試驗曲線普朗克常數(shù)實用教案

1、單色輻出度單色輻出度 - 在一定溫度在一定溫度T 下，物體下，物體(wt)單位表面在單位時單位表面在單位時間內(nèi)發(fā)射的波長在間內(nèi)發(fā)射的波長在 +d 范圍內(nèi)的輻射能與波長范圍內(nèi)的輻射能與波長間隔的比值，間隔的比值， 即即 d)(d)(TMTM)(TM 熱輻射的特點(tdin):(tdin):(1)(1)連續(xù)連續(xù)(linx)(linx)(2)(2)溫度越高溫度越高, ,輻射越強輻射越強(3)(3)頻譜分布隨溫度變化頻譜分布隨溫度變化(4)(4)物體的輻射本領(lǐng)與溫度、材料有關(guān)；物體的輻射本領(lǐng)與溫度、材料有關(guān)； 輻射本領(lǐng)越大，吸收本領(lǐng)也越大。輻射本領(lǐng)越大，吸收本領(lǐng)也越大。 第1頁/共25頁第一頁，共25

2、頁。1 1、黑體、黑體(hit)(hit)輻輻射射絕對黑體(黑體)：能夠全部吸收(xshu)各種波長的輻射且不反射 和透射的物體。黑體輻射(fsh)的特點 ： 與同溫度與同溫度其它物體其它物體的熱輻射相比，的熱輻射相比，黑體熱輻射黑體熱輻射本領(lǐng)本領(lǐng)最強最強 煤煙煤煙 約99%黑體模型黑體模型黑體熱輻射黑體熱輻射溫度溫度材料性質(zhì)材料性質(zhì)第2頁/共25頁第二頁，共25頁。2 2、經(jīng)典物理、經(jīng)典物理(wl)(wl)的解釋及普朗克公式的解釋及普朗克公式MB NoImageNoImage瑞利 金斯公式(gngsh)(1900年)維恩公式(gngsh)(1896年)121)(25 kThcBehcTM 普

3、朗克公式(1900年)實驗曲線實驗曲線普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) h = 6.62610-34 Js （為得到這一公式，普朗克提出了能（為得到這一公式，普朗克提出了能量量子化假設(shè)）量量子化假設(shè)）第3頁/共25頁第三頁，共25頁。電磁波u 普朗克能量子假設(shè)(jish)(jish) 若諧振子頻率(pnl)為 v ，則其能量是hv , 2hv, 3hv , , nhv , 首次提出微觀粒子的能量首次提出微觀粒子的能量(nngling)(nngling)是量子化的，打破了經(jīng)典物理學(xué)中能量是量子化的，打破了經(jīng)典物理學(xué)中能量(nngling)(nngling)連續(xù)的觀念。連續(xù)的觀念。普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) h =

4、 6.62610-34 Js 腔壁上的原子腔壁上的原子(諧振子諧振子)能量與腔內(nèi)電磁場交換能量時，諧振子能與腔內(nèi)電磁場交換能量時，諧振子能量的變化是量的變化是 hv (能量子能量子) 的整數(shù)倍的整數(shù)倍. 意義打開了人們認(rèn)識微觀世界的大門打開了人們認(rèn)識微觀世界的大門, ,在物理學(xué)發(fā)展史上起了劃時代的作用在物理學(xué)發(fā)展史上起了劃時代的作用. .第4頁/共25頁第四頁，共25頁。伏安特性伏安特性(txng)曲線曲線1 1、光電效應(yīng)的實驗、光電效應(yīng)的實驗(shyn)(shyn)規(guī)律規(guī)律(1) 飽和電流 iS (2) 遏止( zh)電壓 Ua iS :單位時間 陰極產(chǎn)生的光電子數(shù)amUme221v I（I

5、, v)AKU13.1.2 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 愛因斯坦光子假說愛因斯坦光子假說iS3iS1iS2I1I2I3-UaUiI1I2I3 Ua光電子最大初動能和光電子最大初動能和 成線性關(guān)系成線性關(guān)系遏止電壓與頻率關(guān)系曲線遏止電壓與頻率關(guān)系曲線和和v 成成線線性性關(guān)關(guān)系系i(實驗裝置示意圖實驗裝置示意圖) 0A)(oaKU)(o(3) 截止頻率 0(4) 即時發(fā)射:遲滯時間不超過遲滯時間不超過 10-9 秒秒第5頁/共25頁第五頁，共25頁。u 經(jīng)典物理與實驗規(guī)律(gul)的矛盾 電子在電磁波作用下作受迫振動，直到獲得足夠能量電子在電磁波作用下作受迫振動，直到獲得足夠能量(與與 光強光強 I 有關(guān)有

6、關(guān)(yugun) 逸出，不應(yīng)存在紅限逸出，不應(yīng)存在紅限 0 。 當(dāng)光強很小時，電子當(dāng)光強很小時，電子(dinz)要逸出，必須經(jīng)較長時間的能量要逸出，必須經(jīng)較長時間的能量積累。積累。 只有光的頻率只有光的頻率 0 時，電子才會逸出。時，電子才會逸出。 逸出光電子的多少取決于光強逸出光電子的多少取決于光強 I 。 光電子即時發(fā)射，滯后時間不超過光電子即時發(fā)射，滯后時間不超過 109 秒秒。r 總結(jié) 光電子最大初動能和光頻率光電子最大初動能和光頻率 成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 光電子最大初動能取決于光強，和光的頻率光電子最大初動能取決于光強，和光的頻率 無關(guān)。無關(guān)。第6頁/共25頁第六頁，共25頁。2

7、 2、愛因斯坦光子、愛因斯坦光子(gungz)(gungz)假說和假說和光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)方程 光是光子光是光子(gungz)流流 ，每一光子，每一光子(gungz)能量為能量為 h ，電子吸收一個光子電子吸收一個光子(gungz)2m21vmAh（A A 為為逸逸出功）出功） 單位時間到達單位垂直面積的光子單位時間到達單位垂直面積的光子(gungz)數(shù)為數(shù)為N，則光強，則光強 I = Nh . I 越強越強 , 到陰極的光子到陰極的光子(gungz)越多越多, 則逸出的光電子越多。則逸出的光電子越多。 電子吸收一個光子即可逸出，不需要長時間的能量積累。電子吸收一個光子即可逸出，不需要長時間

8、的能量積累。 光頻率光頻率 A/h 時，時，電子吸收一個光子即可克服逸出功電子吸收一個光子即可克服逸出功 A 逸出逸出 ( o= A/h) 。r 結(jié)論 光電子最大初動能和光頻率光電子最大初動能和光頻率 成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 第7頁/共25頁第七頁，共25頁。一銅球用絕緣線懸掛于真空(zhnkng)(zhnkng)中，被波長為 =150 nm =150 nm 的光照射。已知銅的逸出功為 4.5eV 4.5eV 。銅球失去電子后帶正電，電勢(dinsh)(dinsh)升高，使束縛電子的勢壘也升高，設(shè)銅球表面的電勢(dinsh)(dinsh)為U U ，逸出電子的速度為v v ，銅的逸出功為A

9、A，愛因斯坦光電效應(yīng)方程為逸出電子(dinz)(dinz)的最大動能為零時，銅球電勢達最高U maxU max，有AUmhe212vAUhmaxeAUchmaxeemaxAchU)V(8 . 3eeV)5 . 43 . 8(解例銅球因失去電子而能達到的最高電勢。求第8頁/共25頁第八頁，共25頁。chchm2hchcmp光子(gungz)動量13.1.3 光（電磁輻射(din c f sh)）的波粒二象性hcmE2光子(gungz)能量光子質(zhì)量粒子性波動性r 光電效應(yīng)的應(yīng)用 光電管: 光電開關(guān)光電開關(guān), , 紅外成像儀紅外成像儀, ,光電傳感器等光電傳感器等光電倍增管: ( (微光微光) )夜

10、視儀夜視儀第9頁/共25頁第九頁，共25頁。測量測量(cling)波長在波長在 2001200 nm 極微弱光的功率極微弱光的功率光電倍增光電倍增(bi zn)管管第10頁/共25頁第十頁，共25頁。 0 0 v 散射線散射線(shxin)(shxin)中有兩種波長中有兩種波長 0 0 、 ，0隨散射角隨散射角 的增大的增大(zn(zn d)d)而增大而增大(zn(zn d) d)。探測器 013.1.4 康普頓效應(yīng)(xioyng)X 光管光闌散射物體(實驗裝置示意圖）實驗裝置示意圖）v 散射物體不同，散射物體不同， 0 0 、 的強度比不同。的強度比不同。第11頁/共25頁第十一頁，共25頁

11、。1 1、經(jīng)典、經(jīng)典(jngdin)(jngdin)物理的解釋物理的解釋v 經(jīng)典理論只能說明經(jīng)典理論只能說明(shumng)(shumng)波長不變的散射，而不能說明波長不變的散射，而不能說明(shumng)(shumng)康普頓散射康普頓散射電子(dinz)受迫振動同頻率散射線發(fā)射 單色電磁波受迫振動受迫振動v000 00 照射散射物體第12頁/共25頁第十二頁，共25頁。2 2、光子、光子(gungz)(gungz)理論理論的解釋的解釋能量、動量能量、動量(dngling)守恒守恒(1) 入射光子與外層電子彈性(tnxng)碰撞 外層外層電子電子受原子核束縛較弱受原子核束縛較弱動能動能光子

12、能量光子能量 近似自由近似自由近似靜止近似靜止靜止靜止 自自由由 電子電子sinsincoscos0vvmchmchch2200mchcmh0hh20cm2mcch0chvm0第13頁/共25頁第十三頁，共25頁。sinsincoscos0vvmchmchch2200mchcmh)cos2(02202222 hcm v2002)(cmhmc)cos1 ()(0020hcm2sin2)cos1 (2000ccmhccnm 0024. 0/0cmhc（電子（電子(dinz)的康普頓波長）的康普頓波長）其中其中(qzhng)第14頁/共25頁第十四頁，共25頁。(2) X 射線光子和原子(yunz)

13、內(nèi)層電子相互作用光子質(zhì)量遠小于原子，碰撞時光子不損失能量光子質(zhì)量遠小于原子，碰撞時光子不損失能量(nngling)，波長不，波長不變。變。自由電子(z yu din z)000內(nèi)層電子被緊束縛，光子相當(dāng)于和整個原子發(fā)生碰撞。內(nèi)層電子被緊束縛，光子相當(dāng)于和整個原子發(fā)生碰撞。光子光子內(nèi)層電子內(nèi)層電子外層電子外層電子波長變大的散射線波長變大的散射線波長不變的散射線波長不變的散射線v 波長變化r 結(jié)論2sin220cmh 原子第15頁/共25頁第十五頁，共25頁。v 強度(qingd)變化 波長波長 0 輕物質(zhì)（多數(shù)電子處于弱束縛狀態(tài)輕物質(zhì)（多數(shù)電子處于弱束縛狀態(tài) ）弱弱強強重物質(zhì)（多數(shù)電子處于強束縛

14、狀態(tài)重物質(zhì)（多數(shù)電子處于強束縛狀態(tài) ）強強弱弱吳吳有有訓(xùn)訓(xùn)實實驗驗(shyn)結(jié)結(jié)果果第16頁/共25頁第十六頁，共25頁。例 0 = 0.02nm 的X射線與靜止的自由電子碰撞, 若從與入射線 成900的方向(fngxing)觀察散射線。 求 (1) 散射線的波長; (2) 反沖電子(dinz)的動能; (3) 反沖電子(dinz)的動量。解 (1) 散射線(shxin)的波長: )cos1 (0cmhnm 0024. 0/0cmhcnm 0224. 00(2) 反沖電子的動能反沖電子的動能: hhEk0hchc0eV106.8J1008. 1315(3) 反沖電子的動量：反沖電子的動量：h

15、ep0h22011hpem/skg105 . 4231842arctan0第17頁/共25頁第十七頁，共25頁。1 1、氫原子光譜的實驗、氫原子光譜的實驗(shyn)(shyn)規(guī)規(guī)律律記錄記錄(jl)氫原子光譜的實驗原理氫原子光譜的實驗原理13.1.3 原子結(jié)構(gòu)與原子光譜氫放電管23 kV光闌全息(qunx)干板 三棱鏡（或光柵）光光 源源氫原子線狀光譜（攝譜儀）（攝譜儀）第18頁/共25頁第十八頁，共25頁。)11(122nkRH（氫光譜（氫光譜(gungp)的里德的里德伯常量）伯常量） (3) k = 2 (n = 3, 4, 5, ) 譜線系譜線系 賴曼系賴曼系 （1908年）年）(2

16、) 譜線的波數(shù)可表示譜線的波數(shù)可表示(biosh)為為 k = 1 (n = 2, 3, 4, ) 譜線系譜線系 巴耳末系（巴耳末系（1880年）年）(1) 分立分立(fn l)線狀光譜線狀光譜v 實驗規(guī)律（氫原子的巴耳末線系）（氫原子的巴耳末線系）v 經(jīng)典理論的困難17m 108 775 096. 1實驗HR第19頁/共25頁第十九頁，共25頁。hEEnk|(2) 躍遷(yuqin)假設(shè)nkEE2 2、玻爾的氫原子理論、玻爾的氫原子理論(lln)(lln)(1) 定態(tài)假設(shè)(jish)原子從一個定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，原子從一個定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，會發(fā)射或吸收一個光子，頻率會發(fā)射或吸收一個光子，頻

17、率穩(wěn)穩(wěn)定定狀狀態(tài)態(tài) 這些定態(tài)的能量不連續(xù)這些定態(tài)的能量不連續(xù) 不輻射電磁波不輻射電磁波 電子作圓周運動電子作圓周運動v（定態(tài)）（定態(tài)）2hnrmLv(3) 角動量量子化假設(shè) 軌道軌道角動量角動量第20頁/共25頁第二十頁，共25頁。r2=4r1r2=9r1vr向心力是庫侖向心力是庫侖(kln)力力 220241rermv由上兩式得由上兩式得, 第第 n 個定態(tài)的軌道個定態(tài)的軌道(gudo)半徑為半徑為 , 3 , 2 , 1)(122202nrnmehnrnnm 0529. 01r2120202814121nEreremEnnnvl 能量能量(nngling)量子化量子化-13.6 eV玻爾半

18、徑玻爾半徑l 軌道半徑量子化：軌道半徑量子化： 第21頁/共25頁第二十一頁，共25頁。En ( eV)氫原子能級氫原子能級(nngj)圖圖賴曼系賴曼系k=1巴耳末系巴耳末系k=2帕邢系帕邢系k=3布拉開系布拉開系k=4-13.6-1.51-3.39021nEEnhEEknnk光頻光頻n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5n = 6122)11(Ekn2211)1()12(nnEnEEEnn第22頁/共25頁第二十二頁，共25頁。cnknknk1l 波數(shù)波數(shù)(與實驗與實驗(shyn)對比對比)17m 108 775 096. 1實驗HR當(dāng)時當(dāng)時(dngsh)實驗測得實驗測得)11()11()(122221nkRnkhcEEEhcHkn理論17m 101 373 097. 1理論HR其中其中(qzhng)計算得到計算得到第23頁/共25頁第二十三頁，共25頁。(1) 成功成功(chnggng)地把氫原子結(jié)構(gòu)和光譜線結(jié)構(gòu)聯(lián)系起地把氫原子結(jié)構(gòu)和光譜線結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來