文科物理永恒經(jīng)典光本性

1、文科物理永恒經(jīng)典光本性2一、粒子運動的描述一、粒子運動的描述1. 1. 運動的絕對性運動的絕對性 所有物體都是由微觀的粒子組成的（如原所有物體都是由微觀的粒子組成的（如原子、分子），而微觀的粒子都在做永不停息的子、分子），而微觀的粒子都在做永不停息的熱運動。世界上一切物質(zhì)都是處于永恒的運動熱運動。世界上一切物質(zhì)都是處于永恒的運動狀態(tài)之中。狀態(tài)之中。 3一、粒子運動的描述一、粒子運動的描述如圖如圖2.5.1 宏觀粒子在宏觀粒子在空間的位置及運動軌跡空間的位置及運動軌跡粒子具有一定的質(zhì)量粒子具有一定的質(zhì)量 ，用速度，用速度描述粒子運動的快慢和方向。粒描述粒子運動的快慢和方向。粒子運動時具有動能、動

2、量。如圖子運動時具有動能、動量。如圖2.5.12.5.1所示。粒子所示。粒子N N在空間的位置在空間的位置坐標(biāo)為坐標(biāo)為 ， 為粒子在空間的為粒子在空間的位置矢量。而后粒子沿曲線運動，位置矢量。而后粒子沿曲線運動，在在M M點時的速度為點時的速度為 ，具有動，具有動量量 ，動能，動能 ，其中：，其中：mv),(zyxrkEprxiyjzk2.2.粒子運動的描述粒子運動的描述4一、粒子運動的描述一、粒子運動的描述ddrtvpmv2k12Emv5二、波動現(xiàn)象二、波動現(xiàn)象1 1、波動的描述、波動的描述波是由于物體圍繞各自平衡位置來回運動所形成的。波是由于物體圍繞各自平衡位置來回運動所形成的。如果將軟繩

3、的一端固定，然后持續(xù)抖動繩子的另一如果將軟繩的一端固定，然后持續(xù)抖動繩子的另一端，我們將看到圖所示的現(xiàn)象。好像有某種東西沿端，我們將看到圖所示的現(xiàn)象。好像有某種東西沿繩前進(jìn)，這種東西就是波。繩前進(jìn)，這種東西就是波。 波的傳播方向圖 持續(xù)抖動繩子的一端產(chǎn)生一個沿繩子傳播的連續(xù)波6對波的描述有其特有的物理量，如波長、頻率、振幅對波的描述有其特有的物理量，如波長、頻率、振幅、波速等，如圖所示。、波速等，如圖所示。 圖2.5.5 波長、振幅、波速的意義波速v二、波動現(xiàn)象二、波動現(xiàn)象7v一個連續(xù)而重復(fù)的波的波長是沿著波從任一點到一個連續(xù)而重復(fù)的波的波長是沿著波從任一點到下一個同相點的距離。波的頻率是介質(zhì)

4、中任意個下一個同相點的距離。波的頻率是介質(zhì)中任意個體每秒鐘內(nèi)完成的振動次數(shù)。波通常由某種振動體每秒鐘內(nèi)完成的振動次數(shù)。波通常由某種振動的波源發(fā)出，這時波的頻率必定與波源的頻率相的波源發(fā)出，這時波的頻率必定與波源的頻率相同。也即波的頻率由波源振動的頻率決定。波的同。也即波的頻率由波源振動的頻率決定。波的振幅是指它的最大高度或深度。波速是指波形在振幅是指它的最大高度或深度。波速是指波形在介質(zhì)中的傳播速度。一列波的波長介質(zhì)中的傳播速度。一列波的波長 、波速、波速 和和頻率頻率 之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為：v二、波動現(xiàn)象二、波動現(xiàn)象82.2.波特有的現(xiàn)象波特有的現(xiàn)象 二、波動現(xiàn)象二、波動現(xiàn)象（1 1）

5、 波的衍射波的衍射波繞過障礙物進(jìn)入其幾何陰影繼續(xù)傳播的現(xiàn)象波繞過障礙物進(jìn)入其幾何陰影繼續(xù)傳播的現(xiàn)象叫做波的衍射。叫做波的衍射。 9（2 2） 波的干涉波的干涉二、波動現(xiàn)象二、波動現(xiàn)象兩列波相遇時表現(xiàn)出有的地方振動加強，有的地兩列波相遇時表現(xiàn)出有的地方振動加強，有的地方振動減弱的現(xiàn)象叫做波的干涉。方振動減弱的現(xiàn)象叫做波的干涉。 空曠的操場上放置兩個空曠的操場上放置兩個同步播放的揚聲器，當(dāng)同步播放的揚聲器，當(dāng)我們移動時可以聽到忽我們移動時可以聽到忽強忽弱的聲音。強忽弱的聲音。 10如果在空曠的操場上放置兩個獨立播放的揚聲器如果在空曠的操場上放置兩個獨立播放的揚聲器，我們移動時為什么很難聽到忽強忽弱

6、的聲音的，我們移動時為什么很難聽到忽強忽弱的聲音的? ? 二、波動現(xiàn)象二、波動現(xiàn)象波的相干條件：（波的相干條件：（1 1）頻率相同；）頻率相同； （2 2）振動方向平行；）振動方向平行； （3 3）相位相同或相位差恒定。）相位相同或相位差恒定。11三、光的波動說與微粒說三、光的波動說與微粒說粒子性和波動性是物質(zhì)存在的兩種不同的表現(xiàn)形式。粒子性和波動性是物質(zhì)存在的兩種不同的表現(xiàn)形式。光如果是粒子，就應(yīng)該具有粒子的屬性光如果是粒子，就應(yīng)該具有粒子的屬性!而光如果是波，那么也應(yīng)該具有波的屬性而光如果是波，那么也應(yīng)該具有波的屬性! !！ 光是粒子還是波呢？這是光的本性問題。光是粒子還是波呢？這是光的本

7、性問題。 12三、光的波動說與微粒說三、光的波動說與微粒說對關(guān)于光的本性問題的研究，形成了兩種相互對立的理對關(guān)于光的本性問題的研究，形成了兩種相互對立的理論論 ，即光的微粒說和光的波動說。，即光的微粒說和光的波動說。 1 1、以英國物理學(xué)家牛頓為代表的微粒說認(rèn)為：光、以英國物理學(xué)家牛頓為代表的微粒說認(rèn)為：光是由微粒組成的粒子流，是發(fā)光體接連不斷地向是由微粒組成的粒子流，是發(fā)光體接連不斷地向周圍空間射出的一群微小粒子流，并且它們走的周圍空間射出的一群微小粒子流，并且它們走的是最快的直線運動路徑。是最快的直線運動路徑。 用光的微粒說可解釋光的反射和折射現(xiàn)象，用光的微粒說可解釋光的反射和折射現(xiàn)象，

8、但但無法解釋光的衍射現(xiàn)象。無法解釋光的衍射現(xiàn)象。13三、光的波動說與微粒說三、光的波動說與微粒說2、以荷蘭物理學(xué)家惠更斯為代表的波動說認(rèn)為：、以荷蘭物理學(xué)家惠更斯為代表的波動說認(rèn)為：光是一種波；光波是一種靠物質(zhì)載體（以太）來光是一種波；光波是一種靠物質(zhì)載體（以太）來傳播的縱波；波面上的各點本身就是引起媒質(zhì)振傳播的縱波；波面上的各點本身就是引起媒質(zhì)振動的波源。動的波源。 光的波動理論也能解釋光的反射定律和折射定律光的波動理論也能解釋光的反射定律和折射定律，同時也能較好的解釋光的衍射和雙折射現(xiàn)象。，同時也能較好的解釋光的衍射和雙折射現(xiàn)象。 但是，在用波動理論解釋折射現(xiàn)象時，必須假定但是，在用波動理

9、論解釋折射現(xiàn)象時，必須假定光在水中的傳播速度小于光在空氣中的傳播速度光在水中的傳播速度小于光在空氣中的傳播速度，這與牛頓微粒說的結(jié)論正好相反。，這與牛頓微粒說的結(jié)論正好相反。 14三、光的波動說與微粒說三、光的波動說與微粒說顯然，如果能測出光在介質(zhì)中傳播的速度，就可顯然，如果能測出光在介質(zhì)中傳播的速度，就可以判斷波動說與微粒說熟是熟非了，可惜當(dāng)時沒以判斷波動說與微粒說熟是熟非了，可惜當(dāng)時沒有實驗?zāi)軌蜻M(jìn)行判斷。有實驗?zāi)軌蜻M(jìn)行判斷。圖2.5.8 光的反射ii 空氣ii反射光線入射光線反射面平面鏡反射光線入射光線i折射光線界面空氣)(1n)(2n水圖2.5.9 光的折射15波動說與微粒說的爭論還在繼

10、續(xù)，要說服誰都必波動說與微粒說的爭論還在繼續(xù)，要說服誰都必須有可靠的實驗證據(jù)。須有可靠的實驗證據(jù)。三、光的波動說與微粒說三、光的波動說與微粒說克里斯蒂安克里斯蒂安 惠更斯惠更斯 艾薩克艾薩克牛頓牛頓 16四、光的波動特性四、光的波動特性1 1、光的干涉（、光的干涉（光的楊氏雙縫干涉實驗光的楊氏雙縫干涉實驗) 17四、光的波動特性四、光的波動特性1 1、光的干涉（、光的干涉（光的楊氏雙縫干涉實驗光的楊氏雙縫干涉實驗) 1801年，英國物理學(xué)家托馬年，英國物理學(xué)家托馬斯斯楊找到獲得相干光源的方楊找到獲得相干光源的方法：把從同一批原子發(fā)射出法：把從同一批原子發(fā)射出來（初位相相同）的光人為來（初位相相

11、同）的光人為地分為兩列，讓它們經(jīng)過不地分為兩列，讓它們經(jīng)過不同的路徑后再在屏幕上相遇。同的路徑后再在屏幕上相遇。各原子的發(fā)光盡管隨機改變，各原子的發(fā)光盡管隨機改變，但任何初位相改變總是同時但任何初位相改變總是同時發(fā)生在兩列波中，在觀察點發(fā)生在兩列波中，在觀察點相位差只與路徑有關(guān)。相位差只與路徑有關(guān)。18I I t t I I 疊加后疊加后 t t I I t t 由于它們的頻率相同，振動方向相同，且具有固定的位相差由于它們的頻率相同，振動方向相同，且具有固定的位相差 =0=0，因此，疊加后光強加強。，因此，疊加后光強加強。 四、光的波動特性四、光的波動特性19四、光的波動特性四、光的波動特性2

12、0四、光的波動特性四、光的波動特性白光的薄膜干涉圖樣白光的薄膜干涉圖樣212 2、光的衍射、光的衍射四、光的波動特性四、光的波動特性（1 1）圓孔衍射）圓孔衍射 PH*S22(2)(2)直邊衍射（刀刃衍射）直邊衍射（刀刃衍射） 23(2)(2)圓屏衍射（泊松亮斑）圓屏衍射（泊松亮斑） 24泊松亮點泊松亮點: :1818年年,巴黎科學(xué)院舉行巴黎科學(xué)院舉行了一次解釋衍射的有獎競賽了一次解釋衍射的有獎競賽, 評委中評委中許多著名科學(xué)家許多著名科學(xué)家,如畢奧如畢奧,拉普拉斯拉普拉斯,泊泊松等松等,都是光的微粒學(xué)說的忠實擁護(hù)都是光的微粒學(xué)說的忠實擁護(hù)者。年輕的工程師菲涅耳報告了者。年輕的工程師菲涅耳報告

13、了“應(yīng)用子波疊加原理解釋衍射現(xiàn)象應(yīng)用子波疊加原理解釋衍射現(xiàn)象”的論文。會后，泊松仔細(xì)審閱了菲的論文。會后，泊松仔細(xì)審閱了菲涅耳的論文，導(dǎo)出了涅耳的論文，導(dǎo)出了“園屏衍射中園屏衍射中心會出現(xiàn)一個亮點心會出現(xiàn)一個亮點”這一看似離奇這一看似離奇的結(jié)論，使菲涅耳原理又面臨新的的結(jié)論，使菲涅耳原理又面臨新的考驗。不久，阿喇果在實驗中果然考驗。不久，阿喇果在實驗中果然觀察到了這一驚人現(xiàn)象（又稱為阿觀察到了這一驚人現(xiàn)象（又稱為阿喇果亮斑）。這一發(fā)現(xiàn)對光的波動喇果亮斑）。這一發(fā)現(xiàn)對光的波動學(xué)說提供了有力的支持。學(xué)說提供了有力的支持。法國物理學(xué)家菲涅爾法國物理學(xué)家菲涅爾25五、光的電磁理論五、光的電磁理論麥克斯

14、韋指出，電磁擾動（電磁波）的傳播與光傳麥克斯韋指出，電磁擾動（電磁波）的傳播與光傳播相似，光是按電磁規(guī)律傳播的電磁擾動，光就是播相似，光是按電磁規(guī)律傳播的電磁擾動，光就是一種電磁波。后來，赫茲用實驗證實了電磁波的存一種電磁波。后來，赫茲用實驗證實了電磁波的存在。光的電磁理論成功地解釋了光波的性質(zhì)。實驗在。光的電磁理論成功地解釋了光波的性質(zhì)。實驗證明，紅外線、紫外線、證明，紅外線、紫外線、X X射線、射線、射線都是電磁射線都是電磁波。波。 26 1. 1.1 1 單色輻射出射度單色輻射出射度 單位時間內(nèi)從物體單位面積單位時間內(nèi)從物體單位面積發(fā)出的波長在發(fā)出的波長在 附近單位波長區(qū)間的電磁波的能量

15、附近單位波長區(qū)間的電磁波的能量 . .單色輻射出射度單色輻射出射度 單位：單位：)(TM3W/m 定量研究熱輻射的有關(guān)物理量定量研究熱輻射的有關(guān)物理量 1.2 1.2 輻射出射度（輻出度）單位時間，單位面積上輻射出射度（輻出度）單位時間，單位面積上所輻射出的各種波長的電磁波的能量總和所輻射出的各種波長的電磁波的能量總和. .0d)()(TMTM六、光的波粒二象性六、光的波粒二象性1. 黑體輻射黑體輻射271.3 1.3 斯特藩斯特藩- -玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律40d)()(TTMTM428KmW10670. 5斯特藩斯特藩- -玻耳茲曼常數(shù)玻耳茲曼常數(shù)1.4 維恩位移定律維恩位移定律bT m

16、Km10898. 23b常數(shù)常數(shù)峰值波長峰值波長0 1000 20001.00.5 )mW10/()(314TMnm/可見光區(qū)可見光區(qū)30003000K K60006000K Km黑體單色輻出度實驗曲線黑體單色輻出度實驗曲線28可可見見光光Hz10/1572( )/ (10W/(mHz)MT6000K3000K0.5 1.00.51.0黑體單色輻出度實驗曲線黑體單色輻出度實驗曲線cdd2cd)(d)(TMTMcTMTM2)()( 和和 關(guān)系關(guān)系)(TM)(TM2992( )/ (10W/(mHz)MT0 1 2 3 6Hz10/14123 45瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式實驗曲線實驗曲線

17、2000KT *1.5 黑體輻射的瑞利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kTcTM222)(瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難302 2 普朗克假設(shè)普朗克假設(shè) 普朗克黑體輻射公式（普朗克黑體輻射公式（1900 1900 年）年）sJ106260755. 634h普朗克常量普朗克常量 能量子能量子0h 普朗克假設(shè)：金屬空腔壁中電子的振動可視為一普朗克假設(shè)：金屬空腔壁中電子的振動可視為一維諧振子，它吸收或者發(fā)射電磁輻射能量是量子化的維諧振子，它吸收或者發(fā)射電磁輻射能量是量子化的（不連續(xù)）（不連續(xù)）. .h1h2h3h4h5h61ed2d)(/32kThch

18、TM普朗克黑體輻射公式普朗克黑體輻射公式), 3 , 2 , 1(nnh 帶電諧振子吸收或發(fā)射能量為帶電諧振子吸收或發(fā)射能量為 310 1 2 3 6Hz10/1492( ) / (10W/(mHz)MT瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式123 45k2000T普朗克公式的理論曲線普朗克公式的理論曲線實驗值實驗值*32 普朗克（普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858 1947） 德國理論物理德國理論物理學(xué)家，量子論的奠基人學(xué)家，量子論的奠基人.1900年年12月月14日他宣讀了以關(guān)于正常光譜日他宣讀了以關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論為題的論中能量分布定律的

19、理論為題的論文，提出能量量子化的假設(shè)，并導(dǎo)文，提出能量量子化的假設(shè)，并導(dǎo)出黑體輻射能量分布公式出黑體輻射能量分布公式. 勞厄稱勞厄稱這一天是這一天是 “量子論的誕生日量子論的誕生日”. 1905年愛因斯坦在能量量子化的啟發(fā)下提出了光年愛因斯坦在能量量子化的啟發(fā)下提出了光量子的假設(shè)量子的假設(shè), 并成功解釋了光電效應(yīng)并成功解釋了光電效應(yīng).333 3、光電效應(yīng)、光電效應(yīng)六、光的波粒二象性六、光的波粒二象性金金屬屬板板18871887年赫茲在證實電磁波的存在年赫茲在證實電磁波的存在和光的麥克斯韋電磁理論的實驗和光的麥克斯韋電磁理論的實驗過程中，首次發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)現(xiàn)象：過程中，首次發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)現(xiàn)象：當(dāng)波長

20、較短的可見光或紫外光照當(dāng)波長較短的可見光或紫外光照射到某些金屬表面上時，金屬中射到某些金屬表面上時，金屬中的電子就會從光中吸取能量而從的電子就會從光中吸取能量而從金屬表面逸出。金屬表面逸出。34用光的波動理論來解釋光電效應(yīng)遇到了很大的困難。用光的波動理論來解釋光電效應(yīng)遇到了很大的困難。 19051905年愛因斯坦提出了光量子的假說，他認(rèn)為光是年愛因斯坦提出了光量子的假說，他認(rèn)為光是由具有能量的大量光子組成，每個光子的能量只與由具有能量的大量光子組成，每個光子的能量只與光的頻率有關(guān)，即光的頻率有關(guān)，即 。當(dāng)然光子（微粒）已。當(dāng)然光子（微粒）已經(jīng)不是牛頓所描繪的粒子。光子仍然保持著它的頻經(jīng)不是牛頓

21、所描繪的粒子。光子仍然保持著它的頻率或波長的概念。率或波長的概念。 六、光的波粒二象性六、光的波粒二象性Eh35其中其中 是光量子能量，是光量子能量， 是使電子從金屬表面是使電子從金屬表面逸出所須提供給它的最小能量，逸出所須提供給它的最小能量， 是在頻率是在頻率為為 的光的照射下逸出的光電子的動能的最大的光的照射下逸出的光電子的動能的最大值。值。 愛因斯坦的光量子理論，成功地解釋了光電效應(yīng)愛因斯坦的光量子理論，成功地解釋了光電效應(yīng)的規(guī)律，并導(dǎo)出了著名的的規(guī)律，并導(dǎo)出了著名的“愛因斯坦公式愛因斯坦公式”: :Amh221v212m v六、光的波粒二象性六、光的波粒二象性hA364 4、康普頓效應(yīng)

22、、康普頓效應(yīng)六、光的波粒二象性六、光的波粒二象性1923年時任美國華盛頓大學(xué)校長的年時任美國華盛頓大學(xué)校長的物理學(xué)家康普頓從物理學(xué)家康普頓從X光的散射實驗中光的散射實驗中觀察到了康普頓效應(yīng)觀察到了康普頓效應(yīng)即即X射線的射線的波長增大的現(xiàn)象?？灯疹D接受了愛波長增大的現(xiàn)象。康普頓接受了愛因斯坦的觀點，認(rèn)為因斯坦的觀點，認(rèn)為X射線的光子好射線的光子好比一個個小剛球，每一個不但有能比一個個小剛球，每一個不但有能量，而且具有動量。光子和自由電量，而且具有動量。光子和自由電子彈性碰撞時，能量守恒，動量守子彈性碰撞時，能量守恒，動量守恒。由此得到散射光波長改變?yōu)楹?。由此得到散射光波長改變?yōu)椋?)cos1 (

23、mch37康普頓的散射實驗與愛因斯坦的光量子理論相吻康普頓的散射實驗與愛因斯坦的光量子理論相吻合。更加有力地證實了光的粒子性。合。更加有力地證實了光的粒子性。 六、光的波粒二象性六、光的波粒二象性康普頓康普頓 愛因斯坦愛因斯坦 普朗克普朗克 385 5、光的波粒二象性、光的波粒二象性1919世紀(jì)后半葉形成了以麥克斯韋、赫茲等人為世紀(jì)后半葉形成了以麥克斯韋、赫茲等人為代表的光的電磁理論說，以愛因斯坦、普朗克代表的光的電磁理論說，以愛因斯坦、普朗克等人為代表的光量子論說，這兩大學(xué)派各自統(tǒng)等人為代表的光量子論說，這兩大學(xué)派各自統(tǒng)治著自己的理論領(lǐng)域。光的波動理論不能解釋治著自己的理論領(lǐng)域。光的波動理論不能解釋光電效應(yīng)、熱輻射及光壓等光的粒子行為。而光電效應(yīng)、熱輻射及光壓等光的粒子行為。而光的量子觀點亦無法說明光的干涉、衍射及偏光的量子觀點亦無法說明光的干涉、衍射及偏振等光的波動現(xiàn)象。關(guān)于光的本質(zhì)究竟是什么？振等光的波動現(xiàn)象。關(guān)于光的本質(zhì)究竟是什么？兩大學(xué)說處在相互對立的矛盾之中，誰也無法兩大學(xué)說處在相互對立的矛盾之中，誰也無法將它統(tǒng)一起來。將