第十七章波粒二象性

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1、第十七章波粒二象性科学的历史不仅是一连串事实、规则和随之而来的数学描述，它也是一部概念的历史。当我们进入一个新的领域时，常常需要新的概念。——普朗克普朗克（M．K．E．L．Plank，1858-1947），德国物理学家，量子论的奠基人之一。最好的光学显微镜也看不到大小仅为10-10m的原子，那是因为可见光的波长太大了。要想看到更小的东西，需要波长更短的波来帮忙！1932年，一台神奇的显微镜出现了，它就是电子显微镜。在这种显微镜下，我们真切地看到了物质的微观结构。在电子显微镜中，电子束代替了光束。同学们早就听说过电

2、子了，它怎么可以代替光在显微镜中起作用？电子及其他各种微观粒子难道也像光一样，具有波动性吗？第十七章1物理学的新纪元：能量量子化思考与讨论（1）在火炉旁边有什么感觉？（2）投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？5/5黑体与黑体辐射我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射（thermalradiation）。物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强。例如给一个铁块不断加热，铁块依次呈现暗红、赤红

3、、橘红等颜色，直至成为黄白色。这表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。这是热辐射的一个特性。除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。常温下我们看到的物体的颜色就是反射光所致。一些物体在光线照射下看起来比较黑，就是因为它吸收电磁波的能力强，而反射电磁波的能力弱。如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体（blackbody）。实验表明，对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关，而黑体辐射电磁波的强

4、度按波长的分布只与黑体的温度有关，因而反映了某种具有普遍意义的客观规律。于是，在研究热辐射的规律时，人们特别注意对黑体辐射（blackbodyradiation）的研究。在莎士比亚的喜剧《威尼斯商人》中，高利贷者夏洛克对什么东西都贪得无厌，人们说他是个“黑心”的人。夏洛克贪的是金钱，“黑体”贪的是电磁波。图17.1-1如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个小孔就成了一个绝对黑体。思考与讨论一座建筑中的楼房还没有安装窗子，尽管室内已经粉刷，如

5、果从远处观察，把窗内的亮度与楼房外墙的亮度相比，你会发现什么？为什么？黑体辐射的实验规律加热图17.1-1中的空腔，空腔内的温度升高，小孔就成了不同温度下的黑体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。利用分光技术和热电偶等设备，就能测出它所辐射的电磁波强度按波长的分布情况。图17.1-25/5画出了四种温度下黑体热辐射的强度与波长的关系。从中可以看出，随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。这些规律与日常经验是一致的。图17.1-2黑体辐射的实验规律19世纪后半

6、叶，欧洲的冶金工业迅速发展，技术人员渴望了解热辐射的规律。如果知道了辐射强度、波长分布与辐射体的温度的关系，就可以通过钢水的光谱推知钢水的温度。这种需求推动了黑体辐射的研究。物理学家总是力图用已有的知识来解释新发现的现象和规律。那么，怎样解释黑体辐射的实验规律呢？大家知道，物体中存在着不停运动的带电微粒，按照当时物理学的认识，每个带电微粒的振动都产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。于是，人们很自然地要依据热学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。德国物理学家维恩（W．Wien）在1896年，英国物理学家瑞利（L．

7、Rayleigh）在1900年，分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式瑞利公式曾被金斯（J．H．Jeans）修正过，所以也称瑞利-金斯公式。。维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离很大；瑞利公式在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符，不但不符，而且当波长趋于零时，辐射强度竟变成无穷大，这显然是荒谬的。由于波长很小的辐射处在紫外线波段，故而由理论得出的这种荒谬结果被认为是物理学理论的灾难，当时称为“紫外灾难”。能量子：超越牛顿的发现5/5为了得出同实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克做

8、了多种尝试，进行了激烈的思想斗争。最后他不得不承认：微观世界的某些规律，在我们宏观世界看来可能非常奇怪。1900年底，普朗克做出了这样的大胆假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。例如，可能是ε或2ε、3ε…当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子（energyquantum）ε