第 2 日(三)量子宝贝是如何诞生的
—— 诞生的过程和意义是什么?
一、“量子”诞生的背景
“量子”是在20世纪初诞生的,
她是在物理学家对热辐射的研究中诞生并完善的。
A 什么是热辐射?
“热辐射”是说, 任何具有温度的物体,
都有一定频率的电磁波辐射出来。
就是说 所有物体都会发射电磁波。
这是因为任何物体的分子,
都包含着带电粒子,因此分子的运动,
会导致物体向外发射电磁波。
这种电磁辐射因为与热度有关,故称为“热辐射”。
物体所发出的热辐射,具有连续的“能谱”,
但所发射的能量及波长的分布,
是会随温度的变化而变化的。
一般来讲,温度越高,发射的能量越大,
发射的电磁波波长越短。
温度在800K*以下的物体所发出的电磁波,
一般都在‘红外区域’,这种电磁波仅仅有热效应。
只有在温度进一步提高时,人眼才能看到它们所发出的光。
*注:800K 中的K是开尔文(Kelvin)的意思,
Kelvin是温度的计量单位。
其创立者是英国开尔文勋爵。
英国数学开尔文勋爵(1824-1907年)
1848年开尔文勋爵在其论文《关于一种绝对温标》
中写道,需要一种以“绝对的冷”(绝对零度)作为零点的温标。
开尔文用当时的空气温度计测算出
绝对零度等于−273 °C。
零K表示我们平时说的绝对零度-273.15摄氏度;
1K=-272.15摄氏度。
根据动力学理论,当温度在‘绝对零度’时,
气体分子的动能为零。
但是根据热力学定律,
一般物体是不会处于绝对0度的。
所以可以说,
常态之下的物体都会有电磁波的辐射。
科学上常用一幅图来形象地表示电磁辐射。
电磁辐射的范围很广,
从无线电波、红外线,到可见光、紫外线、X射线等。
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如图所示,描述‘波’要用到3个概念:
速度( c ,实际代表光速;经典物理速度符号是 v),
波长(λ兰姆达)和 频率(f)。
频率,一般用f表示。
但是在量子物理中,也用希腊字母ν表示
(希腊字母ν是N的小写,中文音译:纽niu
。
这里的ν是第13个希腊字母。不是英文的V 噢。
若用f表示频率时,f是英语frequncy单词的第1个字母)
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波长为什么等于速度除以频率?
这要从这 3 个东西到底是什么玩意说起:
如您所知,
波长是一个波上下振动一次所经过的长度;
速度表示运动的快慢(含方向),
即,单位时间内(例如在1秒内),
一个波(或一个物体),向一个方向运动所经过的距离,
波(或物体)这样的运动本事,
就叫这个波(或这个物体)的运动速度。
现在让我们拿一个可爱的蜗牛来打比喻:
一个蜗牛爬行的速度,是它在1秒内能缓慢地移动多少距离,
蜗牛的这种运动本领就叫这只蜗牛的运动速度。
【速度的单位可以用: 米每秒(符号m/s);千米每小时(km/h) 等来表示】
波的第3个概念是频率,
频率是一个‘波’的振动次数
——把这句话说全了是:
所谓一个波的频率是这个波
在单位时间内所能振动的次数,
现在让我们把‘波’的概念,换成一个物体,
看看,那只不甘寂寞的蜗牛,正在向我们缓缓爬来,
那只性情憨厚的蜗牛,
不紧不慢地在一个凹凸不平的地上爬,
凹凸一个挨一个,并且每个凹凸的大小都一样,
如果这只蜗牛在1秒内,能爬上爬下地移动2个凹凸,
这时我们可以说,
蜗牛运行的频率是每秒2次(凹凸,读作‘洼突’)。
那么,每个‘凹凸’的长度是多少呢?
回答:凹凸长度(波长λ)=1秒内蜗牛爬的长度(速度v),
除以每秒能爬几个‘凹凸’(频率f)。
注:速度的符号是小写字母v,读音是英文字母的读音。
朋友,若想真的了解其中的奥秘,
请在阅读后,将蜗牛爬行的事在头脑中演示一遍,
这样自然就会明白了。
Lambda(大写Λ,小写λ,是第11个希腊字母。
如果把电磁波的波速,比作您每秒钟要走的路,
那么可以把“波长”比作是您的“脚步的步辐”,
“频率”比作每秒钟可以走的“步数”。
人若迈的步子小(波长短),那么所走的步数就多(频率高),
如此推想,结果是波长和频率是成反比关系的。
在“电磁波”,也就是“电磁辐射”所发出的光中,
波长在0.7微米(μm)到0.4微米,这一段的是可见的,叫可见光。
假若把金属加热到一定温度,就会发出红光,
再加热,就会渐次发出黄光、白光、紫光,
以及人们看不见的紫外线。
注:可见光 颜色的波长,从长到短依次为,
红->橙->黄->绿->青->蓝->紫 。
整个太阳光光谱完整覆盖(且超出)了
可见光光谱范围,
使得太阳光(在没有大气的情况下)呈白色。
至于人们在地上所看见的红日、蓝天等现象,
是由于大气层气体分子
对短波长光线所作散射的结果。未完待续
谢谢阅读。