从经典物理到现代物理概述一,物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学经典物理现代物理力学热学电磁学光学相对论量子论时间 t
关键概念的发展力学热学电磁学 相对论 量子论
1600 1700 1800 1900
1,近年来的发展：
* 粒子物理 高能加速器产生新粒子，已发现 300种。
(用麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学。 )
* 天体物理 运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。
(用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。 )
** 太阳中微子短缺问题
** 引力波存在的问题
** 物体的速度能否超过光速的问题
* 生物物理有机体遗传程序的研究
** 有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计物理,X射线、电子能谱 和核磁共振 技术等）。
** 非平衡热力学及统计物理
2,物理学发展的总趋向：
* 学科之间的大综合。
* 相互渗透结合成边缘学科。
生物物理、生物化学、物理化学、量子化学量子电子学、量子统计力学、固体量子论。
3,二十世纪物理学中两个重要的概念,场和对称性二,从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出
2,光电效应 康普顿效应。
1,黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难”。
3,原子的稳定性和大小。
§ 1 黑体辐射 普朗克能量子假说实验表明：一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量。
辐射的能量与温度有关，称之为 热辐射 。
辐射和吸收的能量恰相等时称为 热平衡 。此时温度恒定不变。
单色辐出度
d
TdmTM ),(),(?
单位时间、单位表面积、
上所辐射出的，单位波长间隔中的能量。总辐出度单位时间、单位表面积、
上所辐射出的各种波长电磁波的能量。
0 ),()( dTMTM
一,基本概念第 1 章 波粒二象性入射总能量吸收能量?),( T吸收比反射比入射总能量反射能量?),( T
1),(),( TT
二,绝对黑体的热辐射规律对于任意温度、或波长，绝对黑体的吸收比都恒为 1
用不透明材料制成一空心容器，
壁上开一小孔,可看成 绝对黑体对于非透明物体
1,基尔霍夫定律,
这一普适函数就是绝对黑体的单色辐出度 M0(?,T)
0 00 ),()( dTMTM
绝对黑体的 辐出度
),(),( ),( 0 TMTTM
在热平衡下，任何物体的 单色辐出度 与 吸收比 之比，
是个普适函数,与材料种类无关。
2,斯忒藩? -玻耳兹曼定律
）开（米瓦 428 /1067.5
3,维恩位移定律开米 3108 9 7.2b
实验发现：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值对应的?m向短波方向移动。
),(0 TM?
1700k
1500k
1300k
三,经典物理遇到的困难
* 瑞利和琼斯用能量均分定理电磁理论得出：
40
2),(
c k TTM?
只适于长波，有所谓的
“紫外灾难”。
),(0 TM?
实验瑞利 -琼斯维恩理论值
T=1646k
* 维恩根据经典热力学得出：
T
c
ecTM?
2
5
1
0 ),(
秒米焦耳 /1070.3 2161c
开米 22 1043.1c
四,普朗克能量子假说
* 辐射物体中包含大量谐振子的能量是取特定的分立值
* 存在着能量的最小单元（能量子?=h?);
h=6.626?10-34焦耳。
* 振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量从理论上推出：
1
1
2),( 520
Tk
hc
e
hcTM
分别 是玻尔兹曼常数和光速。ck和普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，
还解释了固体的比热问题等等。它成为现代理论的重要组成部分。
1
1
2),( 520
Tk
hc
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hcTM
),(0 TM?
实验瑞利 -琼斯维恩理论值
T=1646k
普朗克理论值
* 普朗克能量子假说普朗克的理论结果
§ 2 光电效应 光的二象性一,光电效应的 实验规律
U
G
1,饱和光电流强度与入射光强度成正比。
或者说：单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光强成正比
U0
3
1
2
U
I
IS
0
相同频率，不同入射光强度
U03 U02 U01
3
12
U
I
IS
0
相同入射光强度，不同频率
2,光电子的初动能与 入射光强度无关，而与 入射光的频率有关。
截止电压的大小反映光电子初动能的大小
2
00 2
1 mVeU?
aUKU0
截止电压与入射光频率有线性关系
aeUeKmV
2
02
1
aU
0U
0?
红限频率
K
U a?
aUK,
为常数
3,光电效应具有瞬时性,或说响应速度很快,10-9秒。
1,实验得,饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，
光电子初动能也与频率有关。经典认为 光强越大，饱和电流应该大,光电子的初动能也该大。
二,经典理论的困难
2,实验得,只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。
而经典认为,有无光电效应不应与频率有关。
3.实验得,光电效应具有瞬时性。 经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。
三,爱因斯坦的光子学说
AhmV20
2
1
爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论：
h?一个频率为 的光子具有能量?
由能量守恒可得出：
一个电子逸出金属表面后的最大动能：
A 称为 逸出功 。
AheU0得
e
A
e
hU
0得
h
A?
0?
由此，可解释饱和光电流强度与光强成正比；可以解释截止电压与频率成线性关系以及红限频率的存在 。
AhmV20
2
1
0
2
02
1 eUmV
aUKU0?
eKh?得 通过测 K 得 h
h?
hp?
* 光子的能量、动量和质量密立根 1916年的实验，证实了光子论的正确性，并求得
h=6.57?10-34 焦耳?秒。光的波动性（ p） 和粒子性（?）
是通过普朗克常数联系在一起的。
2mch相对论质能关系：
c
h
c
hm
2
光子的质量：
所以，光子的静止质量为零。
22
0
/1 cV
mm
因为：
mcp?光子的动量：
§ 3 康普顿效应一,实验事实
X射线 7.1nm
探测器C1C2
A1 A2
W
B
S
石墨晶体准直系统 散射角
I
=0o
I
=45o
I
=90o
I
=135o
0 0
正常散射波长变长的散射称为康普顿散射
1,波长的增加量 与散射角 有关。
0
实验结果：
2,当散射角 确定时，波长的增加量 与散射物质的 性质 无关 。
3,康普顿散射的强度与散射物质有关。原子量小的散射物质，康普顿散射较强，即正常峰较低,反之相反。
经典电磁理论只能说明有正常散射存在，即散射光的频率与入射光频率相等。
而无法解释有 的存在及其所存在的康普顿效应的实验规律。
二,光子学说对康普顿散射的解释
22
0 mchcmh e
22 /1 cV
mm e
Vmnchnch
00
0
0 n
c
h
nch
Vm?
电子的相对论质量,
系统能量守恒,
系统动量守恒,
)c o s1(
cm
h
e
220 s i n2s i n2 e
e cm
h
入射光子散射的光子外层电子上 式说明了 与散射物质无关。?
康普顿散射进一步证实了光子论，证明了光子能量、
动量表示式的正确性，光确实具有波粒两象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。
nmcm h
e
e 0 0 2 4 3.0
康普顿波长作业,1.1 1.2 1.11 1.19
关键概念的发展力学热学电磁学 相对论 量子论
1600 1700 1800 1900
1,近年来的发展：
* 粒子物理 高能加速器产生新粒子，已发现 300种。
(用麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学。 )
* 天体物理 运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。
(用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。 )
** 太阳中微子短缺问题
** 引力波存在的问题
** 物体的速度能否超过光速的问题
* 生物物理有机体遗传程序的研究
** 有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计物理,X射线、电子能谱 和核磁共振 技术等）。
** 非平衡热力学及统计物理
2,物理学发展的总趋向：
* 学科之间的大综合。
* 相互渗透结合成边缘学科。
生物物理、生物化学、物理化学、量子化学量子电子学、量子统计力学、固体量子论。
3,二十世纪物理学中两个重要的概念,场和对称性二,从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出
2,光电效应 康普顿效应。
1,黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难”。
3,原子的稳定性和大小。
§ 1 黑体辐射 普朗克能量子假说实验表明：一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量。
辐射的能量与温度有关，称之为 热辐射 。
辐射和吸收的能量恰相等时称为 热平衡 。此时温度恒定不变。
单色辐出度
d
TdmTM ),(),(?
单位时间、单位表面积、
上所辐射出的，单位波长间隔中的能量。总辐出度单位时间、单位表面积、
上所辐射出的各种波长电磁波的能量。
0 ),()( dTMTM
一,基本概念第 1 章 波粒二象性入射总能量吸收能量?),( T吸收比反射比入射总能量反射能量?),( T
1),(),( TT
二,绝对黑体的热辐射规律对于任意温度、或波长，绝对黑体的吸收比都恒为 1
用不透明材料制成一空心容器，
壁上开一小孔,可看成 绝对黑体对于非透明物体
1,基尔霍夫定律,
这一普适函数就是绝对黑体的单色辐出度 M0(?,T)
0 00 ),()( dTMTM
绝对黑体的 辐出度
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在热平衡下，任何物体的 单色辐出度 与 吸收比 之比，
是个普适函数,与材料种类无关。
2,斯忒藩? -玻耳兹曼定律
）开（米瓦 428 /1067.5
3,维恩位移定律开米 3108 9 7.2b
实验发现：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值对应的?m向短波方向移动。
),(0 TM?
1700k
1500k
1300k
三,经典物理遇到的困难
* 瑞利和琼斯用能量均分定理电磁理论得出：
40
2),(
c k TTM?
只适于长波，有所谓的
“紫外灾难”。
),(0 TM?
实验瑞利 -琼斯维恩理论值
T=1646k
* 维恩根据经典热力学得出：
T
c
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2
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1
0 ),(
秒米焦耳 /1070.3 2161c
开米 22 1043.1c
四,普朗克能量子假说
* 辐射物体中包含大量谐振子的能量是取特定的分立值
* 存在着能量的最小单元（能量子?=h?);
h=6.626?10-34焦耳。
* 振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量从理论上推出：
1
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分别 是玻尔兹曼常数和光速。ck和普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，
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1
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实验瑞利 -琼斯维恩理论值
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普朗克理论值
* 普朗克能量子假说普朗克的理论结果
§ 2 光电效应 光的二象性一,光电效应的 实验规律
U
G
1,饱和光电流强度与入射光强度成正比。
或者说：单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光强成正比
U0
3
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0
相同频率，不同入射光强度
U03 U02 U01
3
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相同入射光强度，不同频率
2,光电子的初动能与 入射光强度无关，而与 入射光的频率有关。
截止电压的大小反映光电子初动能的大小
2
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截止电压与入射光频率有线性关系
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红限频率
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为常数
3,光电效应具有瞬时性,或说响应速度很快,10-9秒。
1,实验得,饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，
光电子初动能也与频率有关。经典认为 光强越大，饱和电流应该大,光电子的初动能也该大。
二,经典理论的困难
2,实验得,只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。
而经典认为,有无光电效应不应与频率有关。
3.实验得,光电效应具有瞬时性。 经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。
三,爱因斯坦的光子学说
AhmV20
2
1
爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论：
h?一个频率为 的光子具有能量?
由能量守恒可得出：
一个电子逸出金属表面后的最大动能：
A 称为 逸出功 。
AheU0得
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由此，可解释饱和光电流强度与光强成正比；可以解释截止电压与频率成线性关系以及红限频率的存在 。
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* 光子的能量、动量和质量密立根 1916年的实验，证实了光子论的正确性，并求得
h=6.57?10-34 焦耳?秒。光的波动性（ p） 和粒子性（?）
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2mch相对论质能关系：
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光子的质量：
所以，光子的静止质量为零。
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因为：
mcp?光子的动量：
§ 3 康普顿效应一,实验事实
X射线 7.1nm
探测器C1C2
A1 A2
W
B
S
石墨晶体准直系统 散射角
I
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=45o
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正常散射波长变长的散射称为康普顿散射
1,波长的增加量 与散射角 有关。
0
实验结果：
2,当散射角 确定时，波长的增加量 与散射物质的 性质 无关 。
3,康普顿散射的强度与散射物质有关。原子量小的散射物质，康普顿散射较强，即正常峰较低,反之相反。
经典电磁理论只能说明有正常散射存在，即散射光的频率与入射光频率相等。
而无法解释有 的存在及其所存在的康普顿效应的实验规律。
二,光子学说对康普顿散射的解释
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电子的相对论质量,
系统能量守恒,
系统动量守恒,
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入射光子散射的光子外层电子上 式说明了 与散射物质无关。?
康普顿散射进一步证实了光子论，证明了光子能量、
动量表示式的正确性，光确实具有波粒两象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。
nmcm h
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康普顿波长作业,1.1 1.2 1.11 1.19
