量子理论的发展史讲义课件.ppt
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1、第七讲,量子理论的发展史,量子论的建立和发展大体上经历了,5,个阶段:,1,、“紫外灾,难”的出现和普朗克量子论的提出;,2,、爱因斯坦的光量,子论和光的波粒二象性的提出;,3,、玻尔的原子结构理论,的提出;,4,、旧量子论的困难和物质波的发现;,5,、量子力,学的建立。,量子理论的创建,?,20,世纪初,物理学的另一项重大的创新是量子论的建立。,?,1900,年普朗克,(Max,Planck),为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难,,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
2、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。,旧量子论,波粒二象性新思想的提出,?,以后,玻尔、索末菲,(A.J.Sommerfeld),和其他许多物理学家为发展量子理,论花了很大力气,却遇到了严重困难。要从根本上解决问题,有待于,新的思想,那就是波粒二象性。,?,光的波粒二象性早在,1905,年和,1916,年就已由爱因斯坦提出,并于,1916,年,和,1923,年先后得到密立根光电效应实验和康普顿,X,射线散射实验证实。,?,物质粒子的波粒二象性却是晚至,1923,年才由德布罗意,(Lou
3、s de Broglie),提,出,,,这,以,后,经,过,海,森,伯,(W.Heisenberg,19011976),、,薛,定,谔,(E.Schrodinger,18871961),、,玻,恩,(Max,Born,18821970),和,狄,拉,克,(P.A.Dirac),等人的开创性工作,终于在,19251928,年形成完整的量子力,学理论,与爱因斯坦相对论并肩形成现代物理学的两大理论支柱。,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
4、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”,。,?,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。,物理天空的第二乌云:“黑体辐射”,?,19,世纪末期,实验已经能对热辐射所产生的光谱及其强度,的分布进行精密的测定。,?,1893,年,德国物理学家维恩发现黑体的温度,(,绝对温度,),同所,发射能量最大的波长成
5、反比,(,维恩位移定律,),。,1896,年维恩通,过半理论半经验的办法,找到了一个可用来描述能量分布,曲线的辐射定律。,?,这个定律或说公式,在短波部分同实验很符合,但在长波,部分却偏离很大。,对“黑体辐射”的研究导致“紫外灾难”,?,1900,年,英国物理学家瑞利根据统计力学和电磁理论,推,导出另一辐射定律。这一定律在,1905,年经英国物理学家金,斯加以修正,以后通称瑞利,-,金斯定律。,?,瑞利,-,金斯定律在长波部分与实验很符合,但在短波部分,却偏离很大。古典理论的这一失败被物理学家埃伦菲斯特,称为“紫外灾难”。,?,“紫外灾难”所引起的是物理学理论的一场革命。,普朗克的量子假说的出
6、台,?,1894,年德国物理学家普朗克开始研究黑体辐射问题。,?,1899,年他从热力学推导出维恩的辐射定律,确信这是惟一,正确的辐射定律。,?,但在年底,他注意到德国物理学家鲁本斯等人于,1899,年,9,月,发表的实验报告指出,维恩定律在短波部分同实验有偏离。,?,于是普朗克不得不尝试修改他的理论。,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
7、,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。,普朗克的量子假说的出台,?,但是,当时普朗克的辐射公式是根据实验数据凑出来的半,经验定律,得不到合理的理论解释。,?,为了寻找这个公式的理论根据,普朗克紧张地工作了两个,月,终于发现,要对这个公式作出合理的解释,惟一可能,的出路是假设:,物体在发射辐射和吸收辐射时,能量不是,连续变化的,而是以一定数量值的整数倍跳跃式地变化的。,普朗克的量子假说的出台,?,也就是说,在辐射的发射或吸收过程中,能量不是无限可,分的,而是
8、有一最小的单元。这个不可分的能量单元,普,朗克称之为“能量子”或“量子”,它的数值是,h,?,,其中,?,是辐射的频率,,h,叫做“作用量子”,是一个普适常数,以,后人们称之为“普朗克常数”。,?,1900,年,12,月,14,日,普朗克向德国物理学会报告了他的这一,大胆假说,这就是量子论的诞生。,2,、爱因斯坦的光量子理论,?,1905,年,爱因斯坦继承了普朗克所提出的这一革命性的观,念,用以解释当时的电磁理论所不能完全解释的光电效应,,亦即在光的照射下,由金属逸出的电子的能量和光的强度,无关,但和波长有关。,?,爱因斯坦指出,如果接受了普朗克的量子假说,那么将能,很自然地解释光电效应。爱因
9、斯坦由此而获得了诺贝尔奖。,普朗克和爱因斯坦,从能量子到光量子,?,但爱因斯坦不满足普朗克把能量不连续性只局限于辐射的发,射和吸收过程,而认为即使在空间的传播过程中,辐射也是,不连续的,是由不可分割的能量子组成的。,?,于是在“关于光的产生和转化的一个推测性观点”的论文中,,指出关于光的产生和转化的瞬时现象,波动论的结论同经验,不相符,要解释这类现象,只能假设光是由能量子所组成。,?,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。,?,光量子论的提出,意味着早在半个多世纪前
10、已被推翻了,的牛顿的光的微粒说在某种意义上的复活,使当时占绝,对统治地位的波动论出现了对立面。,?,不过,爱因斯坦并不是简单地回到了牛顿的微粒论,对,波动论采取排斥态度,而认为两者各自反映了光的本质,的一个侧面:对于统计的平均现象,光表现为波动,对,于瞬时的涨落现象,光表现为粒子。,光的波粒二象性的提出,?,换言之,爱因斯坦的粒子不同于牛顿的粒子,而是既具,有能量又具有动量的粒子,这就使得的光不仅具有波动,性,而且具有粒子性,是波动性和粒子性的辩证统一,,即光具有“波粒二象性”。,?,这是人类认识自然界的历史上第一次揭示了微观客体的,波动性和粒子性的对立统一。,光的波粒二象性的提出,光量子概念
11、的实验检验,?,1915,年,怀疑光量子论的美国实验物理学家密立根,通过,检验光量子论的推论:爱因斯坦的光电效应公式,不得不,宣布“它的无歧义的实验证实”。,?,首先把光看作是某种以光速,c,在真空中运动的粒子亦即光量,子的是爱因斯坦。正式赋予光子这一名称的是康普顿。,?,1923,年,康普顿发现康普顿效应,成为光量子论的判决性,实验,被物理学家公认为光量子存在的确凿证据。,康普顿实验的确证,?,1923,年,康普顿在测量,X,射线和某些物质的散射时,发现某,些散射后的,X,射线的波长变长了。康普顿为了解释这一现象,,就除了假定光子的能量:,E,hv,以外,还吸收了在,1917,年由,爱因斯坦
12、对光子还具有动量,p,的假定,亦即,p,=,hv,/,c,?,这样,光子就被看成为既具有确定,能量,,又有确定,动量,的,完整的粒子,。,康普顿实验的确证,?,如果让光子和静止中的电子发生完全的弹性碰撞,就可以,发现碰撞后的光子的能量和动量都有了改变,亦即相应的,波长有了改变,其数值恰好就是康普顿在实验上测量到的,数值!,?,后来,康普顿在吴有训的帮助下改进了他的实验,进一步,确证了这一命名为康普顿效应的实验现象。,康普顿实验的重要意义,?,为光的辐射确立了粒子观。,?,过去,至多认为在能量的吸收和发射上,其能量的改变具,有“粒子性”。,?,但是,康普顿散射实验却将光辐射看成是既有能量又有动,
13、量的粒子,而且通过牛顿力学中早已研究过的能量守恒定,律和动量守恒定律,就能预言出这一弹性碰撞将能导致光,量子波长或频率的改变。,康普顿实验的重要意义,?,但是,光子虽然能被认为是粒子,但又是波,因为它们,具有确定的振荡频率,又有实验上所完全确立的波动现,象,如绕射、干涉等效应。,?,由微粒而波动,由波动而波粒二象性的认识的历史发展,表明:人的认识的确是一个“正、反、合”的过程,或,者说符合唯物辩证法所揭示的“否定之否定”的规律。,3,、玻尔的原子结构理论,?,随着量子论的提出和发展,人们对原子的结构也有了新认识。,?,1903,年,J.J.,汤姆逊用一个类似葡萄干面包的原子模型来解释原,子的各
14、种性质。然而这一模型与,?,粒子透过金属箔的散射分,布不相符合,因为实验观测到散射角远远大于按照汤姆逊模,型所作的理论预测。,?,1911,年,关于原子结构的研究,卢瑟福在他的,粒子散射实,验的基础上,提出一个由电子绕原子核而旋转的原子模型,,即有核原子模型。,?,卢瑟福有核原子模型认为,原子里面绝大部分是虚空的,原,子中间有一个原子核,该模型得到了实验的验证,也,取得了,多方面的成功。,?,但是,卢瑟福模型也有一个原则性的理论上的困难,那就按,照电磁学的理论,外围电子在围绕原子核旋转亦即做加速运,动时,将不断辐射出电磁波,而最后却将掉到原子核里面,,为原子核所俘获,成为其半径只有,10,-1
15、3,厘米大小的原子。然,而,当时所有测到的原子的半径,却至少有,10,8,厘米,?,从经典理论来看,卢瑟福的有核,原子模型不符合经典理论的稳定,性要求,或者说,这个模型在经,典理论看来是站不住脚的。,?,但卢瑟福的有核原子模型通过他,的学生、后来著名的丹麦物理学,家尼尔斯玻尔的杰出工作,迅,速得到科学界的公认。,尼尔斯玻尔,(N.Bohr,,,1885-1962),尼尔斯玻尔因对原子结构和放,射的研究获,1922,年诺贝尔奖。他的,儿子欧文尼尔斯玻尔,(生于,1922,年)也是一个物理学家,因发,现原子核的非对称性而获,1975,年的,诺贝尔奖,.,玻尔提出定态轨道原子模型始末,?,1911,
16、年,玻尔到英国剑桥大学卡文迪什实验室学习和工作,,正好这时曼彻斯特大学的卢瑟福发现了原子核。,?,卢瑟福也曾是卡文迪什实验室的研究生。一天,卢瑟福回,到卡文迪什实验室,向研究人员报告自己的新发现。,?,玻尔很有兴趣地听了卢瑟福的报告,对卢瑟福根据实验结,果大胆地作出原子有核的决断深表钦佩,也很了解卢瑟福,困难的处境,于是向卢瑟福表示希望到卢瑟福所在的曼彻,斯特大学当访问学者。,?,卢瑟福欣然同意,几个月后,玻尔到卢瑟福的实验室工作,了,4,个月,其时正值卢瑟福组织大家对有核原子模型理论进,行检验。,?,玻尔参加了,?,射线散射的实验工作,帮助他们整理数据和撰,写论文。玻尔就这样在关键的时刻参加
17、到卢瑟福的工作之,中,成为这个集体的理论核心人物。,?,玻尔坚信卢瑟福的有核原子模型是符合客观事实的,也很,了解他的理论所面临的困难,他认为要解决原子的稳定性,问题,唯有靠量子理论,即要描述原子现象,就必须对经,典概念进行一番彻底的改造。,?,玻尔注意到,如果光辐射具有量子性,也就是说光辐射,时并不像经典电磁学所预期的那样,连续地释放出带电,粒子所具有的能量,而以不连续的形式,即至少以某种,“最小”的能量单元,亦即,hv,的形式释放能量,那么这一,量子性的起源,必定来自原子结构所具有的某些特点。,?,1912,年底,玻尔已返回丹麦,他仍在研究有核原子模型的,稳定性问题。正在他日夜苦思之际,他在
18、一位朋友汉森,(H.M.Hansen),向他提到氢光谱的巴耳末公式,劝他认真考虑,这个事实。,?,同时,斯塔克,(J.Stark),的著作中有关价电子跃迁产生辐射的,思想也对他有启发。,?,他把这些事情联系到了一起,突然头脑里出现了一个飞跃。,?,后来,玻尔回忆到:“当我一看到巴耳末公式,我对整个,事情就豁然开朗了。”于是玻尔很快就写出了著名的“三,部曲”,题名“原子构造和分子构造”,I,、,II,、,III,的三,篇论文,经卢瑟福推荐,发表在,1913,年哲学杂志上。,?,玻尔的原子理论取得了巨大的成功,,完满地解释了氢光谱,的巴耳末公式。他阐明了光谱的发射和吸收,并且成功地,解释了元素的周
19、期表,使量子理论取得了重大进展。,?,这一理论把卢瑟福的原子模型和普朗克的量子论大胆而巧,妙地结合起来,并且把原来只用于能量的量子概念加以推,广,为以后各种物理量的量子化打开了大门。,玻尔的原子结构理论,?,玻尔的原子结构理论的主要内容是:,?,电子只能在一些特定的圆轨道上绕核运行,在这些轨道,上,电子的角动量是,h/2,?,的整数倍。,?,电子在上述特定轨道上运行时,不发射也不吸收能量,,因此是稳定的,(,即处于“定态”,),。,?,当电子从一个具有较高能量,E,1,的轨道跃迁到具有低能量,E,2,的轨道时,就要发射出辐射。辐射的频率,?,满足如下关系:,h,?,=E,1,-E,2,。反过来
20、,如果电子从,E,2,跃迁到,E,1,,那就是辐射的,吸收过程。,玻尔的原子模型,?,电子在原子中虽然绕原,子核做圆周运动,但却,由于某种未知的原因,,使得电子在辐射能量时,,至少是释放出频率为,v,的,一个光量子。,?,这就是说,电子在释放,能量时,将由某一个轨,道跳到另一个轨道上。,电子通过吸收或释放一定的能量在能级间跃迁,?,于是,玻尔就提出一个大胆的假设,电子在原子中所做的圆,周运动,在光谱学中所观察到的明线光谱或吸收光谱中的谱,线,就是由于电子在不同旋转轨道上的跃迁而释放出的具有,确定频率的光量子。,从低能跃迁到高,能级,释放一个,光子,?,玻尔将这一模型应用到当时,已知的最简单的原
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