量子力学的诞生与创新思维优秀课件.ppt

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1、量子力学的诞生与创新思维第1页，本讲稿共27页返回总目录返回总目录至至19世纪末页，经典物理在各个领域里都取得了很大世纪末页，经典物理在各个领域里都取得了很大的成功：的成功：牛顿力学的建立牛顿力学的建立，在分子物理方面，成功，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。另外还找到了力、地解释了温度、压强、气体的内能。另外还找到了力、电、光、声电、光、声-等都遵循的规律等都遵循的规律-能量转化与守恒定能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。他们认为物理学已经发展到头了。量子力学诞生的历史

2、背景：量子力学诞生的历史背景：海王星的发现链接麦克斯韦链接第2页，本讲稿共27页 正于是正于是1900年英国物理学家开尔文在瞻望年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物世纪物理学的发展的文章中说到：理学的发展的文章中说到：但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，人不安的乌云，-”“在已经基本建成的科学大厦中，在已经基本建成的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补后辈的物理学家只要做一些零碎

3、的修补工作就行了。工作就行了。”-开尔文开尔文-第3页，本讲稿共27页后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，诞生了两门新命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，诞生了两门新的学科的学科第4页，本讲稿共27页量子力学的诞生量子力学的诞生相对论问世相对论问世微观领域微观领域高速领域高速领域第5页，本讲稿共27页19.1 热辐射一、基本概念这种辐射可以是红外线、可见光或紫外线，人眼不一这种辐射可以是红外线、可见光或紫外线，人眼不一定可见。定可见。第6页，本讲稿共27页火火炉炉400度度1000度度600度度白炽灯的热辐射规律白

4、炽灯的热辐射规律当物体因辐射而失去的能量等于从外界吸收当物体因辐射而失去的能量等于从外界吸收的辐射能时，这时物体的状态可用一确定的的辐射能时，这时物体的状态可用一确定的温度来描述，这种热辐射称为温度来描述，这种热辐射称为平衡热辐射平衡热辐射。反之称为非平衡反之称为非平衡 热辐射。热辐射。第7页，本讲稿共27页3）一个开有小孔）一个开有小孔的内表面粗糙的空的内表面粗糙的空腔可近似看成理想腔可近似看成理想的黑体。的黑体。第8页，本讲稿共27页光源光源S=11）辐出度辐出度（总发射本领）（总发射本领）显然，它是温度的函数显然，它是温度的函数2）单色辐出度）单色辐出度（单色发射本领）（单色发射本领）单

5、位时间内，温度为单位时间内，温度为T的物体上单位的物体上单位 面积上发射波长在面积上发射波长在 +d 范围内的范围内的 辐射能辐射能dM 与波长间隔与波长间隔d 比值，用比值，用 M（）表示。）表示。第9页，本讲稿共27页光源光源S=13）辐出度与单色辐出度关系辐出度与单色辐出度关系2）单色辐出度）单色辐出度（单色发射本领）（单色发射本领）第10页，本讲稿共27页二、黑体辐射实验规律二、黑体辐射实验规律热辐射热辐射实实 验验第11页，本讲稿共27页1.02.03.0 4.05.0203010405060(nm)2200K2000K1800K1600K第12页，本讲稿共27页第13页，本讲稿共2

6、7页三、普朗克黑体辐射公式1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)热辐射热辐射实实 验验第14页，本讲稿共27页1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)热辐射热辐射实实 验验维恩公式第15页，本讲稿共27页1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)热辐射热辐射实实 验验第16页，本讲稿共27页第17页，本讲稿共27页 原来，物质由分子和原子组成，原子中的原子核和电子构成一个电偶极子，如果它们之间的距离随时间作谐振动，也就是它的电偶极矩随时间作谐振动，我们称其为振荡电偶极子，或带电谐振子。它们将向外辐射电磁波。这就是热辐射。根据振动

7、理论，谐振动的能量与振幅成正比，由于经典物理中振动的振幅可以连续变化，因此带电谐振子具有的能量将是连续地变化。第18页，本讲稿共27页 普朗克的能量量子化假说，不仅为解释黑体辐射的实验规律提供了理论根据，更重要的是打破了经典理论对人们头脑的束缚。从此以后，各种新思想、新观点层出不穷。最终导致量子力学这门新学科的诞生。因此1900年12月14日公认为量子力学的诞生之日。第19页，本讲稿共27页 从普朗克的量子假设我们看到，要在科技上创新，至少需要三点：一是要对学科的前沿有深入的了解。二是要有独立的思考，创造性的思维。三是要有扎实的基本功。洛仑兹后来在评论普朗克关于能量子这个大胆假设的时候所说的话

8、，才道出了问题的本质。他说：“我们一定不要忘记，这样灵感观念的好运气，只有那些刻苦工作和深入思考的人才能得到。”第20页，本讲稿共27页注意：普朗克这一思想是完全背离经典物理，并受到注意：普朗克这一思想是完全背离经典物理，并受到当时许多人的怀疑和反对，包括当时的物理学泰斗当时许多人的怀疑和反对，包括当时的物理学泰斗-洛仑兹。乃至当时普朗克自已也想以某种方式来消除洛仑兹。乃至当时普朗克自已也想以某种方式来消除这一关系式。它写道：这一关系式。它写道：“我试图将我试图将h 纳入经典理论的范围，但一切这样的纳入经典理论的范围，但一切这样的尝试都失败了，这个量非常顽固尝试都失败了，这个量非常顽固.”后来

9、他又说：后来他又说：“在好几在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将作用年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将作用量子引入到经典理论中去。我的一些同事把这看成是量子引入到经典理论中去。我的一些同事把这看成是悲剧。但我有自已的看法，因为我从这种深入剖析中悲剧。但我有自已的看法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处，起初我只是倾向于认为，而现在获得了极大的好处，起初我只是倾向于认为，而现在是确切地知道作用量子是确切地知道作用量子 将在物理中发挥出巨大作用将在物理中发挥出巨大作用”。事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，普朗克事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，普朗克也成为了量子

10、力学的开山鼻祖，也成为了量子力学的开山鼻祖，1918年因此而获得诺年因此而获得诺贝尔奖。贝尔奖。普朗克的困惑普朗克的困惑第21页，本讲稿共27页观书有感朱熹半亩方塘一鉴开，半亩方塘一鉴开，天光云影共徘徊，天光云影共徘徊，问渠那得清如许，问渠那得清如许，为有源头为有源头活水活水来。来。朱熹：南宋著名理学家朱熹：南宋著名理学家 20世纪初物理学的世纪初物理学的活水活水就是就是普朗克的能量子假普朗克的能量子假设和爱因斯坦的相对论设和爱因斯坦的相对论第22页，本讲稿共27页量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章之一，我们会看到物理大厦在狂风暴雨下轰然坍塌，却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。我们会看

11、到最革命的思潮席卷大地，带来了让人惊骇的电闪雷鸣，同时却又展现出震撼人心的美丽。我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中艰难地走来，却更加坚定了对胜利的信念 量子史话链接第23页，本讲稿共27页研究物理学问题的三类方法一类问题：经典力学的一类问题：经典力学的决定论决定论量子力学的研究方法海王星的发现链接第24页，本讲稿共27页近几十年来，经典力学决定论的世界观受到了来自内部的巨大冲击，那就是混沌运动问题。在某些非线性非线性系统系统中，系统对初值的依赖极端敏感，两次只是初值有微小差别的混沌运动，它们的差别随时间推移越来越大，混沌运动具有某种程度的不可预测性。蝴蝶效应链接第二类问题：非线性条件下的混沌运动

12、混沌运动第25页，本讲稿共27页第三类问题，如气体分子热运动具有无序第三类问题，如气体分子热运动具有无序性，满足统计规律，与机械运动有本质的区别，性，满足统计规律，与机械运动有本质的区别，在一定的条件下，某个在一定的条件下，某个分子以某种速率出现是分子以某种速率出现是一种随机事件，应用一种随机事件，应用统计方法统计方法。量子力学：波与实物粒子具有波粒二象性。波量子力学：波与实物粒子具有波粒二象性。波函数的概率解释，原子中的电子不可能具有确函数的概率解释，原子中的电子不可能具有确定的轨道，在任意时刻以一定的概率在某处出定的轨道，在任意时刻以一定的概率在某处出现。不确定关系，它的位置与动量、角位置与现。不确定关系，它的位置与动量、角位置与角动量、能量与时间满足不确定关系。研究的角动量、能量与时间满足不确定关系。研究的过程中要抛弃决定论过程中要抛弃决定论,采用采用统计方法统计方法。热力学发展史第26页，本讲稿共27页网上学习参考华南理工大学大学物理教学网站麻省理工学院【开放式课程网页】主要课程列表第27页，本讲稿共27页