文科物理物質(zhì)觀革命——量子論

1、文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 第六章第六章 物質(zhì)觀的革命物質(zhì)觀的革命量子論量子論 我以前同現(xiàn)在一樣，相信物理定律越帶普遍性，我以前同現(xiàn)在一樣，相信物理定律越帶普遍性， 就越是簡單。就越是簡單。 M.M.普朗克，普朗克，M.M.普朗克物理論文和演講集普朗克物理論文和演講集 當一個人尋求生活的和諧時，必須永不忘記，在生當一個人尋求生活的和諧時，必須永不忘記，在生 活的偉大戲劇中，我們既是觀眾，又是演員，這是一個活的偉大戲劇中，我們既是觀眾，又是演員，這是一個 古老的真理。古老的真理。 N.N.玻爾，玻爾，原子物理學(xué)與自然的描述原子物理學(xué)與自然的描述 經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué) 經(jīng)典電動力

2、學(xué)經(jīng)典電動力學(xué) 經(jīng)典熱力學(xué)經(jīng)典熱力學(xué) 物理學(xué)大廈物理學(xué)大廈 兩朵烏云：兩朵烏云： “動力學(xué)理論斷言，熱和光都是運動的方式。動力學(xué)理論斷言，熱和光都是運動的方式。 但現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩朵烏但現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩朵烏 云遮蔽，顯得黯然失色了云遮蔽，顯得黯然失色了” 邁克爾遜莫雷實驗邁克爾遜莫雷實驗 黑體輻射研究黑體輻射研究 相對論相對論 量子力學(xué)量子力學(xué) 量子幽靈量子幽靈 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 本章將對本章將對2020世紀物質(zhì)觀革命中一系列重大發(fā)現(xiàn)做世紀物質(zhì)觀革命中一系列重大發(fā)現(xiàn)做 出介紹，包括能量量子化、光量子、原子核式模型、玻出介紹，包

3、括能量量子化、光量子、原子核式模型、玻 爾模型、物質(zhì)波、物質(zhì)波方程及波函數(shù)。圍繞這些重大爾模型、物質(zhì)波、物質(zhì)波方程及波函數(shù)。圍繞這些重大 發(fā)現(xiàn)，我們將看到量子物理學(xué)的先驅(qū)的杰出的洞察力、發(fā)現(xiàn)，我們將看到量子物理學(xué)的先驅(qū)的杰出的洞察力、 豐富的想像力和驚人的創(chuàng)造力；量子物理發(fā)展的艱難歷豐富的想像力和驚人的創(chuàng)造力；量子物理發(fā)展的艱難歷 程；科學(xué)爭論如何推動量子物理發(fā)展；以及物理學(xué)家尋程；科學(xué)爭論如何推動量子物理發(fā)展；以及物理學(xué)家尋 找物質(zhì)世界和諧統(tǒng)一的那種執(zhí)著精神。找物質(zhì)世界和諧統(tǒng)一的那種執(zhí)著精神。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 6-1 6-1 黑體輻射黑體輻射 普朗克能量子假

4、說普朗克能量子假說 一、黑體一、黑體 黑體輻射黑體輻射 1、熱輻射、熱輻射 熱輻射現(xiàn)象：任何溫度下，宏觀物體熱輻射現(xiàn)象：任何溫度下，宏觀物體 都要向外輻射電磁波。電磁波能量的都要向外輻射電磁波。電磁波能量的 多少，以及電磁波按波長的分布都與多少，以及電磁波按波長的分布都與 溫度有關(guān)，故稱為熱輻射。溫度有關(guān)，故稱為熱輻射。 熱平衡現(xiàn)象：溫度恒定不變。熱平衡現(xiàn)象：溫度恒定不變。 2、黑體、黑體 定義：如果一個物體在任何溫度下，對任何波長的電定義：如果一個物體在任何溫度下，對任何波長的電 磁波都完全吸收，而不反射與透射，則稱這種物體為絕磁波都完全吸收，而不反射與透射，則稱這種物體為絕 對黑體，簡稱黑

5、體。對黑體，簡稱黑體。 說明：黑體是個理想化的模型說明：黑體是個理想化的模型;在相同溫度下的輻射規(guī)在相同溫度下的輻射規(guī) 律是相同的。律是相同的。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 3、與熱輻射有關(guān)的物理量、與熱輻射有關(guān)的物理量 單色輻出度單色輻出度 從熱力學(xué)溫度為從熱力學(xué)溫度為T 的黑體的單位面積上、單位時間內(nèi)、的黑體的單位面積上、單位時間內(nèi)、 在單位波長范圍內(nèi)所輻射的電磁波能量，稱為單色輻在單位波長范圍內(nèi)所輻射的電磁波能量，稱為單色輻 射出射度，簡稱單色輻出度，用射出射度，簡稱單色輻出度，用M( (T T ) )表示表示。 輻射出射度輻射出射度 在單位時間內(nèi)，從熱力學(xué)溫度為在

6、單位時間內(nèi)，從熱力學(xué)溫度為T的黑體的單位面積的黑體的單位面積 上、所輻射的各種波長范圍的電磁波的能量總和，稱上、所輻射的各種波長范圍的電磁波的能量總和，稱 為輻射出射度，簡稱輻出度。為輻射出射度，簡稱輻出度。 0 )()( dTMTM 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 二、斯忒藩二、斯忒藩玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律 維恩位移定律維恩位移定律 1、測量黑體輻射的實驗原理圖、測量黑體輻射的實驗原理圖 2、斯特藩斯特藩-玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律 黑體的輻出度與黑體的熱力學(xué)黑體的輻出度與黑體的熱力學(xué) 溫度的四次方成正比溫度的四次方成正比斯特斯特 藩藩-玻耳茲曼定律（玻耳茲曼定律（1897

7、） 4 TTM =5.6710-8W m-2 K-4 為為斯特藩斯特藩-玻耳茲曼玻耳茲曼常量常量 3、維恩位移定律、維恩位移定律 bT m Km10897. 2 3 b 當黑體的熱力學(xué)溫度升高時，當黑體的熱力學(xué)溫度升高時， 與單色輻出度峰值相對應(yīng)的波與單色輻出度峰值相對應(yīng)的波 長長 m 向短波方向移動向短波方向移動維維 恩位移定律（恩位移定律（1893） )(TM 1700k 1500k 1300k 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 三、黑體輻射的瑞利三、黑體輻射的瑞利金斯公式金斯公式 經(jīng)典物理的困難經(jīng)典物理的困難 1、瑞利、瑞利金斯公式金斯公式 出發(fā)點：能量均分定理和電出發(fā)點

8、：能量均分定理和電 磁理論磁理論 )(TM 實驗實驗 瑞利瑞利-金斯金斯 T=1646k 2、經(jīng)典物理的困難、經(jīng)典物理的困難 在低頻（長波）部分與實驗曲線相符合，在高頻（短波）則完在低頻（長波）部分與實驗曲線相符合，在高頻（短波）則完 全不能適用。全不能適用。 在高頻部分，黑體輻射的單色輻出度將隨著頻率的增高而趨于在高頻部分，黑體輻射的單色輻出度將隨著頻率的增高而趨于 “無限大無限大”“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”。 kTd c v dTM 2 2 2 )( kTd c dTM 4 2 )( 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 四、普朗克假說四、普朗克假說 普朗克黑體輻射公式普朗克黑體輻射

9、公式 普朗克普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947) 德國物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠德國物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠 基人?；?。 普朗克的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論，普朗克的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論， 1900年年12月月14日他在德國物理學(xué)會上，宣日他在德國物理學(xué)會上，宣 讀了以讀了以關(guān)于正常光譜中能量分布定律的關(guān)于正常光譜中能量分布定律的 理論理論為題的論文，提出了能量的量子化為題的論文，提出了能量的量子化 假設(shè)，并導(dǎo)出了黑體輻射的能量分布公式。假設(shè)，并導(dǎo)出了黑體輻射的能量分布公式。 這是物理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)這是物

10、理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié) 束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。勞厄稱束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。勞厄稱 這一天為這一天為“量子論的誕生日量子論的誕生日”。 1918年普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得年普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得 了諾貝爾獎金。了諾貝爾獎金。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 1、普朗克假說普朗克假說 1 2 )( 5 2 Tk hc e dhc dTM 2、普朗克公式普朗克公式 1 12 2 3 kTh ec h dTM nh n “必須假定，能量在發(fā)射和吸必須假定，能量在發(fā)射和吸 收的時候，不是連續(xù)不斷，而收的時候，不是連續(xù)不斷，而 是分成一份一份的。是分

11、成一份一份的?！?其中其中h=6.626 10-34 Js為普郎克常數(shù)為普郎克常數(shù) 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 )(TM 實驗實驗 瑞利瑞利-瓊斯瓊斯 T=1646k 瑞利瑞利-金金斯斯 普朗克理論值普朗克理論值 3、說明說明 圓滿地解釋了絕對黑體的輻射圓滿地解釋了絕對黑體的輻射 問題、固體的比熱問題等。問題、固體的比熱問題等。 從普朗克公式可導(dǎo)出從普朗克公式可導(dǎo)出斯特斯特 藩藩-玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律，維恩，維恩 公式，公式，瑞利瑞利金斯公式金斯公式 維恩位移定律維恩位移定律 4 0 TdTM 斯特藩斯特藩-玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律 維恩公式維恩公式 瑞利瑞利金斯公式

12、金斯公式 0 0 )( d TdM 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 4、普朗克假說普朗克假說意義意義 普朗克拋棄了經(jīng)典物理中的能量可連續(xù)變化的舊觀點，提出普朗克拋棄了經(jīng)典物理中的能量可連續(xù)變化的舊觀點，提出 了能量子、物體輻射或吸收能量只能一份一份地按不連續(xù)的了能量子、物體輻射或吸收能量只能一份一份地按不連續(xù)的 方式進行的新觀點。這不僅成功地解決了熱輻射中的難題，方式進行的新觀點。這不僅成功地解決了熱輻射中的難題， 而且開創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標志著人類對自然規(guī)律的認識而且開創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標志著人類對自然規(guī)律的認識 已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了已經(jīng)

13、從從宏觀領(lǐng)域進入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了 基礎(chǔ)?；A(chǔ)。 五、黑體輻射的應(yīng)用五、黑體輻射的應(yīng)用 測量溫度：通過測量星體的譜線分布來確定其熱力學(xué)溫度測量溫度：通過測量星體的譜線分布來確定其熱力學(xué)溫度 熱象圖：通過比較物體表面不同區(qū)域的顏色變化情況來確熱象圖：通過比較物體表面不同區(qū)域的顏色變化情況來確 定物體表面的溫度分布；定物體表面的溫度分布； 消失線高溫計：測量爐溫消失線高溫計：測量爐溫 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 不同溫度下，輻射能量集不同溫度下，輻射能量集 中的波長范圍不同。中的波長范圍不同。 600 600，物體的熱輻射波，物體的熱輻射波 長在紅外和遠紅外波段

14、。長在紅外和遠紅外波段。 溫度的升高，物體熱輻射溫度的升高，物體熱輻射 的能量逐漸增強，輻射波長趨的能量逐漸增強，輻射波長趨 向短波段。向短波段。 600 600700700，物體開始呈，物體開始呈 現(xiàn)暗紅色，這表明輻射波段開現(xiàn)暗紅色，這表明輻射波段開 始進入可見光區(qū)域。始進入可見光區(qū)域。 物體溫度的繼續(xù)升高，輻射的波長進一步向短波方向物體溫度的繼續(xù)升高，輻射的波長進一步向短波方向 移動，物體變得鮮紅，甚至白熱。移動，物體變得鮮紅，甚至白熱。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 5 5應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 （1 1）用維恩位移定律，可估計太陽的溫度。）用維恩位移定律，可估計太陽的溫度

15、。 太陽中最強的是黃光，即太陽中最強的是黃光，即 0.50.5m，則可估計，則可估計 太陽表面溫度太陽表面溫度T T58005800K。 （2 2）將輻射本領(lǐng)對各種）將輻射本領(lǐng)對各種 求和，可得總輻射本領(lǐng)公式：求和，可得總輻射本領(lǐng)公式： 4 T)T(W 此式又稱斯忒藩此式又稱斯忒藩-玻爾茲曼定律，其中常數(shù)玻爾茲曼定律，其中常數(shù) 為為 ） 428 32 45 Km（W/106705. 5 15 2 hc k 利用斯忒藩利用斯忒藩- -玻爾茲曼定律，可估計太陽表面單位面玻爾茲曼定律，可估計太陽表面單位面 積所輻射的功率約為積所輻射的功率約為 W/m2。由此可見太陽能。由此可見太陽能 有得到利用的價

16、值。有得到利用的價值。 7 1046. 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 三、量子觀念在三、量子觀念在“非難非難”中得到發(fā)展中得到發(fā)展 1 1“能量子能量子”vs.vs. 懷疑懷疑 普朗克引入了普朗克引入了“能量子能量子”的假設(shè)，標志著量子物的假設(shè)，標志著量子物 理學(xué)的誕生，具有劃時代的意義。但是由于這個假設(shè)理學(xué)的誕生，具有劃時代的意義。但是由于這個假設(shè) 對經(jīng)典物理學(xué)致命的打擊，所以他同時代的那些物理對經(jīng)典物理學(xué)致命的打擊，所以他同時代的那些物理 學(xué)家對這一觀念都表示疑惑不解，甚至懷疑。洛倫茲學(xué)家對這一觀念都表示疑惑不解，甚至懷疑。洛倫茲 說：說： “關(guān)于輻射量子問題的討論使科

17、學(xué)家們都陷在死關(guān)于輻射量子問題的討論使科學(xué)家們都陷在死 胡同里了。胡同里了。” 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 普朗克本人也由于受傳統(tǒng)的經(jīng)典觀念影響太深，普朗克本人也由于受傳統(tǒng)的經(jīng)典觀念影響太深， 對自己提出的對自己提出的“能量子能量子”思想違反了經(jīng)典的連續(xù)性概思想違反了經(jīng)典的連續(xù)性概 念而煩惱和后悔。并一直試圖用連續(xù)性代替不連續(xù)性，念而煩惱和后悔。并一直試圖用連續(xù)性代替不連續(xù)性， 回到經(jīng)典范疇。經(jīng)過十多年徒勞的努力后，他才相信回到經(jīng)典范疇。經(jīng)過十多年徒勞的努力后，他才相信 能量子假設(shè)是正確的，作用量子能量子假設(shè)是正確的，作用量子h反映了新理論的本質(zhì)。反映了新理論的本質(zhì)。 年

18、僅年僅2121歲的愛因斯坦，對于新生歲的愛因斯坦，對于新生“量子嬰兒量子嬰兒”， 表現(xiàn)出熱情支持的態(tài)度。并于表現(xiàn)出熱情支持的態(tài)度。并于19051905年提出了年提出了“光量子光量子” 假設(shè)，把量子看成是輻射粒子，賦予量子的實在性，假設(shè)，把量子看成是輻射粒子，賦予量子的實在性， 并成功地解釋了光電效應(yīng)實驗，捍衛(wèi)和發(fā)展了量子論，并成功地解釋了光電效應(yīng)實驗，捍衛(wèi)和發(fā)展了量子論， 不愧為量子物理的一代先驅(qū)。不愧為量子物理的一代先驅(qū)。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 6-2 6-2 第一個鉆到原子中心的人第一個鉆到原子中心的人盧盧 瑟福瑟福 在介紹第三位量子物理的先驅(qū)者玻爾的工作以前，

19、在介紹第三位量子物理的先驅(qū)者玻爾的工作以前， 有必要先介紹盧瑟福，不僅因為盧瑟福的工作同樣是有必要先介紹盧瑟福，不僅因為盧瑟福的工作同樣是 給了經(jīng)典物理一個致命的打擊，而且玻爾的工作正是給了經(jīng)典物理一個致命的打擊，而且玻爾的工作正是 建立在他的工作基礎(chǔ)上的。建立在他的工作基礎(chǔ)上的。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 一、湯姆孫的原子模型 電子的發(fā)現(xiàn)者湯姆孫本人電子的發(fā)現(xiàn)者湯姆孫本人 所提出的一種原子模型：所提出的一種原子模型： 原子的正電荷是均勻分布原子的正電荷是均勻分布 在整個原子球體內(nèi)，而電子是在整個原子球體內(nèi)，而電子是 一個個嵌在其中，并保持整個一個個嵌在其中，并保持整個

20、 原子的電中性。當時這種模型原子的電中性。當時這種模型 被稱之為被稱之為“葡萄干布丁模型葡萄干布丁模型”。 葡萄干布丁模型葡萄干布丁模型 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 19041904年又作進一步假設(shè)：原子中電子是分布在一個個同年又作進一步假設(shè)：原子中電子是分布在一個個同 心圓環(huán)上，作著旋轉(zhuǎn)，每個環(huán)中只能包含心圓環(huán)上，作著旋轉(zhuǎn)，每個環(huán)中只能包含 這個假設(shè)可解釋元素周期表。這個假設(shè)可解釋元素周期表。 缺點：缺點： 不能解釋正負電荷不中和；不能解釋正負電荷不中和； 不解釋氫原子光譜存在的譜線系；不解釋氫原子光譜存在的譜線系； 不解釋不解釋粒子大角度散射。粒子大角度散射。 文科物

21、理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 二、粒子探針的奇跡 盧瑟福是盧瑟福是J.J.J.J.湯姆孫第一個外國研究生。后來成為卡文湯姆孫第一個外國研究生。后來成為卡文 迪許實驗室的第四任教授。迪許實驗室的第四任教授。 他發(fā)現(xiàn)了放射性規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了原他發(fā)現(xiàn)了放射性規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了原 子核式結(jié)構(gòu)，首此實現(xiàn)了人工核反應(yīng)，子核式結(jié)構(gòu)，首此實現(xiàn)了人工核反應(yīng)， 預(yù)言了中子等。被譽為預(yù)言了中子等。被譽為“核物理之父核物理之父”。 他非常重視人才培養(yǎng)，被稱為培養(yǎng)人才他非常重視人才培養(yǎng)，被稱為培養(yǎng)人才 的巨匠。反應(yīng)堆的發(fā)明者的巨匠。反應(yīng)堆的發(fā)明者費米說，費米說， 盧瑟福在科學(xué)史上被懷念，不僅因為他盧瑟福在科學(xué)史上被

22、懷念，不僅因為他 的貢獻，而且還因為的貢獻，而且還因為“他作為教師這個他作為教師這個 字眼最高意義上的一個教師字眼最高意義上的一個教師”。他提倡。他提倡 鼓勵學(xué)生思考問題，提出問題，自己解鼓勵學(xué)生思考問題，提出問題，自己解 決問題。決問題。 盧瑟福盧瑟福 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 盧瑟福的研究生馬斯登和蓋革用盧瑟福的研究生馬斯登和蓋革用 粒子轟擊厚度粒子轟擊厚度 為為0.40.4m m的金箔，發(fā)現(xiàn)有的金箔，發(fā)現(xiàn)有1/200001/20000的概率被反射回來，的概率被反射回來， 發(fā)生大角度散射發(fā)生大角度散射這是第一個有科學(xué)依據(jù)的原子模這是第一個有科學(xué)依據(jù)的原子模 型的起點

23、。型的起點。 用葡萄干布丁模型是無法解釋粒子被反射回來的用葡萄干布丁模型是無法解釋粒子被反射回來的 現(xiàn)象。盧瑟福提出原子的現(xiàn)象。盧瑟福提出原子的“核式結(jié)構(gòu)模型核式結(jié)構(gòu)模型”：所有正：所有正 電荷（電荷（ZeZe）和原子質(zhì)量都集中在原子中心一個非常小）和原子質(zhì)量都集中在原子中心一個非常小 的體積內(nèi)，這就是原子核。原子中的電子繞核運動的體積內(nèi)，這就是原子核。原子中的電子繞核運動, ,靠靠 靜電引力把整個原子結(jié)合在一起。并且通過理論推導(dǎo)靜電引力把整個原子結(jié)合在一起。并且通過理論推導(dǎo) 給出了著名的給出了著名的“盧瑟福散射公式盧瑟福散射公式”, ,所計算出的所計算出的 粒子粒子 散射概率與實驗事實完全相

24、符。散射概率與實驗事實完全相符。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 三、盧瑟福的“原子核式結(jié)構(gòu)”模型的提出 和遭遇 盧瑟福提出的原子核模型：盧瑟福提出的原子核模型： 所有正電荷（所有正電荷（Ze）和原子質(zhì)量都集中在原子中心）和原子質(zhì)量都集中在原子中心 一個非常小的體積內(nèi)，構(gòu)成原子核；原子中的電子繞一個非常小的體積內(nèi)，構(gòu)成原子核；原子中的電子繞 核運動。核運動。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 但是任何重大發(fā)現(xiàn)的背后，往往又孕育著新的問但是任何重大發(fā)現(xiàn)的背后，往往又孕育著新的問 題，甚至是一種災(zāi)難。盧瑟福模型也不例外。主要問題，甚至是一種災(zāi)難。盧瑟福模型也不例外

25、。主要問 題是無法解釋原子的穩(wěn)定性和原子有一定的大小。因題是無法解釋原子的穩(wěn)定性和原子有一定的大小。因 為按照經(jīng)典電磁學(xué)理論，當帶電粒子作加速運動時，為按照經(jīng)典電磁學(xué)理論，當帶電粒子作加速運動時， 會發(fā)射電磁波，放出能量。因此，繞核運動的電子輻會發(fā)射電磁波，放出能量。因此，繞核運動的電子輻 射而損失能量最后導(dǎo)致落到原子核上。（這個過程非射而損失能量最后導(dǎo)致落到原子核上。（這個過程非 常短暫。）常短暫。） 這樣的原子就都是不穩(wěn)定的了。后果不堪設(shè)想！這樣的原子就都是不穩(wěn)定的了。后果不堪設(shè)想！ 有人開玩笑說，物理學(xué)家有人開玩笑說，物理學(xué)家 不知道為什么自己住的樓不知道為什么自己住的樓 沒有倒塌掉！沒

26、有倒塌掉！ e + e 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 四、盧瑟福預(yù)言核內(nèi)存在“中子” 在發(fā)現(xiàn)原子核后，科學(xué)家就在思考原子核的組成。在發(fā)現(xiàn)原子核后，科學(xué)家就在思考原子核的組成。 在在19201920年以前，普遍認為是由質(zhì)子（氫核）和電子年以前，普遍認為是由質(zhì)子（氫核）和電子 組成，當時電子和質(zhì)子是人們僅知的兩種基本粒子。隨組成，當時電子和質(zhì)子是人們僅知的兩種基本粒子。隨 著一些元素的同位素的發(fā)現(xiàn)，提出了一個問題，即為什著一些元素的同位素的發(fā)現(xiàn)，提出了一個問題，即為什 么這些同位素的核電荷么這些同位素的核電荷ZeZe相同，但質(zhì)量不同，且非常接相同，但質(zhì)量不同，且非常接 近質(zhì)子質(zhì)

27、量的整數(shù)倍？近質(zhì)子質(zhì)量的整數(shù)倍？ “在某些情況下，也許由一個電子更加緊密地與在某些情況下，也許由一個電子更加緊密地與H H （氫）核結(jié)合在一起，組成一個中性的雙子，這樣的（氫）核結(jié)合在一起，組成一個中性的雙子，這樣的 原子也許有很新穎的特性。原子也許有很新穎的特性?！薄啊薄耙忉屩卦氐慕M成，要解釋重元素的組成， 這種原子的存在，看來是必需的。這種原子的存在，看來是必需的?！?在在19241924年后，這種中性雙子被定名為中子。年后，這種中性雙子被定名為中子。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 在中子的發(fā)現(xiàn)上，約里奧在中子的發(fā)現(xiàn)上，約里奧-居里夫婦在舊的傳統(tǒng)觀念居里夫婦在舊的傳

28、統(tǒng)觀念 的影響下，錯失了機會。而相信盧瑟福的預(yù)言，一心的影響下，錯失了機會。而相信盧瑟福的預(yù)言，一心 在尋找中子的查德維克抓住了機遇，發(fā)現(xiàn)了中子，榮在尋找中子的查德維克抓住了機遇，發(fā)現(xiàn)了中子，榮 獲諾貝爾物理學(xué)獎。獲諾貝爾物理學(xué)獎。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 1931 1931年，著名的居里夫人的女兒和女婿年，著名的居里夫人的女兒和女婿約里約里 奧奧- -居里夫婦在實驗室里觀測到一種居里夫婦在實驗室里觀測到一種 穿透力特別強的射線，它不帶電，也穿透力特別強的射線，它不帶電，也 看不見。約里奧看不見。約里奧- -居里夫婦把它當成居里夫婦把它當成 是非常硬的短波是非常硬的短

29、波射線。而看到這射線。而看到這 個實驗結(jié)果，劍橋大學(xué)卡文迪許實個實驗結(jié)果，劍橋大學(xué)卡文迪許實 驗室的查德威克則激動地意識到：驗室的查德威克則激動地意識到： 這是中子！說：這是中子！說：“他們真傻！看見他們真傻！看見 了中子還不知道！了中子還不知道！” 查德威克查德威克 中子的發(fā)現(xiàn)使人們對原子核的研究進入一個嶄新中子的發(fā)現(xiàn)使人們對原子核的研究進入一個嶄新 階段。階段。 由于中子不帶電，容易進入核內(nèi)，所以用它作由于中子不帶電，容易進入核內(nèi)，所以用它作 為研究原子核的炮彈，比帶電的粒子威力大得多，因為研究原子核的炮彈，比帶電的粒子威力大得多，因 此中子的發(fā)現(xiàn)也為核能的利用打開了大門。此中子的發(fā)現(xiàn)也為

30、核能的利用打開了大門。 查德威克是盧瑟福的學(xué)生，他設(shè)計實驗發(fā)現(xiàn)了中子，并用云室測定了中子的質(zhì)量。查德威克是盧瑟福的學(xué)生，他設(shè)計實驗發(fā)現(xiàn)了中子，并用云室測定了中子的質(zhì)量。1935 1935年，在諾貝爾獎評獎委員會上，有人認為應(yīng)由約里奧 年，在諾貝爾獎評獎委員會上，有人認為應(yīng)由約里奧- -居里夫婦與查德威克共享這一年的獎金。居里夫婦與查德威克共享這一年的獎金。 盧瑟福說，給查德威克吧，約里奧盧瑟福說，給查德威克吧，約里奧- -居里夫婦那么能干，他們以后還有機會。就在同一年，化學(xué)的諾貝爾獎評委員會把居里夫婦那么能干，他們以后還有機會。就在同一年，化學(xué)的諾貝爾獎評委員會把1935 1935年諾貝爾化學(xué)

31、獎授予約里奧 年諾貝爾化學(xué)獎授予約里奧- -居里夫婦，表彰他們發(fā)現(xiàn)了人居里夫婦，表彰他們發(fā)現(xiàn)了人 工放射性。工放射性。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 6-3 6-3 和諧的樂章和諧的樂章玻爾模型玻爾模型 物質(zhì)世界具有統(tǒng)一物質(zhì)世界具有統(tǒng)一 性在于它的物質(zhì)性，性在于它的物質(zhì)性， “統(tǒng)一統(tǒng)一”并不是主觀臆并不是主觀臆 想。對統(tǒng)一性的追求是想。對統(tǒng)一性的追求是 歷代科學(xué)家共同奮斗的歷代科學(xué)家共同奮斗的 壯麗目標。壯麗目標。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 一、行星模型的鑒賞家 誰是盧瑟福瀕臨失敗的原子模型的救星呢？誰是盧瑟福瀕臨失敗的原子模型的救星呢？ 不是他自己

32、，而是尼爾斯不是他自己，而是尼爾斯玻爾。玻爾。 后來，史學(xué)家問過玻爾：后來，史學(xué)家問過玻爾： “當時是不是只有你一個人感興趣呢？當時是不是只有你一個人感興趣呢？” 玻爾回答說：玻爾回答說： “是的，不過你們知道，我主要不是感興趣，我只是是的，不過你們知道，我主要不是感興趣，我只是 相信它。相信它?！?玻爾（玻爾（18851962），丹麥物理學(xué)家，哥本哈根學(xué)），丹麥物理學(xué)家，哥本哈根學(xué) 派的創(chuàng)始人，量子物理學(xué)的奠基者之一。派的創(chuàng)始人，量子物理學(xué)的奠基者之一。1916年任哥本年任哥本 哈根大學(xué)物理學(xué)教授；哈根大學(xué)物理學(xué)教授；1917年當選為丹麥皇家科學(xué)院院年當選為丹麥皇家科學(xué)院院 士；士；1922

33、年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎；年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎；1939年任丹麥皇家科年任丹麥皇家科 學(xué)院院長；學(xué)院院長；1944年玻爾在美國參加了和原子彈有關(guān)的理年玻爾在美國參加了和原子彈有關(guān)的理 論研究；論研究；1947年丹麥政府為了表彰玻爾的功績，封他為年丹麥政府為了表彰玻爾的功績，封他為 “騎象勛爵騎象勛爵”。1937年，他來中國作學(xué)術(shù)訪問，表達了年，他來中國作學(xué)術(shù)訪問，表達了 對中國人民的友好情誼。對中國人民的友好情誼。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 二、玻爾原子結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)（科學(xué)背景） 1 1普朗克和愛因斯坦提出了普朗克和愛因斯坦提出了“量子化量子化”概念概念 2 2盧瑟福提出了

34、盧瑟福提出了“原子核核式結(jié)構(gòu)原子核核式結(jié)構(gòu)”模型模型 3 3描寫氫原子可見光譜線的波長的經(jīng)驗公式描寫氫原子可見光譜線的波長的經(jīng)驗公式巴耳巴耳 末公式：末公式： ) m ( Bc 22 1 2 141 6 , 5 , 4 , 3m 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 1 1、巴耳末系、巴耳末系 氫氣放電管獲得氫光譜在氫氣放電管獲得氫光譜在 可見光范圍內(nèi)有四條可見光范圍內(nèi)有四條 H H H H H ：紅色紅色 656.210nm H ：深綠深綠 486.074nm H ：青色青色 434.010nm H ：紫色：紫色 410.120nm 瑞典的埃格斯特朗在瑞典的埃格斯特朗在1853年

35、年 首先觀測到的，波長的單位首先觀測到的，波長的單位 就是以他的名字命名的。就是以他的名字命名的。 18851885年，瑞士數(shù)學(xué)家巴耳末年，瑞士數(shù)學(xué)家巴耳末 把氫原子的前四條譜線歸納把氫原子的前四條譜線歸納 巴耳末公式巴耳末公式 , 5 , 4 , 3 22 2 2 n n n B nm.56364 B 巴耳末巴耳末系系 波長極限值波長極限值 1890年，里德伯采用波數(shù)年，里德伯采用波數(shù) /1 , 5 , 4 , 3 1 2 1 22 n n R 17 m104 153 373 097. 1 R 里德伯常量里德伯常量 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 2 2、氫原子光譜規(guī)律、氫

36、原子光譜規(guī)律 , 4 , 3 , 2 ) 1 1 1 ( 22 n n R , 6 , 5 , 4 ) 1 3 1 ( 22 n n R , 7 , 6 , 5 ) 1 4 1 ( 22 n n R , 8 , 7 , 6 ) 1 5 1 ( 22 n n R 賴曼系賴曼系(1916)紫外部分紫外部分 帕邢系帕邢系(1908)可見光可見光 布喇開系布喇開系(1922)近紅外部分近紅外部分 普豐德系普豐德系(1924)紅外部分紅外部分 , 9 , 8 , 7 ) 1 6 1 ( 22 n n R 漢弗萊系漢弗萊系(1953)遠紅外部分遠紅外部分 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論

37、當當nf一定時，由不同的一定時，由不同的ni構(gòu)成一個譜系；構(gòu)成一個譜系； 不同的不同的nf構(gòu)成不同的譜系。構(gòu)成不同的譜系。 實驗表明：實驗表明： 原子具有線光譜；原子具有線光譜； 各譜線間具有一定的關(guān)系各譜線間具有一定的關(guān)系; 每一譜線的波數(shù)都可表達為兩個光譜項之差。每一譜線的波數(shù)都可表達為兩個光譜項之差。 , 21;, 2 , 1 11 22 ffif if nnnn nn R， 統(tǒng)一公式統(tǒng)一公式 里茲組合原理：任一條譜線的波數(shù)都等于該元素所固有的許多里茲組合原理：任一條譜線的波數(shù)都等于該元素所固有的許多 光譜項中的兩項之差，光譜項中的兩項之差， 這是里茲在這是里茲在1908年發(fā)現(xiàn)的。年發(fā)現(xiàn)

38、的。 )()( if nTnT 2 )( f f n R nT 2 )( i i n R nT 表面上如此繁雜的光譜線可以用如此簡單表面上如此繁雜的光譜線可以用如此簡單 的公式表示，這是一項出色的成果。但是的公式表示，這是一項出色的成果。但是 它是憑經(jīng)驗湊出來的，它為什么與實驗符它是憑經(jīng)驗湊出來的，它為什么與實驗符 合得如此之好，在公式問世將近三十年內(nèi)，合得如此之好，在公式問世將近三十年內(nèi)， 一直是個謎。一直是個謎。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 三、氫三、氫原子的玻爾理論原子的玻爾理論 定態(tài)假說：電子在原子中，可以在一些特定的圓軌道上運動，定態(tài)假說：電子在原子中，可以在一

39、些特定的圓軌道上運動， 而不輻射電磁波，這時原子處于穩(wěn)定狀態(tài)（定態(tài)）并具有一定而不輻射電磁波，這時原子處于穩(wěn)定狀態(tài)（定態(tài)）并具有一定 的能量。的能量。 其中其中n=1,2,3,.稱稱 為主量子數(shù)為主量子數(shù) n h nmrvL 2 量子化條件：電子以速度量子化條件：電子以速度v在半徑為在半徑為r的圓周上繞核運動時，的圓周上繞核運動時， 只的電子角動量只的電子角動量L等于等于h/(2 )的整數(shù)倍的那些軌道才是穩(wěn)定的的整數(shù)倍的那些軌道才是穩(wěn)定的 1 1、玻爾的基本假設(shè)玻爾的基本假設(shè) 躍遷假設(shè)：當原子從高能量的定態(tài)躍遷到低能量的定態(tài)，躍遷假設(shè)：當原子從高能量的定態(tài)躍遷到低能量的定態(tài)， 即電子從高能量即

40、電子從高能量Ei的軌道躍遷到低能量的軌道躍遷到低能量Ef的軌道上時，要的軌道上時，要 發(fā)射能量為發(fā)射能量為h 的光子：的光子： fi EEh 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 玻爾的創(chuàng)新思維，其中包含了玻爾的創(chuàng)新思維，其中包含了3個第一個第一 ： 角動量量子外的兩個更關(guān)鍵，更本質(zhì)。角動量量子外的兩個更關(guān)鍵，更本質(zhì)。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 2 2、玻爾的、玻爾的氫原子圖象氫原子圖象 電子軌道半徑電子軌道半徑 電子在半徑為電子在半徑為rn的軌道上以速率的軌道上以速率vn運動運動 2 0 22 4 nn n r e r v m 2 h nrmv nn n

41、n mr nh v 2 2 2 02 me h nrn m me h r 10 2 2 0 1 10529. 0 , 321 1 2 ， nrnrn 波爾半徑波爾半徑 n=1 r =r1 n=2 r =4r1 n=3 r =9r1 n=4 r =16r1 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 原子能級原子能級 222 0 4 0 2 2 1 842 1 nh me r e mvE n nn eV h me E6 .13 8 22 0 4 1 , 3 , 2 , 1 2 1 n n E En 1 2 3 4 氫原子能級圖氫原子能級圖 6 5 n=1 正常狀態(tài)正常狀態(tài) n=2,3, 激

42、發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài) 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 電子躍遷的輻射規(guī)律電子躍遷的輻射規(guī)律 fi EEh fi if nn nnh me 11 8 2222 0 4 fi if nn nnch me 11 8 2232 0 4 17 32 0 4 101.097 8 m ch me 與里德伯常量非常接近與里德伯常量非常接近 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 賴曼系賴曼系 巴耳末系巴耳末系 帕邢系帕邢系 布喇開系布喇開系 En=E1/n2 6 5E5=E1/25 4 E4=E1/16 3E3=E1/9=-1.51eV 2E2=E1/4=-3.39eV 1 E1=-13.6

43、eV 氫原子的光譜圖氫原子的光譜圖 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 3 3、玻爾氫原子理論的成績玻爾氫原子理論的成績 成功地解釋了原子的穩(wěn)定性、大小及氫原子光譜的規(guī)律性。成功地解釋了原子的穩(wěn)定性、大小及氫原子光譜的規(guī)律性。 從理論上計算了里德伯常量；解決了近從理論上計算了里德伯常量；解決了近30年之久的年之久的巴耳末巴耳末公式公式 之迷，打開了人們認識原子結(jié)構(gòu)的大門，而且玻爾提出的一些之迷，打開了人們認識原子結(jié)構(gòu)的大門，而且玻爾提出的一些 概念，如能量量子化、量子躍遷及頻率條件等，至今仍然是正概念，如能量量子化、量子躍遷及頻率條件等，至今仍然是正 確的。確的。 能對類氫原子的

44、光譜給予說明。能對類氫原子的光譜給予說明。 4 4、玻爾氫原子理論的困難、玻爾氫原子理論的困難 不能解釋多電子原子的光譜；不能解釋多電子原子的光譜； 不能解釋譜線的強度和寬度；不能解釋譜線的強度和寬度； 不能說明原子是如何組成分子、構(gòu)成液體和固體的；不能說明原子是如何組成分子、構(gòu)成液體和固體的； 在邏輯上也存在矛盾：把微觀粒子看成是遵守經(jīng)典力在邏輯上也存在矛盾：把微觀粒子看成是遵守經(jīng)典力 學(xué)規(guī)律的質(zhì)點，又賦予它們量子化的特征。學(xué)規(guī)律的質(zhì)點，又賦予它們量子化的特征。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 5 5玻爾模型的實驗驗證玻爾模型的實驗驗證 除了光譜實驗?zāi)茏C明玻爾模型正確外，法

45、國科學(xué)除了光譜實驗?zāi)茏C明玻爾模型正確外，法國科學(xué) 家夫蘭克和赫茲正是用電子轟擊多電子汞原子，成功家夫蘭克和赫茲正是用電子轟擊多電子汞原子，成功 證明了原子內(nèi)部能量的量子化。這是獨立于光譜實驗證明了原子內(nèi)部能量的量子化。這是獨立于光譜實驗 的另一種方法，極其重要。的另一種方法，極其重要。 夫蘭克夫蘭克 赫茲赫茲 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 四、哥本哈根精神 哥本哈根精神是玻爾研究所所倡導(dǎo)的，也是玻爾研究所哥本哈根精神是玻爾研究所所倡導(dǎo)的，也是玻爾研究所 能成為世界著名的能成為世界著名的“物理學(xué)界的朝拜圣地物理學(xué)界的朝拜圣地”，為近代物理發(fā)，為近代物理發(fā) 展做出一系列重大貢獻

46、的關(guān)鍵所在。展做出一系列重大貢獻的關(guān)鍵所在。 （1）科學(xué)國際主義）科學(xué)國際主義 在玻爾研究所成立的頭在玻爾研究所成立的頭10年里，共有年里，共有17個國家的個國家的63位物理位物理 學(xué)家來此研究。學(xué)家來此研究。 在玻爾擔(dān)任所長在玻爾擔(dān)任所長40年，共培養(yǎng)了年，共培養(yǎng)了10多位諾貝爾獎獲得者。多位諾貝爾獎獲得者。 （2）獨特的研究風(fēng)格）獨特的研究風(fēng)格 平等自由合作的討論氣氛和濃厚的學(xué)術(shù)氣氛。平等自由合作的討論氣氛和濃厚的學(xué)術(shù)氣氛。 討論與思考 “科學(xué)沒有國界，但科學(xué)家有祖國?？茖W(xué)沒有國界，但科學(xué)家有祖國?！蔽覀冊撊绾卫斫馕覀冊撊绾卫斫?這句話與哥本哈根精神中的科學(xué)國際主義之間的關(guān)系？這句話與哥本

47、哈根精神中的科學(xué)國際主義之間的關(guān)系？ 粒子？粒子？ 波？波？ 物理學(xué)已經(jīng)走到了一個十字路口。它迷茫而又困惑，不知道前途何去何從。昔日的 經(jīng)典輝煌已經(jīng)變成斷瓦殘垣，一切回頭路都被斷絕。如今的天空濃云密布，不見陽 光 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 6-4 6-4 德布羅意與物質(zhì)波德布羅意與物質(zhì)波 德布羅意德布羅意 (Louis Victor due de Broglie, 1892-1960) 德布羅意原來學(xué)習(xí)歷史，后來改學(xué)理論德布羅意原來學(xué)習(xí)歷史，后來改學(xué)理論 物理學(xué)。他善于用歷史的觀點，用對比的方物理學(xué)。他善于用歷史的觀點，用對比的方 法分析問題。法分析問題。 德布羅意體會

48、到德布羅意體會到“愛因斯坦的光的波粒二重愛因斯坦的光的波粒二重 性乃是遍及整個物理世界的一種絕對普遍現(xiàn)性乃是遍及整個物理世界的一種絕對普遍現(xiàn) 象象”，他發(fā)誓：，他發(fā)誓：“要盡我所能去理解那個神要盡我所能去理解那個神 秘的量子秘的量子” 。 1923年，試圖把粒子性和波年，試圖把粒子性和波 動性統(tǒng)一起來。動性統(tǒng)一起來。1924年，在博士論文年，在博士論文關(guān)于關(guān)于 量子理論的研究量子理論的研究中提出德布羅意波中提出德布羅意波,同時同時 提出用電子在晶體上作衍射實驗的想法。提出用電子在晶體上作衍射實驗的想法。 愛因斯坦覺察到德布羅意物質(zhì)波思想的愛因斯坦覺察到德布羅意物質(zhì)波思想的 重大意義，譽之為重大

49、意義，譽之為“揭開一幅大幕的一角揭開一幅大幕的一角”。 法國物理學(xué)家，法國物理學(xué)家， 1929年諾貝爾物理年諾貝爾物理 學(xué)獎獲得者，波動學(xué)獎獲得者，波動 力學(xué)的創(chuàng)始人，量力學(xué)的創(chuàng)始人，量 子力學(xué)的奠基人之子力學(xué)的奠基人之 一。一。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 四奇人物： 1 1德國親王和法國公爵德國親王和法國公爵 文科諾貝爾物理學(xué)獎文科諾貝爾物理學(xué)獎 微觀粒子是波微觀粒子是波 發(fā)表四年就獲獎發(fā)表四年就獲獎 普朗克：年，愛因斯坦（光量子）：年普朗克：年，愛因斯坦（光量子）：年 印度：玻色印度：玻色玻色統(tǒng)計（翻譯成德文）玻色統(tǒng)計（翻譯成德文） 光量子氣體到理想氣體：光量子氣體

50、到理想氣體：“玻色愛伊斯坦凝聚玻色愛伊斯坦凝聚 朗之萬朗之萬有獨創(chuàng)性，靈感而已有獨創(chuàng)性，靈感而已 愛因斯坦愛因斯坦瞌睡來了送枕頭瞌睡來了送枕頭 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 一、物質(zhì)波的提出 1 1創(chuàng)新思維創(chuàng)新思維 德布羅意把光的德布羅意把光的“波粒二象性波粒二象性”推廣到了所有物推廣到了所有物 質(zhì)粒子，從而朝創(chuàng)造描寫微觀粒子運動的新的力學(xué)質(zhì)粒子，從而朝創(chuàng)造描寫微觀粒子運動的新的力學(xué) 量子力學(xué)邁進了革命性的一步。量子力學(xué)邁進了革命性的一步。 他認為輻射與粒子應(yīng)是對稱的、平等的，輻射有他認為輻射與粒子應(yīng)是對稱的、平等的，輻射有 波粒二象性，粒子同樣應(yīng)有波粒二象性，即對微粒也波

51、粒二象性，粒子同樣應(yīng)有波粒二象性，即對微粒也 賦予它們波性（周期性）。賦予它們波性（周期性）。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 一個質(zhì)量為一個質(zhì)量為m的實物粒子以速率的實物粒子以速率v 運動時，即具有以能量運動時，即具有以能量E 和動量和動量P所描述的粒子性，也具有以頻率所描述的粒子性，也具有以頻率 和波長和波長 所描述的所描述的 波動性波動性。 hE h P 這種波稱為德布這種波稱為德布 羅意波，也叫物羅意波，也叫物 質(zhì)波。質(zhì)波。 P h 德布羅意德布羅意 公式公式 子彈：速度子彈：速度v=5.0 102m/s飛行飛行 的，質(zhì)量為的，質(zhì)量為m=10-2Kg，對應(yīng)的對應(yīng)的 德

52、布羅意波長為：德布羅意波長為： nm mv h 25 103 . 1 電子：電子：m=9.1 10-31Kg，速，速 度度v=5.0 107m/s, 對應(yīng)的德對應(yīng)的德 布羅意波長為：布羅意波長為： nm mv h 2 104 . 1 太小測不到！太小測不到！X射線射線波段波段 2 2著名的德布羅意關(guān)系式著名的德布羅意關(guān)系式 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 20世紀世紀30年代，電子顯微鏡誕生了。電子顯微鏡是利用高年代，電子顯微鏡誕生了。電子顯微鏡是利用高 速運動的電子束代替光線來觀察物體的細微結(jié)構(gòu)的，放大倍數(shù)速運動的電子束代替光線來觀察物體的細微結(jié)構(gòu)的，放大倍數(shù) 比光學(xué)顯微鏡

53、高許多，可以達到幾十萬倍。電子顯微鏡大大開比光學(xué)顯微鏡高許多，可以達到幾十萬倍。電子顯微鏡大大開 闊了人們的視野，使人們看到了細胞更細微的結(jié)構(gòu)闊了人們的視野，使人們看到了細胞更細微的結(jié)構(gòu) 電子顯微鏡電子顯微鏡 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員正在以創(chuàng)記錄的分辨率清美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員正在以創(chuàng)記錄的分辨率清 楚地觀察原子世界，因為他們研究出的電子顯微鏡能夠能分辨出硅楚地觀察原子世界，因為他們研究出的電子顯微鏡能夠能分辨出硅 晶體的單個、啞鈴形狀的原子。晶體的單個、啞鈴形狀的原子。 電子顯微鏡下的原子世界電子顯微鏡下的原子世界 能看清原子的

54、電子顯微鏡能看清原子的電子顯微鏡 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 3 3駐波條件與玻爾的角動量量子化條件完全等價駐波條件與玻爾的角動量量子化條件完全等價 4 4物質(zhì)波概念的提出令人驚訝物質(zhì)波概念的提出令人驚訝 在論文答辯時，物質(zhì)波概念的新穎，使答辯委員在論文答辯時，物質(zhì)波概念的新穎，使答辯委員 會不知如何評價，但也不敢輕易否定，有人問他：有會不知如何評價，但也不敢輕易否定，有人問他：有 沒有辦法驗證這一觀點？沒有辦法驗證這一觀點？ 他回答：他回答：“通過電子在晶體上的衍射實驗，應(yīng)當通過電子在晶體上的衍射實驗，應(yīng)當 有可能觀察到這種假定的波動的效應(yīng)。有可能觀察到這種假定的波動的

55、效應(yīng)?！?實驗物理學(xué)家道維勒試圖用陰極射實驗物理學(xué)家道維勒試圖用陰極射 線管做這個實驗，沒有成功！放棄了。線管做這個實驗，沒有成功！放棄了。 他的導(dǎo)師郎之萬將論文寄給了愛因斯坦。他的導(dǎo)師郎之萬將論文寄給了愛因斯坦。 沒想到我提出的波粒二象性觀念，在沒想到我提出的波粒二象性觀念，在 德布羅意手里發(fā)展得如此豐富，竟擴德布羅意手里發(fā)展得如此豐富，竟擴 展到了運動的粒子。展到了運動的粒子。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 二、電子波動性的實驗驗證 道維勒沒有做成呢是由于電子的速度不夠大，作道維勒沒有做成呢是由于電子的速度不夠大，作 為靶子的云母晶體吸收了空中游離的電荷。為靶子的云母晶

56、體吸收了空中游離的電荷。 如果改變實驗條件認真做下去，是會成功的。如果改變實驗條件認真做下去，是會成功的。 3 3年后的年后的19271927年，美國物理學(xué)家戴維孫和英國物理年，美國物理學(xué)家戴維孫和英國物理 學(xué)家學(xué)家G.P.G.P.湯姆孫（湯姆孫（J.J.J.J.湯姆孫的兒子）分別發(fā)現(xiàn)了晶湯姆孫的兒子）分別發(fā)現(xiàn)了晶 體的電子衍射，完全證實了電子的波性。體的電子衍射，完全證實了電子的波性。 戴維孫戴維孫 G.P.G.P.湯姆孫湯姆孫 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 戴維孫戴維孫- -革末的實革末的實 驗裝置極其精巧。整驗裝置極其精巧。整 套裝置僅長套裝置僅長5 5英寸、高英寸、

57、高 2 2英寸，密封在玻璃泡英寸，密封在玻璃泡 里，經(jīng)反復(fù)烘烤與去里，經(jīng)反復(fù)烘烤與去 氣，真空度達氣，真空度達1010-6 -6Pa。 。 電子在晶體中衍射實驗示意圖電子在晶體中衍射實驗示意圖 戴維孫所用的電子衍射管戴維孫所用的電子衍射管 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 電子雙縫干涉實驗圖樣電子雙縫干涉實驗圖樣 世界十大最美麗的實驗之榜首世界十大最美麗的實驗之榜首 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 由于電子波長比可見光波長小由于電子波長比可見光波長小10-310-5數(shù)量級，數(shù)量級，從而從而 可大大提高電子顯微鏡的分辨率?？纱蟠筇岣唠娮语@微鏡的分辨率。 1932

58、年，德國的魯斯卡研制成功電子顯微鏡。年，德國的魯斯卡研制成功電子顯微鏡。 我國已制成我國已制成80萬倍的電子顯微鏡，分辨率為萬倍的電子顯微鏡，分辨率為14.4nm.n， 能分辨大個分子有著廣泛的應(yīng)用前景。能分辨大個分子有著廣泛的應(yīng)用前景。 三、應(yīng)用舉例三、應(yīng)用舉例 1 1、電子顯微鏡、電子顯微鏡 2 2、掃描隧道顯微鏡、掃描隧道顯微鏡 1981年，德國的賓尼希和瑞士的羅雷爾制成了掃描隧道年，德國的賓尼希和瑞士的羅雷爾制成了掃描隧道 顯微鏡，他們兩人因此與魯斯卡共獲顯微鏡，他們兩人因此與魯斯卡共獲1986年的諾貝爾物年的諾貝爾物 理學(xué)獎金。其橫向分辨率可得理學(xué)獎金。其橫向分辨率可得0.1nm，縱

59、向分辨率可得，縱向分辨率可得 0.001nm ，它在納米材料、生命科學(xué)和微電子學(xué)中起著，它在納米材料、生命科學(xué)和微電子學(xué)中起著 不可估量的作用。不可估量的作用。 文科物理物質(zhì)觀革命文科物理物質(zhì)觀革命量子論量子論 四、德布羅意波的統(tǒng)計解釋四、德布羅意波的統(tǒng)計解釋 1 1、光的衍射、光的衍射 根據(jù)光的波動性，光是一種電磁波，在衍射圖樣中，亮處波根據(jù)光的波動性，光是一種電磁波，在衍射圖樣中，亮處波 的強度大，暗處波的強度小。而波的強度與振幅的平方成正的強度大，暗處波的強度小。而波的強度與振幅的平方成正 比，所以衍射圖樣中，亮處的波的振幅的平方大，暗處的波比，所以衍射圖樣中，亮處的波的振幅的平方大，暗

60、處的波 的振幅平方小。的振幅平方小。 根據(jù)光的粒子性：某處光的強度大，表示單位時間內(nèi)到達該根據(jù)光的粒子性：某處光的強度大，表示單位時間內(nèi)到達該 處的光子數(shù)多；某處光的強度小，表示單位時間內(nèi)到達該處處的光子數(shù)多；某處光的強度小，表示單位時間內(nèi)到達該處 的光子數(shù)少。的光子數(shù)少。 從統(tǒng)計的觀點來看：相當于光子到達亮處的概率要遠大于光從統(tǒng)計的觀點來看：相當于光子到達亮處的概率要遠大于光 子到達暗處的概率。因此可以說，粒子在某處出現(xiàn)附近出現(xiàn)子到達暗處的概率。因此可以說，粒子在某處出現(xiàn)附近出現(xiàn) 的概率是與該處波的強度成正比的，而波的強度與波的振幅的概率是與該處波的強度成正比的，而波的強度與波的振幅 的平方