LordKelvin（1824~1907）

“在已經基本建成的科學大廈中，后輩的物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了?！币樱嚎茖W大廈和烏云(1900年)

“但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云，”熱輻射實驗邁克爾遜-莫雷實驗“Thereisnothingnewtobediscoveredinphysicsnow.Allthatremainsismoreandmoreprecisemeasurement.”

“buttwosmall,puzzlingcloudsremainedonthehorizon”。

第一朵烏云：黑體輻射與“紫外災難”。19世紀末，盧梅爾等人的著名實驗―黑體輻射實驗，發現黑體輻射的能量不是連續的，它按波長的分布僅與黑體的溫度有關。為了解釋黑體輻射實驗的結果，物理學家瑞利和金斯認為能量是一種連續變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是，這個公式推出，在短波區（紫外光區）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，這和實驗數據相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災難”。它的失敗無可懷疑地表明經典物理學理論在黑體輻射問題上的失敗，所以這也是整個經典物理學的“災難”。

第二朵烏云：邁克耳遜－莫雷實驗與“以太”說光波為什么能在真空中傳播？它的傳播介質是什么？物理學家給光找了個傳播介質―“以太”，肯定了“以太”的存在，新的問題又產生了：地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，就必須會遇到每秒30公里的“以太風”迎面吹來，同時，它也必須對光的傳播產生影響。這個問題的產生，引起人們去探討“以太風”存在與否。為了觀測“以太風”是否存在，邁克耳遜與莫雷合作，在克利夫蘭進行了一個著名的“邁克耳遜－莫雷實驗”，但是實驗結果卻與以太漂移說相矛盾，使科學家處于左右為難的境地。他們或者須放棄曾經說明電磁及光的許多現象的以太理論。如果他們不敢放棄以太，那末，他們必須放棄比“以太學”更古老的哥白尼的地動說。熱輻射實驗邁克爾遜-莫雷實驗相對論：高速領域量子理論：微觀領域引子：烏云成現代物理學兩大基石量子物理基礎早期量子論量子力學相對論量子力學普朗克能量量子化假說愛因斯坦光子假說康普頓效應玻爾的氫原子理論德布羅意實物粒子波粒二象性薛定諤方程波恩的物質波統計解釋海森伯的不確定關系狄拉克把量子力學與狹義相對論相結合量子物理發展簡史任何物體在任何溫度下都要發射各種波長的電磁波，這種由于物質中的分子、原子受到熱激發而發射電磁波的現象為熱輻射。熱輻射12-1黑體輻射普朗克量子假設一、熱輻射絕對黑體輻射定律黑體輻射普朗克量子假設能完全吸收照射到它上面的各種頻率的電磁輻射的物體稱為黑體(一種理想模型)。黑體黑體輻射普朗克量子假設二、單色輻射出射度（單色輻出度）：描寫物體輻射本領的物理量。是指單位時間內從物體單位面積上發出的波長在

附近單位波長間隔所輻射的能量。單位1.一定溫度下，單色輻出度隨波長分布，有一極大值；2.不同溫度時，輻射曲線不同；3.單位時間黑體單位面積輻射的總能量隨溫度的升高而迅速增大。三、輻射出射度（輻出度）

單位時間內單位面積上所輻射出的各種波長（或各種頻率）的電磁波的能量總和。即曲線下的面積黑體輻射普朗克量子假設1、斯忒藩—玻爾茲曼定律當絕對黑體的溫度升高時，單色輻射出射度最大值向短波方向移動。2、維恩位移定律峰值波長黑體輻射普朗克量子假設四、黑體輻射實驗定律實驗值維恩瑞利--金斯紫外災難3.理論與實驗符合情況黑體輻射普朗克量子假設結果不理想！黑體輻射普朗克量子假設普朗克黑體輻射公式4.普朗克量子假說(1)黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射電磁波，并和周圍的電磁場交換能量。(2)

諧振子能量不能連續變化，只能取一些分立值，是最小能量

的整數倍,這個最小能量稱為能量子。h

普朗克常數c

光速k

玻爾茲曼恒量M.V.Plank（普朗克）研究輻射的量子理論，發現基本量子，提出能量量子化的假設。擴展：1918諾貝爾物理學獎一、光電效應愛因斯坦方程的實驗規律光電效應：光照射到金屬表面時，有電子從金屬表面逸出的現象。光電子：逸出的電子。OOOOOOOO光電子由K飛向A，回路中形成光電流。12-2光的量子性效應光電效應伏安特性曲線飽和電流光強較強光強較弱截止電壓光電效應實驗規律1、單位時間內從陰極逸出的光電子數與入射光的強度成正比。2、存在遏止電勢差光電效應對于給定的金屬，當照射光頻率小于金屬的紅限頻率，則無論光的強度如何，都不會產生光電效應。(3)光電效應瞬時響應性質實驗發現，無論光強如何微弱，從光照射到光電子出現只需要的時間。光電效應實驗規律光電效應愛因斯坦光電效應方程二、愛因斯坦光子假說光是以光速c運動的微粒流，稱為光量子（光子）光子的能量金屬中的自由電子吸收一個光子能量h

以后，一部分用于電子從金屬表面逸出所需的逸出功A

，一部分轉化為光電子的動能。光電效應3.

從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關系。愛因斯坦對光電效應的解釋2.

電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，所以無須時間的累積。1.

光強大，光子數多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。光電效應例根據圖示確定以下各量1、鈉的紅限頻率2、普朗克常數3、鈉的逸出功解：由愛因斯坦方程其中截止電壓與入射光頻關系鈉的截止電壓與入射光頻關系光電效應從圖中得出從圖中得出鈉的截止電壓與入射光頻關系光電效應普朗克常數鈉的逸出功鈉的截止電壓與入射光頻關系光電效應A.Eunstein愛因斯坦對現代物理方面的貢獻，特別是闡明光電效應的定律。擴展：1921年諾貝爾物理學獎二、康普頓效應

1922年康普頓觀察X射線通過物質散射時，發現散射的波長變長的現象。X射線管光闌石墨體（散射物）

探測器康普頓效應石墨的康普頓效應........................................................................................(a)(b)(c)(d)

(埃)0.7000.7501.散射X射線的波長中有兩個峰值與散射角

有關3.不同散射物質，在同一散射角下波長的改變相同。4.

波長為

的散射光強度隨散射物質原子序數的增加而減小?？灯疹D效應的光子理論解釋高能光子和低能自由電子作完全彈性碰撞。

1、若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子,光子的能量減少，因此波長變長，頻率變低。2、若光子和內層電子相碰撞時，碰撞前后光子能量幾乎不變，故波長有不變的成分。3、因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，所以波長改變和散射角有關?？灯疹D效應光子的能量、質量和動量由于光子速度恒為c，所以光子的“靜止質量”為零。光子的動量：光子的能量:康普頓效應光子的能量:康普頓效應的定量分析YXYX（1）碰撞前（2）碰撞后能量守恒

動量守恒X碰撞前，電子平均動能（約百分之幾eV），與入射的X射線光子的能量（104~105eV）相比可忽略，電子可看作靜止的?？灯疹D效應由能量守恒:由動量守恒:式中，電子的康普頓波長X康普頓效應A.H.Compton康普頓

發現了X射線通過物質散射時，波長發生變化的現象。1927諾貝爾物理學獎動能、動量和質量是表示粒子特性的物理量波長、頻率是表示波動特性的物理量光子不僅具有波動性，同時也具有粒子性，即具有波粒二象性。光子是一種基本粒子，在真空中以光速運動。總結：光的量子性效應擴展：“電子和光子”會議一、氫原子光譜的實驗規律譜線是線狀分立的。連續12-2玻爾的氫原子理論賴曼系在紫外區帕邢系在近紅外區布喇開系在紅外區普芳德系在紅外區玻爾的氫原子理論巴耳末系在可見區里德伯常數R=1.0967758×107m-1二、玻爾氫原子理論原子的核式結構的缺陷：無法解釋原子的穩定性；無法解釋原子光譜的不連續性。玻爾原子理論的三個基本假設：1、定態假設原子系統存在一系列不連續的能量狀態，處于這些狀態的原子中電子只能在一定的軌道上繞核作圓周運動，但不輻射能量。這些狀態稱為穩定狀態，簡稱定態。對應的能量E1,E2,E3…是不連續的。玻爾的氫原子理論2、頻率假設原子從一較大能量En的定態向另一較低能量Ek的定態躍遷時，輻射一個光子

3、軌道角動量量子化假設軌道量子化條件n為正整數，稱為量子數躍遷頻率條件原子從較低能量Ek的定態向較大能量En的定態躍遷時，吸收一個光子

玻爾的氫原子理論基本假設應用于氫原子：(1)軌道半徑量子化第一玻爾軌道半徑玻爾的氫原子理論(2)能量量子化和原子能級基態能級激發態能級氫原子的電離能玻爾的氫原子理論(3)氫原子光譜氫原子發光機制是能級間的躍遷R理論—里德伯常數1.097373×107m-1R實驗=1.096776×107m-1玻爾的氫原子理論氫原子光譜中的不同譜線6562.794861.334340.474101.741215.681025.83972.5418.7540.50賴曼系巴耳末系帕邢系布喇開系連續區例

試計算氫原子中巴耳末系的最短波長和最長波長各是多少？解：根據巴耳末系的波長公式，其最長波長應是n=3n=2躍遷的光子，即最短波長應是n=n=2躍遷的光子，即玻爾的氫原子理論例（1）將一個氫原子從基態激發到n=4的激發態需要多少能量？（2）處于n=4的激發態的氫原子可發出多少條譜線？其中多少條可見光譜線，其光波波長各多少？解：（1）（2）在某一瞬時，一個氫原子只能發射與某一譜線相應的一定頻率的一個光子，在一段時間內可以發出的譜線躍遷如圖所示，共有6條譜線。玻爾的氫原子理論由圖可知，可見光的譜線為n=4和n=3躍遷到n=2的兩條玻爾的氫原子理論二、玻爾理論的缺陷1.

把電子看作是一經典粒子，推導中應用了牛頓定律，使用了軌道的概念，所以玻爾理論不是徹底的量子論。2.角動量量子化的假設以及電子在穩定軌道上運動時不輻射電磁波的是十分生硬的。3.

無法解釋光譜線的精細結構。4.

不能預言光譜線的強度。玻爾的氫原子理論N.Bohr玻爾研究原子結構，特別是研究從原子發出的輻射。擴展：1922諾貝爾物理學獎一、德布羅意波（物質波）任何運動的粒子皆伴隨著一個波，粒子的運動和波的傳播不能相互分離。運動的實物粒子的能量E、動量p與它相關聯的波的頻率

和波長

之間滿足如下關系：德布羅意關系式12-4粒子的波動性自由粒子速度較小時（屬于經典物理）電子的德布羅意波長為例如：電子經加速電勢差

V加速后粒子的波動性電子波單個電子通過單縫在屏上留下斑點，表明電子具有粒子性—實物粒子不被分割的整體性。單個電子逐個通過單縫，最后得到表現波動特性的衍射圖樣分布，表明電子具有波動性—衍射圖樣的形成正是單個電子波動性的集體表現。粒子的波動性電子單縫實驗結果3.物質波不同于經典波.經典波是某個實在物理量（如位移、電場等）的時空周期性變化。電子單縫衍射條紋明條紋處電子密度大，即該處電子出現的概率大，暗紋處電子密度小，即該處電子出現的概率小—物質波是概率波。4.微觀粒子不同于經典粒子，經典粒子的運動具有確定性，受經典力學規律支配，如子彈打靶彈孔的統計分布不具有波動特征.微觀粒子的運動有一定的不確定性—單個粒子的運動受概率分布規律的制約。粒子的波動性L.V.Broglie

德布羅意電子波動性的理論研究。擴展：1929年諾貝爾物理學獎C.J.Davisson

戴維孫通過實驗發現晶體對電子的衍射作用。擴展：1937年諾貝爾物理學獎粒子的波動性光具有波動性和粒子性，即波粒二象性。I、N越大，光子出現概率越大；I、N越小，光子出現概率越小。波動性：某處明亮，則某處光強大，即I大。粒子性：某處明亮，則某處光子多，即N大。

N

E02

I

E02光子在某處出現的概率和該處光波振幅的平方成正比。粒子的波動性電子也具有粒子性和波動性，即波粒二象性；與光子類比玻恩提出物質波是一種概率波，它描述粒子在各處出現的概率。

它無直接的物理意義，不同于經典波的波函數，有意義的是，表示粒子的概率分布。物質波的波函數,其模的平方：代表

t時刻，在端點處單位體積中發現一個粒子的概率，稱為“概率密度”。M.Born

玻恩對量子力學的基礎研究，特別是量子力學中波函數的統計解釋。擴展：1954年諾貝爾物理學獎衍射試驗中，電子具有確定的位置嗎？衍射圖樣電子束縫屏幕X方向電子的位置不確定量為：12-5不確定關系微觀粒子的空間位置要由概率波來描述，概率波只能給出粒子在各處出現的概率。

X方向的分動量px

的測