學(xué)習(xí)-大物b物理課件

第十三章量子物理1900年開爾文在已經(jīng)建成的科學(xué)大廈中，后輩的物理學(xué)家只要做零碎的修補(bǔ)工作就行了。但是，在物理學(xué)晴朗的天空中，還有兩片小小的令人不安的烏云.兩朵烏云黑體輻射邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)1900年1905年量子論相對論（一）1900年普朗克首次提出能量子的假設(shè)（二）1900—1923年間

1905年愛因斯坦提出光量子假設(shè)

1913年玻爾提出原子結(jié)構(gòu)量子化假設(shè)1923年康普頓散射實(shí)驗(yàn)量子論的誕生解釋黑體輻射的能譜分布——開創(chuàng)了量子理論的新紀(jì)元

——解釋光電效應(yīng)——解釋原子光譜的分布規(guī)律——證實(shí)光具有粒子性（三）1924年德布羅意提出

微觀粒子具有波粒二象性的假設(shè)（四）1924—1927年海森堡、玻恩、狄拉克奠定量子理論基礎(chǔ)N.玻爾、M.玻恩、W.L.布拉格、L.V.德布羅意、A.H.康普頓、M.居里、P.A.M狄喇克、A.愛因斯坦、W.K.海森堡、郞之萬、W.泡利、普朗克、薛定諤等第五次索爾維會議與會者合影(1927年)

固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征僅與溫度有關(guān)。固體在溫度升高時(shí)顏色的變化1400K800K1000K1200K§13-1熱輻射普朗克的能量子假設(shè)一、熱輻射現(xiàn)象頭部熱輻射像頭部各部分溫度不同，因此它們的熱輻射存在差異，這種差異可通過熱象儀轉(zhuǎn)換成可見光圖象。單色輻出度01.01.75波長

(m)（1）具有一定溫度的物體內(nèi)分子和原子的熱運(yùn)動，以電磁波形式向外輻射能量。（2）給定物體，單位時(shí)間內(nèi)輻射能量的多少取決于它的溫度T

。物體輻射電磁波的同時(shí)，也吸收電磁波。室溫高溫吸收較高輻射較高白底黑花瓷片物體輻射本領(lǐng)越大，其吸收本領(lǐng)也越大。二、基爾霍夫輻射定律單色輻出度：一定溫度T

下，物體單位面元在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的波長在~

+d

內(nèi)的輻射能dM

與波長間隔d的比值輻出度：物體(溫度T)單位表面在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的各種波長輻射能，為

單色輻出度01.01.75波長

(m)溫度越高，輻出度越大。另外，輻出度還與材料性質(zhì)有關(guān)。說明:單色反射比：反射能量與入射總能量之比。單色吸收比：當(dāng)輻射從外界入射到物體表面時(shí)，在到+d的波段內(nèi)，吸收能量與入射總能量之比。絕對黑體:

若物體在任何溫度下,對任何波長的輻射能的吸收比都等于1,則稱該物體為絕對黑體,簡稱黑體?；鶢柣舴蚨桑涸谕瑯拥臏囟认?，不同的物體或不同表面性質(zhì)的物體，其單色輻出度與單色吸收比之比值是一恒量。結(jié)論：一個(gè)好的吸收體一定也是一個(gè)好的發(fā)射體。絕對黑體:

若物體在任何溫度下,對任何波長的輻射能的吸收比都等于1,則稱該物體為絕對黑體,簡稱黑體。三.黑體輻射實(shí)驗(yàn)定律絕對黑體(黑體)：能夠全部吸收各種波長的輻射且不反射和透射的物體。黑體輻射的特點(diǎn)：

與同溫度其它物體的熱輻射相比，黑體熱輻射本領(lǐng)最強(qiáng)煤煙約99%

理想模型：

空心容器開小孔實(shí)現(xiàn)空腔黑體

不透明的材料制成帶小孔的空腔,可近似看作黑體。1.斯特藩——玻耳茲曼定律式中輻出度與

T4

成正比.2.維恩位移定律峰值波長

m

與溫度

T成反比0.51.01.52.01050MB(10-7

×W/m2·

m)(m)可見光5000K6000K3000K4000K此可估算出宇宙溫度：在2.7左右Mλ和大爆炸宇宙論的預(yù)言相吻合1964年，美國無線電工程師A.A.Penzias和R.M.Wilson研究無線電傳輸時(shí)，發(fā)現(xiàn)空間中一直存在一噪聲，其

m

在1.0mm附近.說明由大爆炸宇宙論的預(yù)言宇宙殘留溫度為2.735K左右1978年，諾貝爾物理學(xué)獎宇宙背景輻射3.瑞利—金斯定律和維恩定律經(jīng)典電磁理論

統(tǒng)計(jì)物理能量按自由度均分原理解釋黑體光譜分布規(guī)律（1）瑞利—金斯定律

問題：“紫外災(zāi)難”——長波符合，短波不符合，需修正。瑞利-金斯定律：4012356789瑞利-金斯線（2）維恩定律

1893年維恩假設(shè)：黑體輻射能譜分布與麥克斯韋分子速率類似，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得經(jīng)驗(yàn)公式：

問題：短波符合，長波λ→∞與實(shí)驗(yàn)不符合，需修正。維恩定律：4012356789維恩線四、普朗克量子假設(shè)（1）普朗克公式（經(jīng)驗(yàn)公式）

1900年普朗克在前面兩條定律的基礎(chǔ)上分析數(shù)據(jù)得：（A）長波情況下，λ很大，則所以有瑞利—金斯定律（B）短波情況下，λ很小，則所以有維恩定律

對于小的λ，使公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符得著名常數(shù)（體現(xiàn)微觀世界能量數(shù)量級）：（2）黑體光譜分布理論值與實(shí)驗(yàn)值的比較瑞利—金斯線普朗克線維恩線實(shí)驗(yàn)值（3）普朗克假設(shè)

（A）經(jīng)典理論的基本觀點(diǎn)：

（a）電磁波輻射來源于帶電粒子的振動，電磁波頻率與振動頻率相同；

（b）振子（帶電粒子）輻射電磁波含各種波長，是連續(xù)的，輻射能量也是連續(xù)的；

（c）溫度升高，振子振動加強(qiáng)，輻射能量加大。

（B）普朗克能量子假設(shè)：輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。對于頻率為ν的振子，振子輻射的能量不是連續(xù)的，而是分立的，它取值是某一最小能量hν的整數(shù)倍，即榮獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎其中n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。*

1887年赫茲首先發(fā)現(xiàn)負(fù)電極在紫外光的

照射下更容易放電?！?3-2光電效應(yīng)和愛因斯坦光子理論光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)*其它物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)金屬在光照射下會放出帶負(fù)電的粒子。*勒鈉德測出這些粒子的荷質(zhì)比,確定其為電子。

在光的作用下，從金屬表面逸出電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)

。逸出的電子稱為光電子。一、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一：入射光強(qiáng)度和頻率不變1、增加電壓U，光電流隨之增加，直至飽和。3、當(dāng)反向電壓U=Ua時(shí),光電流I=0。2、電壓U=0時(shí)，光電流I=0。截止電壓(遏制電勢差）：光電子剛好不能到達(dá)A極時(shí)所加的反向電壓值Ua

。-光KAGVIU0IH實(shí)驗(yàn)二：改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)度和頻率I2I3I1IU0Ua1、入射光頻率不變，飽和電流IH的大小與入射光的強(qiáng)度成正比。2、入射光頻率越高，遏制電勢差Ua越大。即：K極逸出的電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度成正比。即：光電子最大初動能，與入射光的頻率成正比。Ua0Na02光強(qiáng)1<光強(qiáng)2<光強(qiáng)3與入射光的光強(qiáng)無關(guān)。3、存在一個(gè)“遏制頻率”（紅限）o=U0/K光電效應(yīng)發(fā)生4、光電效應(yīng)瞬時(shí)響應(yīng)的性質(zhì)。t<10-9秒it10-9sUa0CSNaCa010203

電子在電磁波作用下作受迫振動，直到獲得足夠能量(與光強(qiáng)

I有關(guān))逸出，不應(yīng)存在紅限

0

。當(dāng)光強(qiáng)很小時(shí)，電子要逸出，必須經(jīng)較長時(shí)間的能量積累。存在紅限頻率。只有光的頻率

0

時(shí)，電子才會逸出。

單位時(shí)間內(nèi)，逸出光電子數(shù)與光強(qiáng)

I

成正比。

光電子即時(shí)發(fā)射，滯后時(shí)間不超過

10–9

秒。

光電子最大初動能和光頻率

成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。

光電子最大初動能取決于光強(qiáng)，和光的頻率

無關(guān)。二、經(jīng)典理論解釋光電效應(yīng)的困難：普朗克的能量子假設(shè)：諧振子發(fā)射或吸收的能量是量子化的，每份能量為普朗克愛因斯坦

愛因斯坦推廣了普朗克的能量子假設(shè)，認(rèn)為：點(diǎn)光源發(fā)出光線的在空間范圍上也是量子化的，只能以完整的單元產(chǎn)生和吸收！榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎三、愛因斯坦的光子理論：愛因斯坦方程：光強(qiáng)：A是逸出功，取決于金屬的性質(zhì)金屬光子-電子光子能量：紅限：

光在空間傳播時(shí)，光能不是均勻地分布于波前，而是聚集成一顆一顆能量量子，當(dāng)光照射到陰極表面時(shí)，所發(fā)射的一個(gè)電子是從一個(gè)單一能量量子獲得能量。這種能量量子被稱為光子，它的能量與電磁波的頻率ν有關(guān).

解釋2：

產(chǎn)生光電效應(yīng)：四、愛因斯坦的光子理論對于光電效應(yīng)的解釋：

解釋1：入射光頻率不變光強(qiáng)S與光子數(shù)有關(guān)，光較強(qiáng)時(shí)到達(dá)陰極光子數(shù)較多，電子數(shù)也較多，飽和電流增大.光強(qiáng):愛因斯坦方程：1、入射光頻率不變，飽和電流IH的大小與入射光的強(qiáng)度成正比2、存在一個(gè)“遏制頻率”（紅限）o=U0/KIU0I1I2I3Ua光強(qiáng)1<光強(qiáng)2<光強(qiáng)30UKUa-n=實(shí)驗(yàn)結(jié)論：實(shí)驗(yàn)3、入射光頻率越高，遏制電勢差Ua越大。即，光電子最大初動能，與入射光的頻率成正比。愛因斯坦方程：

解釋3：解釋4：即使光強(qiáng)很弱，只要

hν促使電子發(fā)射，就產(chǎn)生光電效應(yīng)，與光強(qiáng)無關(guān)。其次電子吸收光子為一很短過程，光電效應(yīng)沒有時(shí)滯，是瞬時(shí)完成的。Ua0CSNaCa010203由愛因斯坦光子理論的證實(shí)

*1914~1916年，密立根光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)斜率：截距：光子動量四.光的波粒二象性光子能量光子質(zhì)量粒子性波動性五.光電效應(yīng)的應(yīng)用

光電成像器件能將可見或不可見的輻射圖像轉(zhuǎn)換或增強(qiáng)成為可觀察記錄、傳輸、儲存的圖像。紅外變像管紅外輻射圖像

→

可見光圖像像增強(qiáng)器微弱光學(xué)圖像

→

高亮度可見光學(xué)圖像測量波長在

200~1200nm

極微弱光的功率光電倍增管K1K3K5

K

K2K4

A

例題：鉀的光電效應(yīng)紅限為o=6.210-7m，求：

（1）電子的逸出功；

（2）在λ=3.0×10-7m的紫外線照射下，截止電壓為多少？

（3）電子的初速度為多少？解：（1）（2）（3）POQS已知：如圖OP,OQ,PQ求：A,h解：§13-3康普頓效應(yīng)

康普頓，美國著名物理學(xué)家、“康普頓效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)者。與英國的威爾遜一起分享了1927年度諾貝爾物理學(xué)獎.

吳有訓(xùn)，物理學(xué)家、教育家，我國近代物理學(xué)奠基人之一。以系統(tǒng)、精湛的實(shí)驗(yàn)為康普頓效應(yīng)的確立做出了重要貢獻(xiàn)。光的散射(光子與自由電子的作用)

當(dāng)光照射到尺度遠(yuǎn)小于其波長的物體上，光就會向各個(gè)方向散開，這種現(xiàn)象稱為光的散射。一、康普頓效應(yīng)：石墨體x射線譜儀X射線管在1922—1923年間，康普頓在用X射線作光散射實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)：X射線被散射后，除部分波長沒有改變外，還有部分波長變長，這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)（康普頓散射）。同一散射物質(zhì)，不同散射角(1)波長的改變量△

=

-o隨散射角的增加而增加(2)隨著的增加，原波長o的譜線強(qiáng)度減少而新譜線的強(qiáng)度增加1、康普頓效應(yīng)與散射角的關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果：石墨體x射線譜儀X射線管(1)、相同時(shí)，對不同的散射物質(zhì)，-o都相同。(2)、在原子序數(shù)