量子力学知识:量子力学之紫外灾难
从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题
三.爱因斯坦的光子学说(1905)
光不仅在与物质相互作用时(发射和吸收),具有粒子性,而且,在 传播过程中也具有粒子性.
•一个频率为 的光子具有能量 h •能流密度:S nh ,不仅取决于单位面积上的光子数n,
还取决于频率.
U
与入射光的频率成正比.
eVg
1 mv 2 2
I
3.对每一种金属存在
Im
一最低频率-红限频率
Vg
3 2
1
I
Im
31 2
0
V0 红限频率
Vg 0
V
相同频率,
不同入射光强度
Vg3 Vg2 Vg1 0
V
相同入射光强度,
不同频率
截止电压与入射光频率有线性关系:
4.瞬时性:10-9秒.
Vg
K
V0
,
1 2
mv
2
从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题
• 黑体辐射问题. “紫外灾难”;•光电效应、康普顿效应;
•原子的稳定性和大小
§8-1.2.3 黑体辐射 普朗克能量子假说
实验表明:一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量.
辐射的能量与温度有关:热辐射
辐射和吸收的能量恰相等时:热平衡.(温度恒定不变)
1.单色辐出度:
由此可解释:
Im
饱和光电流强度与光强成正比;
31
截止电压与频率成线性关系;
2
红限频率的存在.
Vg3 Vg2 Vg1 0
3 2 1
V
V
四.光子的能量、动量和质量
h
相对论质能关系: h mc 2
“两朵乌云”
历史上物理学晴空的两朵“乌云”在历史跨入新世纪的日子里,英国科学界声名显赫的元老开尔文勋爵,于1900年4月27日在皇家学会发表了一篇著名的讲演。
开尔文勋爵本名威廉〃汤姆逊,是英国杰出的理论和实验物理学家,二十二岁就当上了格拉斯哥大学的自然哲学教授。
他在电磁学和热学研究方面取得了显著的成就,一生共发表了约七百篇科学论文。
从1858年起,他领导完成了横越大西洋、连接欧美两大洲的海底电缆敷设工程。
他还为大不列额建立了第一所物理实验室。
由于卓著的成就和出色的贡献,他于1851年就被选为伦敦皇家学会会员,1890年到1895年担任皇家学会会长,1892年被封为开尔文勋爵。
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。
”第一朵乌云——迈克耳逊-莫雷实验与“以太”说破灭人们知道,水波的传播要有水做媒介,声波的传播要有空气做媒介,它们离开了介质都不能传播。
太阳光穿过真空传到地球上,几十亿光年以外的星系发出的光,也穿过宇宙空间传到地球上。
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”。
最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。
亚里士多德认为下界为火、水、土、气四元素组成;上界加第五元素,“以太”。
牛顿在发现了万有引力之后,碰上了难题:在宇宙真空中,引力由什么介质传播呢?为了求得完整的解决,牛顿复活了亚里士多德的“以太”说,认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。
后来,物理学家又发展了“以太”说,认为“以太”也是光波的传播介质。
光和引力一样,是由“以太”传播的。
他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”,“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。
量子理论的发展史讲义
1、“紫外灾难”的出现和普朗克量 子论的提出
? 物理天空的第二朵乌云:“黑体辐射”→ “紫外灾难” ? 量子论的产生是由黑体辐射问题引起的。根据经典物理学,
可以得到:辐射的能量与频率的平方成正比。所以,当辐 射频率极高时,能量必然趋于无穷大,即在紫色端发散。 对于由经典物理学解决热辐射问题导致的这一结果,被称 为“紫外灾难”。
普朗克的量子假说的出台
? 1900年10月7日,鲁本斯夫妇访问普朗克,告诉他,瑞利 的辐射定律在长波部分同他的实验结果一致。普朗克受到 启发,立即尝试去寻找新的辐射定律,使它在长波部分渐 近于瑞利定律,而在短波部分则渐近于维恩定律。
? 当天晚上他把自己1899年的公式加以修改,就得到了合乎 上述要求的辐射定律。1900年10月19日他在德国物理学会 上报告了这一结果。鲁本斯当天晚上做实验检验,证明普 朗克的新的辐射定律同实验结果完全相符。
引入了能量子概念,为量子理论奠定了基石。 ? 随后,爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾,提出了光量子
假说,并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念,为量子理论的 发展打开了局面。 ? 1913年,玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念,对氢光谱 作出了满意 的解释,使量子论取得了初步胜利。
? 这种能量子,他称为“光量子”,对于频率为?的辐射,它的 一个光量子的能量就是 h?,以后人们称光量子为“光子”, 这是美国化学家路易斯于1926年取的名字。
物理天空的第二乌云:“黑体辐射”
? 黑体(“绝对黑体”)是指在任何温度下都能全都吸收落在 它上面的一切辐射而没有反射和透射的理想物体,是用来 研究热辐射的。
? 黑体辐射的特点是:各种波长 (颜色)的辐射能量的分布形 式只取决于黑体的温度,而同组成黑体的物质成分无关。
量子力学智慧树知到答案章节测试2023年泰山学院
第一章测试1.导致“紫外灾难”的是()A:维恩公式B:巴尔末公式C:瑞利-金斯公式D:普朗克公式答案:C2.量子力学的研究对象是微观物体。
()A:错B:对答案:B3.光电效应实验中,光电子的最大动能与()有关。
A:其余选项都不对。
B:入射光的光强C:入射光的频率D:入射光照射的时间答案:C4.玻尔在()岁时获得诺贝尔物理学奖。
A:50B:37C:45D:26答案:B5.氦原子的动能是(k为玻耳兹曼常数),求T=1K时,氦原子的德布罗意波长为0.37nm。
()A:对B:错答案:A第二章测试1.量子力学的态叠加原理是指()A:波函数描述的相位的叠加;B:波函数的线性叠加;C:两列波振幅的叠加;D:两列波振动位移的叠加.答案:B2.对于一维束缚定态,如果势能具有空间反演不变性,则所有能量本征态都有确定的宇称。
()A:错B:对答案:B3.下列哪种论述不是定态的特点()。
A:任何不含时力学量的平均值都不随时间变化B:几率流密度矢量不随时间变化C:任何力学量的取值都不随时间变化D:几率密度不随时间变化答案:C4.质量为的粒子在一维无限深方势阱中运动,,基态的能量为。
()A:对B:错答案:A5.波函数满足的标准化条件为单值、有限、连续。
()A:对B:错答案:A第三章测试1.若不考虑电子的自旋,氢原子能级n=3的简并度为()。
A:6B:12C:3D:9答案:D2.以下关于厄米算符本征问题说法正确的是()A:厄米算符的本征值不一定为实数;B:厄米算符的属于不同本征值的本征函数彼此正交;C:厄米算符的本征值必为实数;D:厄米算符的本征函数系是完备的答案:BCD3.量子力学中可观测量对应的算符都是厄米算符。
()A:错B:对答案:B4.力学量算符的正交归一本征函数完备系为,本征方程为,若体系的波函数为,则在态中测量力学量F结果为的几率为()。
A:1B:9/4C:1/4D:9/10答案:D5.若在某一力场中力学量F守恒,则力学量F一定取确定值。
物理学晴空的乌云
“乌云”的出现1900年新春之际,著名物理学家开尔文勋爵在送别旧世纪所作的讲演中讲道:“19世纪已将物理学大厦全部建成,今后物理学家的任务就是修饰、完美这座大厦了。
”同时他也提到物理学的天空也飘浮着两朵小小的,令人不安的乌云,一朵为以太漂移实验的否定结果,另一朵为黑体辐射的紫外灾难。
实际上“乌云”不止这两朵,还包括气体比热中能量均分定律的失败、光电效应实验、原子线光谱等。
然而,就是这几朵乌云带来了一场震撼整个物理学界的革命风暴,导致了现代物理学的诞生。
第一朵乌云“以太”学说第一朵乌云是随着光的波动理论而开始出现的。
菲涅耳和托马斯·杨研究过这个理论,它包括这样一个问题:地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢?第二朵乌云是麦克斯韦-玻耳兹曼关于能量均分的学说。
这两朵乌云涉及到两方面的实验发现与力学、电磁学、气体分子运动论理论的困难。
相对性原理是经典力学的一个最基本的原理,这个原理认为,绝对静止和绝对匀速运动都是不存在的,一切可测量的、因而也是有物理意义的运动,都是相对于某一参照物的相对运动。
牛顿本人也充分意识到了确定“绝对运动”的困难,最后只能以臆测性的“绝对空间”的存在作为避难所。
麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后,电磁波的载体以太,就成了物化的绝对空间,静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的“绝对运动”的背景框架。
既然以太也是一种物质存在,或者说它表征着物化了的绝对空间,当然就可以通过精密的实验测出物体相对于以太背景的绝对运动。
但是,美国物理学家迈克尔逊在1881年、他和莫雷在1887年利用干涉仪所进行的精密光学实验,都未能观察到所预期的以太相对于地球的运动。
第二朵乌云“紫外灾难”第二朵乌云涉及的是经典物理学另一分支,热力学和分子运动论中的一个重要问题。
开尔文明确提到的是“麦克斯韦-玻耳兹曼关于能量均分的学说”。
实际上是指19世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难。
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。
量子力学五大未解之谜
量子力学五大未解之谜量子力学是物理学的基础理论之一,它诞生于20世纪初。
虽然近百年的研究使得量子力学在科学和技术方面取得了众多成就,但是这个理论本身仍然存在着很多未解之谜。
下面将介绍量子力学的五大未解之谜。
1. 波粒二象性波粒二象性是量子力学的基本特征之一。
在实验中,有些粒子表现出来是粒子一样的,有些表现出来是波一样的,甚至还有一些既表现出来是粒子一样的,又表现出来是波一样的。
这种波粒二象性是量子力学无法解释的问题之一。
目前的解释理论是布洛赫理论,它是将波粒二象性看作是粒子在晶体中移动方式的一种特殊现象。
2. 不可切割性和量子纠缠量子纠缠是指两个粒子之间的相互作用导致它们之间的状态互相依存。
例如,对于用量子力学描述的两个粒子,如果对其中一个进行测量,那么另一个粒子的状态会立即发生改变,即使它们之间的距离很远,甚至是遥远的。
这种现象被称为不可切割性和量子纠缠。
在量子力学中,不可切割性是指量子物理量不能被仅仅拆分成多个独立变量来描述,而必须描述为整体。
但是,我们仍然无法解释两个相互挂钩的粒子之间是如何传递信息的。
3. 黑体辐射和紫外灾难黑体辐射是指由于温度而引起的物体发出的电磁辐射。
这种辐射是一种连续的光谱,包含了所有波长的光。
但是,根据经典理论,根据光的波动模型,黑体辐射应该会无限制增加。
这种情况被称作紫外灾难。
在20世纪初,普朗克提出了能量量子化的假设,即辐射能只能以几个固定值的形式释放。
这种量子化假设为量子力学的发展提供了基础,但是目前仍未找到完美的理论来解决黑体辐射和紫外灾难。
4. 量子测量问题在量子力学中,只有在进行测量时,粒子的位置和速度才能被确定。
然而,测量粒子的位置或速度会引起粒子状态的坍缩,从而无法得到完整的信息。
这个问题被称为量子测量问题。
尽管它在很多实验中被高度重视,但目前仍无法找到一种理论来解决这个问题。
5. 量子重力量子重力是量子力学和广义相对论的结合。
相对论解释万有引力引起物质弯曲的现象,而量子力学解释了微观领域中的粒子运动。
《量子力学》考试知识点
《量⼦⼒学》考试知识点《量⼦⼒学》考试知识点第⼀章:绪论―经典物理学的困难考核知识点:(⼀)、经典物理学困难的实例(⼆)、微观粒⼦波-粒⼆象性考核要求:(⼀)、经典物理困难的实例1.识记:紫外灾难、能量⼦、光电效应、康普顿效应。
2.领会:微观粒⼦的波-粒⼆象性、德布罗意波。
第⼆章:波函数和薛定谔⽅程考核知识点:(⼀)、波函数及波函数的统计解释(⼆)、含时薛定谔⽅程(三)、不含时薛定谔⽅程考核要求:(⼀)、波函数及波函数的统计解释1.识记:波函数、波函数的⾃然条件、⾃由粒⼦平⾯波2.领会:微观粒⼦状态的描述、Born⼏率解释、⼏率波、态叠加原理(⼆)、含时薛定谔⽅程1.领会:薛定谔⽅程的建⽴、⼏率流密度,粒⼦数守恒定理2.简明应⽤:量⼦⼒学的初值问题(三)、不含时薛定谔⽅程1. 领会:定态、定态性质2. 简明应⽤:定态薛定谔⽅程第三章:⼀维定态问题⼀、考核知识点:(⼀)、⼀维定态的⼀般性质(⼆)、实例⼆、考核要求:1.领会:⼀维定态问题的⼀般性质、束缚态、波函数的连续性条件、反射系数、透射系数、完全透射、势垒贯穿、共振2.简明应⽤:定态薛定谔⽅程的求解、第四章量⼦⼒学中的⼒学量⼀、考核知识点:(⼀)、表⽰⼒学量算符的性质(⼆)、厄密算符的本征值和本征函数(三)、连续谱本征函数“归⼀化”(四)、算符的共同本征函数(五)、⼒学量的平均值随时间的变化⼆、考核要求:(⼀)、表⽰⼒学量算符的性质1.识记:算符、⼒学量算符、对易关系2.领会:算符的运算规则、算符的厄密共厄、厄密算符、厄密算符的性质、基本⼒学量算符的对易关系(⼆)、厄密算符的本征值和本征函数1.识记:本征⽅程、本征值、本征函数、正交归⼀完备性2.领会:厄密算符的本征值和本征函数性质、坐标算符和动量算符的本征值问题、⼒学量可取值及测量⼏率、⼏率振幅。
(三)、连续谱本征函数“归⼀化”1.领会:连续谱的归⼀化、箱归⼀化、本征函数的封闭性关系(四)、⼒学量的平均值随时间的变化(⼀)、表象变换,⼳正变换(⼆)、平均值,本征⽅程和Schrodinger equation的矩阵形式(三)、量⼦态的不同描述⼆、考核要求:(⼀)、表象变换,⼳正变换1.领会:⼳正变换及其性质2.简明应⽤:表象变换(⼆)、平均值,本征⽅程和Schrodinger equation的矩阵形式1.简明应⽤:平均值、本征⽅程和Schrodinger equation的矩阵形式2.综合应⽤:利⽤算符矩阵表⽰求本征值和本征函数(三)、量⼦态的不同描述第六章:微扰理论⼀、考核知识点:(⼀)、定态微扰论(⼆)、变分法(三)、量⼦跃迁⼆、考核要求:(⼀)、定态微扰论1.识记:微扰2.领会:微扰论的思想3.简明应⽤:简并态能级的⼀级,⼆级修正及零级近似波函数4.综合应⽤:⾮简并定态能级的⼀级,⼆级修正、波函数的⼀级修正。
简述量子力学的建立过程
简述量子力学的建立过程量子力学是20世纪最伟大的科学成就之一,它是物理学的一支重要分支,用于描述微观世界中的物理现象。
量子力学的建立过程经历了一个漫长而曲折的历程,下面我将简要介绍一下。
20世纪初,物理学家们已经知道了原子是由电子和原子核组成的。
他们还知道电子在原子中围绕原子核旋转,但是他们无法解释电子为什么不会从原子中掉落。
这个问题被称为“紫外灾难”,因为当科学家们尝试用经典物理学来解释这个问题时,他们发现结果是无穷大的。
这个问题直到1913年才得到解决,当时丹麦物理学家尼尔斯·玻尔提出了一个新的理论,称为玻尔模型。
这个模型认为电子只能在特定的轨道上运动,而这些轨道对应着固定的能量。
这就解释了为什么电子不会从原子中掉落。
但是,这个模型并不能解释所有的物理现象,因此物理学家们开始寻找新的理论。
1924年,法国物理学家路易·德布罗意提出了一个新的理论,称为德布罗意波。
他认为,如果电子可以像光一样具有波动性质,那么电子也可以像光一样存在波动和粒子性质。
这个理论在当时引起了轰动,并且被证明是正确的。
接下来,奥地利物理学家厄温·薛定谔进一步发展了德布罗意波理论,提出了薛定谔方程式。
这个方程式可以用来描述微观粒子的运动,并且可以预测粒子的位置和动量。
这个方程式被认为是量子力学的基础。
量子力学的建立过程还经历了很多其他重要的发现和贡献。
例如,瑞士物理学家保罗·狄拉克提出了量子力学中的狄拉克方程式,它可以用来描述自旋1/2粒子(例如电子)的运动。
美国物理学家理查德·费曼提出了量子电动力学理论,它可以用来描述电磁相互作用。
总之,量子力学的建立过程经历了一个漫长而曲折的历程,需要多位杰出的科学家的共同努力。
今天,量子力学已经成为现代物理学的基础之一,并且在实践中得到了广泛应用。
量子力学的起源
1.3 量 子 力 学 的 建 立
波 动 力 学 (Wave Mechanics )—薛定谔(Schr˝ odinger )方程 量子力学建立在一些基本假定基础之上的, (1) 微观体系的运动状态由相应的归一化波函数确定; (2) 微观体系的波函数随时间变化的规律遵从薛定谔方程; (3) 力学量由相应的线性厄米算符表示(力学量的观测量由算符描述); (4) 力学量之间有确定的对易关系,称为量子条件; (5) 全同多粒子体系的波函数对于任意一对粒子交换具有对称性。 矩 阵 力 学 (Matrix Mechanics ) 从某种角度讲,波动力学体现了波动性,矩阵力学体现了粒子性,两者实际上是等价的。再次表明了波 粒二象性。 附:量子行为的经典实验:Stern-Gerlach 实验 This experiment illustrates in a dramatic manner by necessity for a radical departure from the concepts of classical mechanics. In a certain sense, a two-state system of the Stern-Gerlach type is the least classical, most quantum-mechanical system. 使银原子在电炉O内蒸发,通过两个狭缝形成细束,经过一个抽成真空的不均匀的磁场区域(磁场垂直于 射束方向),最后到达照相底片P上。在显像后的底片上出现了两条黑斑,表示银原子在经过不均匀磁场区 域时分成了两束。 6
第一章
量子力学的起源
量子力学是一个普适的理论,从亚原子(subatomic)粒子到星系(galaxy)都遵循,我们首先将从一些典型 的实验结果来初步认识量子现象。
量子力学考试知识点
《量子力学》考试知识点第一章:绪论―经典物理学的困难考核知识点:(一)、经典物理学困难的实例(二)、微观粒子波-粒二象性考核要求:(一)、经典物理困难的实例1.识记:紫外灾难、能量子、光电效应、康普顿效应。
2.领会:微观粒子的波-粒二象性、德布罗意波。
第二章:波函数和薛定谔方程考核知识点:(一)、波函数及波函数的统计解释(二)、含时薛定谔方程(三)、不含时薛定谔方程考核要求:(一)、波函数及波函数的统计解释1.识记:波函数、波函数的自然条件、自由粒子平面波2.领会:微观粒子状态的描述、Born几率解释、几率波、态叠加原理(二)、含时薛定谔方程1.领会:薛定谔方程的建立、几率流密度,粒子数守恒定理2.简明应用:量子力学的初值问题(三)、不含时薛定谔方程1. 领会:定态、定态性质2.简明应用:定态薛定谔方程3.fdfgfdgdfg第三章:一维定态问题一、考核知识点:(一)、一维定态的一般性质(二)、实例二、考核要求:1.领会:一维定态问题的一般性质、束缚态、波函数的连续性条件、反射系数、透射系数、完全透射、势垒贯穿、共振2.简明应用:定态薛定谔方程的求解、无限深方势阱、线性谐振子第四章量子力学中的力学量一、考核知识点:(一)、表示力学量算符的性质(二)、厄密算符的本征值和本征函数(三)、连续谱本征函数“归一化”(四)、算符的共同本征函数(五)、力学量的平均值随时间的变化二、考核要求:(一)、表示力学量算符的性质1.识记:算符、力学量算符、对易关系2.领会:算符的运算规则、算符的厄密共厄、厄密算符、厄密算符的性质、基本力学量算符的对易关系(二)、厄密算符的本征值和本征函数1.识记:本征方程、本征值、本征函数、正交归一完备性2.领会:厄密算符的本征值和本征函数性质、坐标算符和动量算符的本征值问题、力学量可取值及测量几率、几率振幅。
(三)、连续谱本征函数“归一化”1.领会:连续谱的归一化、箱归一化、本征函数的封闭性关系(四)、力学量的平均值随时间的变化1.识记:好量子数、能量-时间测不准关系2.简明应用:力学量平均值随时间变化第五章态和力学量的表象一、考核知识点:(一)、表象变换,幺正变换(二)、平均值,本征方程和Schrodinger equation的矩阵形式(三)、量子态的不同描述二、考核要求:(一)、表象变换,幺正变换1.领会:幺正变换及其性质2.简明应用:表象变换(二)、平均值,本征方程和Schrodinger equation的矩阵形式1.简明应用:平均值、本征方程和Schrodinger equation的矩阵形式2.综合应用:利用算符矩阵表示求本征值和本征函数(三)、量子态的不同描述第六章:微扰理论一、考核知识点:(一)、定态微扰论(二)、变分法(三)、量子跃迁二、考核要求:(一)、定态微扰论1.识记:微扰2.领会:微扰论的思想3.简明应用:简并态能级的一级,二级修正及零级近似波函数4.综合应用:非简并定态能级的一级,二级修正、波函数的一级修正。
量子力学发展史
鬼话连篇:荒诞量子力学原创 2017-01-15 小学僧老和山下的小学僧先来个绕口令渲染一下诡异的氛围,量子力学奠基人波尔曾曰:“如果你第一次学量子力学认为自己懂了,那说明你还没懂。
”为了理解这个叹为观止的理论的伟大,只能把起点设得低一些,就从“认识论”说起吧!中学僧请跳过,直接看后半篇。
人类为了生存,一直试图认识和解释这个世界。
最早的“认识论”充满了想象,后来逐渐演化成了“宗教”,比如上帝创造了万物。
过了一阵子,有些人发现这种“认识论”不靠谱,跪了半天祈雨,还不如萧敬腾管用!脑袋瓜好使的人就在思考“世界的本源是什么”、“东西为什么往下掉”,如此云云。
早期的聪明人只是坐在办公室研究世界,于是这种单纯的思辨就慢慢变成了“哲学”。
大家围坐论道,逼格是挺高,但只能争个面红耳赤,张三说世界在乌龟背上,李四说世界在大象背上。
我说哥们儿,你们就不能验证一下吗?当然不能!土鳖才动手,君子只动口,这种风气夸张到什么程度呢?亚里士多德认为“女性的牙齿比男性少”,就这么一个理论,愣是被奉为经典几百年。
很长一段时间,大家就是这么靠拍脑袋研究世界。
拍着拍着,突然有个家伙灵光一闪,拍出了逻辑思维,做起了实验,这就是“伽利略”。
伽利略是第一个系统地用严密的逻辑和实验来研究事物的人,这便是“科学”的雏形,所以伽利略很伟大,属于“一流伟大”这个范畴。
是不是觉得早生几百年,你我都是科学家?别天真了,其实经常以负面形象出现的亚里士多德,绝对属于当时最聪明的人,时代局限性造成的“无知”不是无知。
打个补丁,本文说的“科学”是单纯的一门学科,而不是形容词。
啥意思呢?因为某党的某些需求,科学这个词在国内的意义急剧扩大化,以至于现在“科学就是“真理”的代名词,很多地方可以把“科学”和“合理”两个词互换。
“你的做法很科学”,“你的做法很合理”,这两句话有区别吗?再看英文版:“你的做法很Science ”,这可就是语病了。
本文说的“科学”就是“ Science,”是一门学科,而不是“理”。
紫外灾难
紫外灾难的形成1.背景1800年,天文学家赫歇尔(Herschel)用滤色片观察太阳光透过的热效应时发现,在红外区有一种产生明显热效应的辐射,从而发现了红外线。
第二年,里特和沃拉斯顿发现了紫外辐射。
1821年,塞贝克发现温差电并用于测量温度。
1830年诺比利发明了热辐射测量仪。
还有许多物理学家对热辐射的性质、辐射能量与辐射源的关系、辐射能量按波长的分布曲线等进行了大量研究,并逐渐认识到光谱、热辐射、光辐射是统一的。
1881年,美国人兰利(Langley)发明了热辐射计,可以很灵敏的测量辐射能量,并测出能量随波长变化的曲线,如图,从曲线可以很明显的看到能量最大值随温度的增高向短波方向转移。
兰利的能量分布曲线1859年底,基尔霍夫提出:物体的发射本领e(λ,T)和吸收本领α(λ,T)的比值,等于物体处于辐射平衡时的表面亮度E(λ,T)。
即:)T ,(E )T ,()T ,(e λλαλ=并指出这一比值对所有物体都是一样的,与辐射物体的性质无关。
实际上,E(λ,T)反映的是在不同温度下辐射按波长分布的函数,它是一个与物体性质无关的普适函数。
1860年,基尔霍夫又提出绝对黑体的概念:在任何温度下都能全部吸收落在它上面的一切辐射。
显然,当吸收本领α=1时,物体的发射本领就是辐射的普适函数。
绝对黑体的表面亮度E(λ,T)可以用平衡辐射时的能量密度ρ(ν,T)来表示。
)T ,(c )T ,(E νρπν8=ρ(ν,T)的探求可以从实验和理论两个方面去解决。
1879年,德国物理学家斯特藩(Joseph Stefan)总结出一条经验规律:黑体表面单位面积上在单位时间内发射出的总能量与它的绝对温度的四次方成正比,即:W=σt4 。
1884年,玻尔兹曼根据电磁学和热力学理论,利用统计方法的结果(压强等于能量密度的1/3),从理论上导出了这一结果。
1893年,德国物理学家维恩(Wilhelm Wien)根据多普勒效应和斯特藩-玻尔兹曼定律,导出了维恩位移定律:λm · T = 常数表明黑体辐射能量强度最大的波长λm 和绝对温度T 成反比。
第5章__紫外灾难
第5章紫外灾难(1)纵使天空再深,看不见裂痕。
在云没有罅隙的时候,紫外线也能踩着猫步从天外爬下来。
街上的丽人在脸上涂满防晒霜,喜欢在夏天打着遮阳伞走来走去。
紫外线对皮肤具有很强的杀伤力。
对于做伞的公司来说,一把遮阳伞最重要的技术指标就是伞对UVA(长波紫外线)和UVB(中波紫外线)两个波段的透过率。
人的眼睛,是一台傅里叶变换的仪器,在眼睛里,世界是五颜六色。
一般人的眼睛,能看到的最短波长是380nm,波长比380nm短的光,统称为“紫外”。
但在物理学的意义上,一般把频率很大的时候,泛称为紫外(UV)。
因为光子的能量是正比于频率的,所以紫外光比红外光具有更高的能量,因为这个原因,物理学家一般把高能量区域叫做紫外区域。
这种术语是物理学家们喜欢的,正好象在经济学家那里,他们喜欢把钱叫做“流动性”是一个道理。
最近物理学的前沿,是所谓强弱对偶,也就是紫外与红外是对偶的,人们可以从低能量区域(也就是红外区域)的物理规律,推出高能量区域的物理规律。
比如说,质谱仪器只需要10个电子伏特的能量,属于低能量仪器,而北京正负电子对撞机则需要1个亿的电子伏特的能量。
街上的美女自然不知道"紫外"的深刻含义,长得越美,越不明白紫外的背后曾经有很严重的“灾难”。
不过这个灾难倒不是与皮肤有关,而是与量子力学的源起有关。
(2)对于宏观物体,它们会产生的辐射形式非常多变,比如你无法计算一个家里用来照明的那个钨灯的发射光谱,因为这些光谱具有很多复杂的参数,与电压有关,与供电频率有关,有灯泡里的气体压强有关。
最简单的辐射是黑体辐射和激光,前者系统处于热平衡态,唯一可调节参数是温度。
后者系统处于非热平衡态,也就是说系统并不处于玻尔兹曼分布,处于高能量态的原子数远远多于处于基态的原子数,打个比方,在激光产生的系统中,这个原子组成的社会中,富人远远多于穷人。
在发出的激光里,光子的频率全是一样的,因为是玻色子,很多光子能处于同一个状态,因此激光往往只具有一个颜色,是非常纯洁的单色光。
普朗克黑体辐射量子理论
普朗克黑体辐射量子理论普朗克的假设在热力学中,黑体(Black body),是一个理想化的物体,它能够吸收外来的全部电磁辐射,并且不会有任何的反射和透射。
随着温度上升,黑体所辐射出来的电磁波则称为黑体辐射。
“紫外灾难”:在经典统计理论中,能量均分定律预言黑体辐射的强度在紫外区域会发散至无穷大,这和事实严重违背马克斯·普朗克于1900年建立了黑体辐射定律的公式,并于1901年发表。
其目的是改进由威廉·维恩提出的维恩近似(至于描述黑体辐射的另一公式:由瑞利勋爵和金斯爵士提出的瑞利-金斯定律,其建立时间要稍晚于普朗克定律。
由此可见瑞利-金斯公式所导致的“紫外灾难”并不是普朗克建立黑体辐射定律的动机。
)。
维恩近似在短波范围内和实验数据相当符合,但在长波范围内偏差较大;而瑞利-金斯公式则正好相反。
普朗克得到的公式则在全波段范围内都和实验结果符合得相当好。
在推导过程中,普朗克考虑将电磁场的能量按照物质中带电振子的不同振动模式分布。
得到普朗克公式的前提假设是这些振子的能量只能取某些基本能量单位的整数倍,这些基本能量单位只与电磁波的频率有关,并且和频率成正比。
这即是普朗克的能量量子化假说,这一假说的提出比爱因斯坦为解释光电效应而提出的光子概念还要至少早五年。
然而普朗克并没有像爱因斯坦那样假设电磁波本身即是具有分立能量的量子化的波束,他认为这种量子化只不过是对于处在封闭区域所形成的腔内的微小振子而言的,用半经典的语言来说就是束缚态必然导出量子化。
普朗克没能为这一量子化假设给出更多的物理解释,他只是相信这是一种数学上的推导手段,从而能够使理论和经验上的实验数据在全波段范围内符合。
不过最终普朗克的量子化假说和爱因斯坦的光子假说都成为了量子力学的基石。
爱因斯坦的光电子假设截止电压,最大动能,极限频率,几乎瞬时发射,偏振方向经典理论无法完美解释以上现象1905年,爱因斯坦发表论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》,对于光电效应给出另外一种解释。
原子的玻尔模型与量子力学的统一解释
原子的玻尔模型与量子力学的统一解释在物理学的发展历程中,原子的结构一直是一个引人注目的课题。
早期的原子模型由丹麦物理学家玻尔提出,他的模型成功地解释了氢原子的光谱现象,但也暴露出一些困扰。
随后,量子力学的发展为原子结构的研究提供了新的解释,但仍然存在一些问题。
本文将探讨原子的玻尔模型与量子力学的统一解释。
玻尔模型是基于经典物理学的思想,将原子看作一个太阳系,电子绕着原子核作圆周运动。
根据经典力学的定律,电子应该不断辐射能量,从而导致轨道的缩小,最终电子会坠入原子核。
然而,实验观测到的事实却与此相悖,原子并没有崩溃。
这个问题被称为“紫外灾难”,它暗示着玻尔模型的不完善。
为了解决这个问题,量子力学的发展成为必然选择。
量子力学是一种描述微观世界的理论,它引入了概率的概念,认为粒子的性质不能被准确预测,只能给出一定的概率分布。
在量子力学中,电子被看作是一种波粒二象性的粒子,它的运动状态由波函数描述。
波函数的平方值表示电子在不同位置的概率分布。
量子力学提供了对原子结构的新的解释。
根据量子力学的理论,电子在原子中并不是按照经典力学的方式运动,而是处于一种模糊的状态,即所谓的“叠加态”。
这种叠加态表示电子在多个可能的位置上同时存在,直到被观测到时才会坍缩到一个确定的位置。
通过量子力学的解释,我们可以理解为什么原子不会崩溃。
电子的叠加态使得其不会不断辐射能量,因为辐射能量需要电子处于确定的位置上。
这种随机性的特性使得原子能够稳定存在,并且解释了玻尔模型中的紫外灾难。
然而,尽管量子力学提供了对原子结构的合理解释,它仍然存在一些问题。
其中之一是量子力学无法解释电子的具体轨道,而只能给出概率分布。
这导致了一些物理学家对量子力学的完整性产生了质疑。
他们认为,量子力学只是一种描述现象的有效理论,而不是对真实世界的完整描述。
为了解决这个问题,一些学者提出了不同的理论,试图统一玻尔模型和量子力学。
其中一个重要的尝试是引入了隐变量理论,认为电子在运动过程中存在一些隐藏的变量,决定了它的具体轨道。
第七章 紫外灾难和普朗克的量子假说PPT课件
由海森堡、波恩等引入到量子力学中。
在量子力学中用算符表示力学量,它可以作
用在一个函数上,得出另一个函数。比如动
量算符
Pˆ
i
泡利用海森堡的矩阵力学解决了三个方 面的问题,矩阵力学成长建立起来。
量子 理 论 的 发 展
三.波动力学的建立 1.德布罗意波 1)德布罗意(1892-1960):
( ,T )
8h 3
C3
eh
1
/ KT
1
当ν→0,即在长波范围,普朗克定律 变为瑞利——金斯公式。
当ν→∞,即在短波范围,又与维恩 定律一致。
将维恩公式和瑞利公式综合在一起, 理论值与实验结果符合得较好。
紫外灾难 和 普 朗 克 的 量子假说
3.普朗克的能量子假设
普朗克写道:“即使这个新的辐射公式证 明是绝对精确的,但若仅仅是一个侥幸揣测 出来的公式,它的价值也只能是有限的。” 普朗克并不满足于自己的一得之功。
量子 理 论 的 发 展
2)薛定谔方程:薛定谔在德布罗意、爱因斯 坦的启发影响下,在1926 年1-6月,连续发表了四篇 论文,系统阐明了波动力 学的理论,提出了量子力 学中著名的薛定谔方程。
量子 理 论 的 发 展
3.矩阵力学与波动力学的统一
既然矩阵力学与波动力学描述了同一物 理现象,它们之间是否存在着内在的联系? 薛定谔证明了矩阵力学和波动力学的等价性。 1926年,狄拉克提出了普遍的变换理论,使 两种力学进一步得到和谐与统一,将其统称 为量子力学,并引进了狄拉克符号,奠定了 粒子物理和量子电动力学的基础,因此狄拉 克与薛定谔共获1933年诺贝尔物理奖。
—— J·J·汤姆逊
卢瑟 福 的 原 子 核式 结 构
紫外灾难
吉林农业大学姓名:张好好专业:应用化学年级:2011级班级:5班学号:2011213院系:资源与环境学院紫外灾难的形成1.背景1800年,天文学家赫歇尔(Herschel)用滤色片观察太阳光透过的热效应时发现,在红外区有一种产生明显热效应的辐射,从而发现了红外线。
第二年,里特和沃拉斯顿发现了紫外辐射。
1821年,塞贝克发现温差电并用于测量温度。
1830年诺比利发明了热辐射测量仪。
还有许多物理学家对热辐射的性质、辐射能量与辐射源的关系、辐射能量按波长的分布曲线等进行了大量研究,并逐渐认识到光谱、热辐射、光辐射是统一的。
1881年,美国人兰利(Langley)发明了热辐射计,可以很灵敏的测量辐射能量,并测出能量随波长变化的曲线,如图,从曲线可以很明显的看到能量最大值随温度的增高向短波方向转移。
兰利的能量分布曲线1859年底,基尔霍夫提出:物体的发射本领e(λ,T)和吸收本领α(λ,T)的比值,等于物体处于辐射平衡时的表面亮度E(λ,T)。
即:并指出这一比值对所有物体都是一样的,与辐射物体的性质无关。
实际上,E(λ,T)反映的是在不同温度下辐射按波长分布的函数,它是一个与物体性质无关的普适函数。
1860年,基尔霍夫又提出绝对黑体的概念:在任何温度下都能全部吸收落在它上面的一切辐射。
显然,当吸收本领α=1时,物体的发射本领就是辐射的普适函数。
绝对黑体的表面亮度E(λ,T)可以用平衡辐射时的能量密度ρ(ν,T)来表示。
ρ(ν,T)的探求可以从实验和理论两个方面去解决。
1879年,德国物理学家斯特藩(Joseph Stefan)总结出一条经验规律:黑体表面单位面积上在单位时间内发射出的总能量与它的绝对温度的四次方成正比,即:W=σt4 。
1884年,玻尔兹曼根据电磁学和热力学理论,利用统计方法的结果(压强等于能量密度的1/3),从理论上导出了这一结果。
1893年,德国物理学家维恩(Wilhelm Wien)根据多普勒效应和斯特藩-玻尔兹曼定律,导出了维恩位移定律:λm· T = 常数表明黑体辐射能量强度最大的波长λm和绝对温度T成反比。
紫外灾难的名词解释
紫外灾难的名词解释紫外灾难是指由紫外线辐射引发的环境和健康问题的一种现象。
紫外线是太阳光中的一种辐射形式,包括UVA、UVB和UVC三种类型。
正常情况下,地球的臭氧层可以有效地吸收和过滤掉大部分紫外线,以保护生物与环境免受辐射伤害。
然而,近年来,随着人类活动和自然因素的变化,紫外灾难逐渐成为全球关注的焦点。
首先,让我们了解一下紫外线的类型和特点。
UVA是紫外线中波长最长的一种,能够深入皮肤的真皮层,被广泛认为可以引发皮肤衰老、皱纹和黑素沉积等问题。
而UVB则具有较短的波长,主要被臭氧层吸收,但仍然能够穿透云层和玻璃,会引发晒伤、皮肤癌等疾病。
与此相比,UVC波长最短,危害最大,但通常被臭氧层和大气层吸收,因此地球上是否存在大量UVC仍有争议。
紫外灾难的主要原因之一是臭氧层的破坏。
人类活动,尤其是工业化和化学污染的加剧,导致了大量温室气体的释放,如氯氟碳化合物(CFCs)和二氧化碳等。
这些温室气体会引起气候变化,进而损害臭氧层的稳定性。
臭氧层由臭氧分子组成,它可以吸收大部分UVB和一部分UVA,保护地球上的生物。
然而,当臭氧层破坏时,辐射便可以透过臭氧层的薄弱点进入地球表面,使得紫外灾难逐渐显现。
紫外灾难对人类的健康造成了多种影响。
首先是皮肤问题,如晒伤、皮肤癌和光敏感性疾病等。
长时间接触紫外线,尤其是UVB,会导致皮肤晒伤,表现为皮肤红肿、疼痛和剥落等症状。
进一步,紫外线还会损伤皮肤细胞的DNA,增加患上皮肤癌的风险。
另外,一些人在阳光暴露下可能出现光敏感性疾病,如红斑狼疮等,这是一种免疫系统异常反应引起的疾病。
除了对人类健康的影响外,紫外灾难还对生态环境产生负面影响。
紫外线的辐射破坏植物叶片细胞的DNA结构,影响光合作用和生长发育,从而导致植物减产或死亡。
此外,一些浅海动物和珊瑚礁也受到紫外线的威胁,因为它们的光合作用依赖于阳光的能量供应。
紫外灾难对海洋生态系统的破坏可能导致生态平衡的崩溃,影响整个食物链的稳定性。
黑体辐射及紫外灾难
黑体辐射及紫外灾难
黑体辐射是指处于热平衡状态下的一个物体发出的热辐射。
根据普朗克辐射定律和斯特凡–玻尔兹曼定律,黑体辐射的强度
与物体的温度有关,高温物体发出的辐射更强。
辐射的波长也与温度有关,高温物体主要发出短波长的辐射。
黑体辐射对地球的生物圈产生了重要影响。
太阳是一个高温的黑体辐射源,它发出的辐射包括可见光和紫外线等。
可见光光谱范围为400-700纳米,是人眼可以感知的波长范围;而紫外
线波长较短,分为UVA(320-400纳米)、UVB(280-320纳米)和UVC(100-280纳米)三个波段。
紫外线对生物有一定的危害性。
UVA辐射能够穿透大气层并
到达地表,对皮肤造成损伤,同时也是导致皮肤晒黑的主要原因。
UVB辐射能够被大气层一部分吸收,但仍然会引起皮肤
晒伤和导致皮肤癌等疾病。
UVC辐射在大气层外部被完全吸收,因此对地球生物没有直接影响。
紫外灾难是指由于大气层的稀薄化和破坏,导致紫外辐射过量的情况。
紫外灾难可能会对生物圈产生严重影响。
高强度的紫外辐射会导致植物凋落,损害水生生物,破坏生态系统平衡。
同时,人类也会受到紫外灾难的影响,皮肤癌发病率可能增加,眼睛受到损伤等。
为了预防和减轻紫外灾难的潜在影响,需要采取有效的措施,包括加强大气环境保护,降低温室气体排放以减缓气候变暖,
使用遮阳伞、太阳镜等防护措施,以及加强公众对紫外线危害的认识和防护意识。
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量子力学知识:量子力学之紫外灾难
1875年,当年轻的马克思·普朗克申请从事物理学研究的时候,他的物理系主任却建议他去研究一些别的更有意义的东西。
“物理学的大厦已经接近完成,所有重要的发现都已经被人做出,没有什么新东西再能被发现了。
”
但正如另一位物理学家开尔文所言,物理学的地平线上还剩下两朵乌云。
于是普朗克决定要解决其中一朵乌云:紫外灾难。
什么是“紫外灾难”呢?我们都知道,一个物体受热会变红,比如铁棍可以被烧红。
所谓红色,其实是人眼所能接收到的可见光波之一。
也就是说,物体受热会发光,受热的温度越高,光波的频率就越高,颜色会从红色到橙色,最后变成金属物的受热极限:白炽光。
一般金属物发出白炽光的温度是1200到1500摄氏度,被称为白热化(现代人也会用白热化形容比赛的激烈程度)。
再往上更高的光波频率是蓝色。
地球上没有东西可以被加热到发出蓝光,被加热到发出蓝光之前,这个东西就被热得直接蒸发汽化了。
但我们抬头看天空,会看到发出蓝光的恒星。
如果温度继续升高,就会发出紫外光。
光波频率还可以继续升高,但人的肉眼就无法看到如此高频率的光了。
为什么物体受热会发光呢?麦克斯韦很早就曾经发现,电磁波的速度与光速完全一致,因此他大胆预言:电磁波就是光。
爱因斯坦后来证明了麦克斯韦的预言。
所以当一个物体受热,吸收的能量会导致物体内的电子发生运动,从而产生电磁辐射。
物体受热越高,电子运动的频率越高,因此光波的频率也越高。
事实上,冷的物体也会“发光”,只是强度较弱,处于低频段,肉眼看不见。
比如你将你女朋友的手掌贴近你的脸颊,你会因你女朋友的手掌发出的红外光,而感到脸颊微微有些温暖。
因为再冷的物体,它的电子都会运动,因此一定会有电磁辐射。
绝对零度是不存在的,因为绝对静止的电子是不存在的(这涉及海森堡的不确定原理)。
一个非常合理的推测是:光波的频率越高,辐射强度越大。
这既符合经典物理学,也符合我们的常识:烧得越红的铁钳子,我们能感觉越热,因为它的辐射强度更大。
但事实上,只有在红外线波段,光波频率的增加与辐射强度的增加,是成正比的。
而到了更高频波段,随着光波频率的增加,辐射强度反而减弱了。
这倒也符合常识:太阳已经燃烧很多年了,未来还会燃烧很久。
而太阳发出的光波,频率远远高于紫外光。
如果辐射强度真的与光波频率成正比,那么太阳将会辐射出大量能量,太阳早就应该烧完了,而地球也早就应该被烧没了,人类早就该流浪地球了。
物理学家怎么想都想不通,为什么辐射强度在红外阶段,与光波频率成正比,而到了紫外阶段,辐射强度就与光波频率成反比了。
这就是所谓的紫外灾难。
普朗克没办法从现实角度解决紫外灾难,但他可以从数学上去解决紫外灾难。
他的办法是这样的:他假设,物体只能一咕嘟一咕嘟地辐射能量(也可以说一坨一坨地辐射能量,你随便选个量词),这一咕嘟(或者说一坨),普朗克给它取了一个好听的名字,叫做“量子”,因为它实际上就是一个量词。
每一个量子的能量,等于量子的振动频率乘以一个普朗克自己造出来的常数。
这个常数被称为“普朗克常数”,符号标记为h。
h=6.62607015×(10的负34次方)J·s,h的单位是焦耳乘以秒,也就是能量与时间的单位。
当然,能量不一定以热能的形式表现,也可以电能的形式表现,所以也可表示为h=4.1356676969×(10的负15次方)eV·s,这里h的单位是电子伏特乘以秒。
当时普朗克没觉得这个常数有什么特殊的,他纯粹是为了从数学上解决紫外灾难,觉得自己是硬着头皮发明出来了一个常数。
他自己说这是个没办法的办法。
通过常数h,普朗克可以求出一个符合现实的能量辐射公式E=hv。
E表示能量辐射,h是普朗克常数,v是频率。
看到这里,有人可能就要问了,说了半天,普朗克常数h怎么就解决了紫外灾难?根据E=hv的公式,能量辐射不还是跟频率v成正比吗?并不一样。
在经典物理学下,能量辐射是一个连续的曲线。
而在量子物理学下,由于普朗克常数h的加入,能量的辐射是不连续的,呈现一格一格的阶梯状。
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作者:刘康康(来自豆瓣)
来源:https:///note/724409793/
按照普朗克常数给出的量子物理学,电子运动一段时间却可以不辐射损伤任何能量(这在牛顿的经典物理学里是不可能的,你运动了、做功了,却并不损失能量),然后,到了某个时间,电子会随机地辐射出一个量子的能量。
在低频阶段,因为频率低,所以能量辐射的时间也短(因为h乘以v),辐射强度与频率成正比。
但到了高频阶段,虽然根据公式E=hv,频率越高,辐射出来的能量越大,但电子辐射能量的时间段也变得越长,隔很久时间也不辐射一个量子能量出来,所以到了高频阶段,辐射强度反而与频率成反比了。
我很喜欢用水龙头来打比方,帮助大家形象化地理解普朗克能量辐射公式。
水龙头就是正在辐射能量的太阳,而水就是太阳辐射出去的能量。
经典物理理论认为,
能量应该是连续辐射的,就像水应该是连续从水龙头里流出来的。
但其实,如果把水龙头稍微拧紧,水其实是一滴一滴从水龙头里流出来的。
一滴水的体积越大,含水量确实越多。
但水龙头要滴出来那么大一滴水,需要时间攒很久。
如果忽略时间,我们当然可以说,水龙头流出来的水量,与水滴的体积成正比。
但其实,水滴体积小,但滴下来的时间快,那么可能比水滴体积大,但滴下来的时间慢,要流出来更多的水量。
普朗克开启了量子力学的革命,但从普朗克本人的角度而言,他其实只是为了从数学上解决紫外灾难。
普朗克本人一点也不喜欢量子力学,相比起古典、优雅的经典力学,量子力学就像一个丑陋的怪物。
因为从人类的常识来说,我们这个世界的运动应该是连续的,而不是一卡顿一卡顿的。
这有点像电影的胶片,虽然我们肉眼感觉银幕上的动作是连续运动的,但其实只是胶片把一格一格的画面快速播放之后产生的幻觉。
量子力学严重违反了人类的常识,普朗克本人后来多次表示过,很后悔把量子力学这个怪物带到了世界上。