量
7、后话
经典物理概念在人们心中有着十分深刻的烙印
普朗克一直为量子化假设感到遗 憾： 提出这一假设是一个绝望的行动。 要不惜任何代价找到一个(符合经典概念的)理论解释 他提出量子概念用了6年，试图找到经典解释奋斗了 10年。 人们从普朗克假设的成功得到了启发，也从 他十年 努力的失败中受到了教益，从反面认识到量 子化假设是一个经典理论无法取代的崭新学说。
瑞利金斯公式 1900年瑞利和金斯利用经典力学与统计物 理导 出：
E ( ) C3T
4
这个公式在长波方面与实验符合很好， 但短波方面与实验差别较大，在 λ0 时引起发散，称为“紫外灾难”。
由经典理论导出的 MB(T)～ 公式与实验结果不符！
MB “紫外灾难”
瑞利 — 金斯公式 (1900年)
在物理学晴朗天空的远处还有两朵小小的、令人不安的乌云
（1）“紫外灾难”，经典理论得出的瑞利－金斯公式， 在高频部分趋无穷。
（2）“以太漂移”，迈克尔逊－莫雷实验表明，不存 在以太。
目前两大困惑：“夸克禁闭”和“对称性破缺” （1990年代提 法）
目前两大困惑：“暗物质”和“暗能量”
一、物理学天空的两朵乌云
1923—Nobel-P 频率为 的单色光其一颗的能量为 =h ，这一 颗称为光量子，简称光子Photon。
应用光量子假说，Einstein成功地解释了光电效应！
三、Einstein光量子假说
4、启示
光电效应难题的解决又是与普朗克常数 h 相联系的， 它又一次出现在经典概念发生困难的地方。 这不是偶然的：在经典概念发生困难的“微观领域”， 常数 h 一定会发挥重大作用。 量子假说提出后虽然受到包括Planck本人的“非难”， 但年轻的Einstein以敏锐的洞察力和敢于“离经叛道” 的胆略和勇气，接受、捍卫并发展了量子假说，取得了 成功，成为量子理论的奠基人之一 1923—Nobel-P
“紫外灾难”－经典物理有难
经典物理的困难
为了解释黑体辐射实验规律，19世纪末许多物理学 家试图用经典物理学理论导出一个与实验曲线符合的解 析函数式，但他们都失败了。以下两个最为典型：
维恩公式
1896年维恩从热力学理论出发导出
E ( ) C1 e
5

C2 T
这个公式在短波方面与实验一致， 但长波方面与实验差别较大。
2πh M (T ) 2 h / kT c e 1
3
h 6.55 10
34
J s
M.Planck 德国人 1858－1947
普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖
实验物理学家鲁本斯（Rubens）把它同最新的实验结果 比较，发现它在全波段与实验结果惊人地符合。
2). 普朗克的能量子假说
子的形式进行的。 1900年12月14日，在柏林德国物理学的一次会 议上报告了他的成果，这一天被定为量子论的生日。
二、Planck的能量量子假说 6、启发
普朗克量子假设解决了经典物理在热辐射实验规律 上所遇到的不可克服的困难。成功的根源在于大胆地提 出与经典物理相矛盾的量子化概念。 这是物理思想上的一次重大变革。它使人们开始认 识到与宏观世界不同，在微观世界，物理量的数值不一 定连续变化，这就是微观世界的量子化特性。 。 其次，普朗克常数 h 有着十分重要的意义，微观领 域中许多重要理论的建立都与它有关。
3. 黑体辐射实验规律
1) 维恩位移定律： 峰值波长 m 与温度 T 成反比
10 MB (10-7 W / m2 · m)
6000K
m T b
b = 2.897756×10-3 m· K
维恩获得 1911年诺 贝尔物理 学奖。
可见光
5
5000K
2) 斯特藩 - 玻耳兹曼定律
或
M B (T ) T
Planck在德国科学界享有极高的威望！
7、后话
正因为普朗克的量子假设与经典物理的概念是如此不 同，因此五年之内无人问津！
1905年，爱因斯坦对它作了发展。提出光量子假说， 用 E=h 成功地解释了“光电效应”实验规律。 那么，为什么看不出经典粒子能量的不连续性呢？