黑體輻射、 普朗克能量子假設(shè)、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng).ppt

1、量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的歷史.其間，經(jīng)過愛因斯坦、玻爾、德布羅意、玻恩、海森伯、薛定諤、狄拉克等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到 20 世紀(jì) 30 年代，就建立了一套完整的量子力學(xué)理論.,量子力學(xué),經(jīng)典力學(xué),現(xiàn)代物理的理論基礎(chǔ),量子力學(xué)相 對(duì) 論,量子力學(xué),實(shí)驗(yàn) 規(guī)律,舊理論 解釋的 困難,新理論,基本流程,（1）熱輻射 實(shí)驗(yàn)證明不同溫度下物體能發(fā)出 不同的電磁波，這種能量按頻率的分布隨溫度而不同 的電磁輻射叫做熱輻射.,（2）單色輻射出射度 單位時(shí)間內(nèi)從物體單位表面積發(fā)出的頻率在 附近單位頻率區(qū)間（或波長在 附近單位波長區(qū)間）的電磁波的能量 .,單色輻射出射度

2、單位：,單色輻射出射度 單位：,1、黑體、黑體輻射,一、 黑體輻射和普朗克能量子假設(shè),（3）輻射出射度 （輻出度）,物體表面單位時(shí)間、單位面積上所輻射出的各種波長的電磁波的能量總和.,單色輻射出射度,實(shí)驗(yàn)表明 輻射能力越強(qiáng)的物體，其吸收能力也越強(qiáng).,（4）黑體 能完全吸收照射到它上面的各種頻率的電磁輻射的物體稱為黑體 .（黑體是理想模型）,測量黑體輻射出射度實(shí)驗(yàn)裝置,黑體輻射規(guī)律,（1）斯特藩玻爾茲曼定律,斯特藩玻爾茲曼常量,曲線下的總面積就是輔出度,斯特藩 玻爾茲曼定律 維恩位移定律,（2）維恩位移定律,常量,峰值波長,曲線的極大值對(duì)應(yīng)于波長 表示這種波長的電磁波能量比例最大,當(dāng)絕對(duì)黑體的溫

3、度升高時(shí)，單色輻射出射度最大值向短波方向移動(dòng)。,（2）取,（1）由維恩位移定律,（3）由斯特藩玻爾茲曼定律,由維恩位移定律,對(duì)宇宙中其他發(fā)光星體的表面溫度也可用 這種方法進(jìn)行推測,2、黑體輻射的瑞利金斯公式 經(jīng)典物理的困難,瑞利 - 金斯公式,3、普朗克能量子假設(shè) （1900 年）,普朗克常量,普朗克黑體輻射公式,(1)黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射電磁波，并和周圍的電磁場交換能量。 (2) 這些諧振子能量不能連續(xù)變化,只能取一些分立值,是最小能量 的整數(shù)倍,這個(gè)最小能量稱為能量子。,M.V.普朗克 研究輻射的量子理論,發(fā)現(xiàn)基本量子，提出能量量子化的假設(shè),1918諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),普朗克

4、（1858-1947）,普朗克量子假說（1900年12月14日，柏林，德意志科學(xué)院）,1、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的規(guī)律,（1）實(shí)驗(yàn)裝置,二、光電效應(yīng)、光的波粒二象性,光電效應(yīng) 光照射到金屬表面時(shí)，有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。,光電子 逸出的電子。,光電子由K飛向A，回路中形成光電流。,1）單位時(shí)間內(nèi)從陰極逸出的光電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度成正比。,2）存在截止電壓，說明光電子具有初動(dòng)能，且遏止電勢差與入射光頻率具有線性關(guān)系,（2）實(shí)驗(yàn)規(guī)律,.,光電子初動(dòng)能和入射光頻率成正比，與入射光光強(qiáng)無關(guān),遏止電勢差與入射光頻率具有線性關(guān)系,4) 光電效應(yīng)瞬時(shí)響應(yīng)性質(zhì),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無論光強(qiáng)如何微弱，從光照射到光 電子出現(xiàn)不超

5、過 的時(shí)間。,光電效應(yīng)的產(chǎn)生幾乎無需時(shí)間的累積,3）對(duì)于給定的金屬，當(dāng)照射光頻率小于金屬的紅限頻率，則無論光的強(qiáng)度如何，都不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。,幾種純金屬的截止頻率,截止頻率與材料有關(guān)與光強(qiáng)無關(guān),按經(jīng)典理論，電子逸出金屬所需的能量，需要有一定的時(shí)間來積累，一直積累到足以使電子逸出金屬表面為止.與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符 .,2、經(jīng)典理論遇到的困難,紅限問題,瞬時(shí)性問題,按經(jīng)典理論，光電子的初動(dòng)能應(yīng)決定于入射光的光強(qiáng)，而不決定于光的頻率。無論何種頻率的入射光,只要其強(qiáng)度足夠大，就能使電子具有足夠的能量逸出金屬 .與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符.,光子的能量,因?yàn)椋?由于光子速度恒為 c ，所以光子的“靜止質(zhì)量”為零.,光是以

6、光速 c 運(yùn)動(dòng)的微粒流，稱為光量子（光子）。,3、愛因斯坦光子假說,光子的質(zhì)量,光子的靜質(zhì)量,光子的動(dòng)量,光的波粒二象性,光子 愛因斯坦方程,（1） “光量子”假設(shè),光子的能量為,（2） 解釋實(shí)驗(yàn),逸出功與材料有關(guān),對(duì)同一種金屬， 一定， ，與光強(qiáng)無關(guān),逸出功,光強(qiáng)越大，光子數(shù)目越多，即單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生光電 子數(shù)目越多，光電流越大.（ 時(shí)）,光子射至金屬表面，一個(gè)光子攜帶的能量 將一 次性被一個(gè)電子吸收，若 ，電子立即逸出， 無需時(shí)間積累（瞬時(shí)性）.,（3） 的測定,愛因斯坦方程,例 在鋁中移出一個(gè)電子需要4.2eV的能量，波長為 200nm的光射到其表面，求： 1、光電子的最大動(dòng)能 2、遏制電

7、壓 3、鋁的截止波長,解：,光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用,光控繼電器、自動(dòng)控制、 自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警等.,光電倍增管,A.愛因斯坦 對(duì)現(xiàn)物理方面的貢獻(xiàn)，特別是闡明光電效應(yīng)的定律,1921諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),愛因斯坦提出光量子概念 （1905年）,1920年，美國物理學(xué)家康普頓在觀察X射線被物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中含有波長發(fā)生變化了的成分.,（1）實(shí)驗(yàn)裝置,調(diào)節(jié)A的方位，可使不同方向的散射光進(jìn)入光譜儀。,三、康普頓效應(yīng),1920年，美國物理學(xué)家康普頓在觀察X射線被物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中含有波長發(fā)生變化了的成分.,實(shí)驗(yàn)裝置,經(jīng)典電磁理論預(yù)言，散射輻射具有和入射輻射一樣的頻率 . 經(jīng)典理論無法解釋波長變

8、化 .,（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在散射X 射線中除有與入射波長相同的射線外，還有波長比入射波長更長的射線 .,2、經(jīng)典理論的困難,電子反沖速度很大，需用相對(duì)論力學(xué)來處理.,（1）物理模型,入射光子（ X 射線或 射線）能量大 .,固體表面電子束縛較弱，可視為近自由電子.,3、量子解釋,電子熱運(yùn)動(dòng)能量 ，可近似為靜止電子.,范圍為：,（2）理論分析,能量守恒,動(dòng)量守恒,康普頓波長,康普頓公式,散射光波長的改變量 僅與 有關(guān),散射光子能量減小,（3）結(jié)論,（4）討論,（5）物理意義,若 則 ,可見光觀察不到康普頓效應(yīng).,光子假設(shè)的正確性，狹義相對(duì)論力學(xué)的正確性 .,微觀粒子也遵守能量守恒和動(dòng)量守恒定律.,

9、1927諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),A.H.康普頓 發(fā)現(xiàn)了X射線通過物質(zhì)散射時(shí)，波長發(fā)生變化的現(xiàn)象,X射線經(jīng)過金屬、石墨 等物質(zhì)，發(fā)生波長改變的 散射稱康普頓效應(yīng)?？灯疹D效應(yīng)是說明光的粒子性的另一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)。,康 普 頓 散 射 實(shí) 驗(yàn),【課外】 我國科學(xué)家吳有訓(xùn) 博士在這項(xiàng)工作中 作出過杰出貢獻(xiàn)。,康普頓實(shí)驗(yàn)指出,改變波長的散射,康普頓散射,康普頓效應(yīng),散射光中除了和入射光波長 相同的射線之外，還出現(xiàn)一種波長 大于 的新的射線,【課外】 我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)在與康普頓共同研究中還發(fā)現(xiàn)：,原子量小的物質(zhì)康普頓散射較強(qiáng)，原子量大的物質(zhì)康普頓散射較弱；,當(dāng)散射角增加時(shí)，波長改變也隨著增加；在同一散射角下，所有

10、散射物質(zhì)的波長改變都相同。,石 墨 的 康 普 頓 效 應(yīng),.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,(a),(b),(c),(d), (埃),0.700,0.750,康普頓理論的意義,1、驗(yàn)證了光的粒子說的正確性；,2、驗(yàn)證了在光與電子的相互作用過程中， 能量守恒與動(dòng)量守恒仍是正確的；,3、進(jìn)一步