近代物理课件第1章绪论
近代物理基础,课程的性质与任务,掌握研究对象(包括各种聚集态物质的微观结构,原子、原子核、基本粒子等各个层次)的内部结构,以及它们的相互作用和运动变化的规律; 熟悉高速运动物体的运动规律和微观粒子的运动规律; 了解量子力学和相对论的基本理论和方法; 为进一步研究材料固体结构理论和材料设计打下基础。,主要参考书,1 原子物理学 褚圣麟,高等教育出版社 2量子力学周世勋,高等教育出版社 3. 近代物理基础胡素芬,浙江大学出版社,引言: 1.物理学与材料 材料是社会进步的物质基础和先导。 物理学的发展使人们对越来越多的天然材料的结构和性能有了更为清楚的了解。 物理学的发展也更加使人们具备了人造新材料的能力,已经可以摆布一个一个原子,让原子、分子按照周密的设计构成新材料。,第一章 绪论,2 物理学与社会发展 物理学的主要研究对象为力、热、光、电等。 物理学所研究的内容和人类的生活息息相关,在人类社会的发展过程中起着重大的推动作用。 大到飞机、轮船,小到各种零部件都和物理学有密切的联系。 如果没有物理学的发展,人类社会不可能发展到今天。,牛顿建立了经典力学之后,带来了第一次工业革命,以蒸汽机的发明和应用为标志。可以这么说,物理学的发展才带来了人类第一次工业革命,才使人类步入了蒸汽机时代。 第一次工业革命后,物理学的发展逐步转向电的研究,电学得到应用,从而带来了第二次工业革命,使得人与人之间的距离拉近,使得许多机器代替人体的劳动。,随着量子力学、相对论等理论的建立,以电子计算机、核能为标志,人类进入了现代化。 核物理-核能 半导体物理-微电子-电子计算机 多普勒效应-超声波测速 电磁波-无线通信 核磁共振-医学领域,1.1 物理学成就 古代物理学:17世纪前。如杠杆原理、浮力定律(阿基米德:公元前287年公元前212年);墨经 (公元前388年)。 未形成系统的理论 经典物理学:17世纪19世纪, a.机械运动牛顿力学 b.热运动热力学和统计物理学 c.电磁现象麦克斯韦方程组 d.光学现象波动光学经典力学 近代物理学:20世纪以来。微观,高速 相对论,原子物理学、量子力学,1899年开尔文在欧洲科学家新年聚会的贺词中说:物理学晴朗的天空上, 飘着几朵令人不安的乌云,1.2 20世纪之交物理学面临的挑战,1. 黑体的热辐射: 一个物体能全部吸收透射在它上面的辐射而无反射,这种物体称为绝对黑体。,绝对黑体的空腔模型,o,/m,1,2,3,4,5,6,7,8,在一定温度下,当空腔与内部的辐射处于平衡时,腔壁单位面积所发出的辐射能量与其吸收的辐射能量相等,实验测出平衡时辐射能量密度按波长分布的曲线,其形状和位置只与黑体的温度有关与空腔材料或形状无关。,维恩(Wien)由热力学的讨论,加上一些特殊的假设得出一个分布公式,维恩公式:,即随着温度升高,热辐射峰值向短波高频方向移动。,瑞利(Rayleigh)和金斯(Jeans)根据经典电动力学和统计物理学也得到一个黑体辐射能量分布公式,瑞利金斯公式:,可以看出这个公式对高频无效,因为此时能量密度趋于无限大,这就是著名的紫外灾难。,下面我们将说到普朗克公式,1900年,普朗克引进量子概念,他假定:,基于这个假定,他推得黑体辐射公式:,黑体 以hv为能量单位不连续地发射和吸收频率为v的辐射。,2. 光电效应,光的照射下,金属中的电子吸收光能而逸出金属表面的现象称为光电效应。 爱因斯坦于1905年提出光量子(光子)理论,成功解释光电效应。,由光电效应得到四条规律:,(a)单位时间内逸出的光电子数与入射光的强度成正比:,(b)光电子的初动能E随入射光的频率线性增加,而与入射光的强度无关:,上述四点中,(a)可以用经典的理论解释,(b) (c) (d)却无法用经典理论解释。,(c)只有当入射光频率 大于一定的频率时0才会产生光电效应,(d)光电效应是瞬时发生的:驰豫时间不超过10-9s, 根据经典的电磁波理论能量的积累时间大约为80s,爱因斯坦公式,爱因斯坦从普朗克的能量子假设中得到启发,他假定光在空间传播时,也具有粒子性,想象光是一束以c 运动的粒子流,这些粒子称为光量子,现在称为光子,每一光子的 能量为 hv ,光的能流密度决定于单位时间内通过该单位面积的光子数。,根据光子理论,光电效应可解释如下:当金属中一个自由电子从入射光中吸收一个光子后,就获得能量 ,如果 大于电子从金属表面逸出时所需的逸出功 ,这个电子就从金属中逸出。从而得出爱因斯坦方程:,光强大,光子数多,释放的光电子也多,所以光电流也大。,电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出,所以无须时间的累积。,普朗克和爱因斯坦的理论揭示了光的微粒性,但没否认光的波动性,这样光就具有微粒和波动的双重性质,这种性质称波粒二象性。,