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1、1,6.1 黑体辐射和普朗克的量子假设6.2 光电效应和爱因斯坦的光子理论6.3 康普顿效应 6.4 玻尔的氢原子理论 6.5 微观粒子的波动性 6.6 波粒二象性分析 6.7 不确定关系 6.8 波函数和概率幅 6.9 薛定谔方程 6.10 薛定谔方程应用举例,第六章量子物理基础,普朗克,玻尔,2,问题：,3.太阳等星球表面温度有多大？,1.量子学说是怎样产生的？其意义是什么？,2.什么是能量量子？,6.什么是康普顿效应？,4.什么是光电效应现象？,5.爱因斯坦光子理论怎样解释光电效应现象？,3,6.1 黑体辐射和普朗克的量子假设,一.历史背景,1800年赫谢尔太阳光谱热效应,发现红光外仍有
2、热效应发现了红外线,且红外线仍遵守:折射定律反射定律,近红外0.761.0 m,中红外1.06.0 m,远红外6.050 m,二. 热辐射,当辐射和吸收达到平衡时,物体的温度不再变化而处于热平衡状态此时的热辐射称为平衡热辐射.,辐射：物体以电磁波方式向外发射能量的过程。,任何物体在任何温度下都有辐射。, 物体辐射的能量及能量按波长的分布与物体温度有关热辐射,任何物体既向外辐射电磁波，也吸收照射到其上的辐射能。,5,如加热铁块时：,热辐射的基本性质：,温度 发射的能量 电磁波的短波成分,随着温度升高，从微微发热热烘烘热浪逼人；,其颜色由看不出发光红色逐渐变黄黄白刺眼的青白色。,6,三. 辐射本领
3、和吸收本领,1.单色辐射本领 r :,温度为T的物体,单位面积,单位时间内,在波长 +d 辐射的能量dE(,T),2.总辐射本领:,单色辐射本领反映物体单位时间单位面积在波长附近单位波长范围内辐射出的能量;,物体单位时间单位面积在全波长范围内辐射的总能量,r(,T)与、T有关,定义:,(即单位面积的单色辐射功率),(即单位面积的总辐射功率):,E(T)与T有关,7,不同的物体， r(,T)、E (T) 、 (,T)不同,3. 单色吸收本领 :,照射到不透明物体上的辐射能量分成两部分：吸收和反射,吸收本领：吸收的辐射能和入射辐射能的比值,对各种波长的辐射几乎全吸收白光照射下呈黑色,对各种波长的辐
4、射几乎全反射白光照射下呈白色,黑体,有些物体选择性地吸收某些单色光,反射的是其互补色,白体,8,如：炼钢炉上的小洞,如：向远处观察打开的窗子,在任何温度下对各种波长的辐射全吸收绝对黑体,四. 黑体,绝对黑体模型:有小孔,不透明的空腔,都是近似黑体,9,即对任何物体，,五. 基尔霍夫辐射定律,任何物体的辐射本领和吸收本领之比， 都等于同一温度下黑体的辐射本领.,热平衡条件下，任何物体在同一温度T下的辐射本领与吸收本领成正比,比值与物体性质无关, 只与波长和温度有关：,“黑体不黑!”, 黑体也是最佳辐射体,(绝对)黑体: 吸收本领最大 辐射本领最大,10,黑体辐射的实验研究：,1897年陆末和普林
5、斯海姆获得黑体辐射测量结果.,研究绝对黑体辐射的意义：,无外界杂光反射可精确测量,普适函数r0(,T)普适性,11,黑体辐射测量结果-不同温度下单色辐射本领与波长的关系如下:, /100nm,黑体单色辐射本领,不同温度T下黑体总辐射本领=曲线与横轴围成的面积（量值上）：,六. 黑体辐射的实验定律,12,1. 斯特藩玻耳兹曼（Stefan-Bolzman）定律,黑体的总辐射本领与绝对温度的四次方成正比:, =5.67010-8W/(m2.K4) -斯特藩-玻尔兹曼常数,T 曲线下的面积即总辐射本领 E0剧增,应用：应降低飞机、 坦克、军舰等表面温度, 以防红外导弹攻击; 光测高温辐射高温计.,1
6、3,2. 维恩(Wien)位移定律,或 m = b/T,在任何温度T下, 黑体单色辐射本领的峰值波长m与T成反比即:,b = 2.89810-3m.K -维恩常数,T r0(,T)的最大值左移 m向短波方向移动,应用：遥感和红外追踪，测量太阳等星体表面的 温度, 或炉体内温度,m(T大) m(T小),14,运动时各部分热辐射像温度的分布,运动时各部分温度的差异各部分热辐射有差异这种差异通过热像仪转换成可见光图像,这是无接触无损伤的成像方法在医学上, 工业上有广泛应用,15,红外夜视仪,16,红外夜视图,17,维恩经典热力学维恩公式:,瑞利-金斯经典统计物理学瑞利-金斯公式:,C1, C2-两个
7、常数,c-光速,k-玻尔兹曼常数,分析：,维恩曲线:短波吻合,长波偏移,瑞利曲线:长波吻合,短波偏移,经典理论共同特点:,物理量连续,七. 经典理论的失败,理论上研究黑体热辐射的规律，,18,（瑞利-金斯导出公式时,用到经典统计物理学中的能量均分原理）,若外界不断给黑体(开小孔的空腔)能量，,短波波区能量不断增大,而且没有上限。,空腔小孔辐射出极强的、致人于死地的短波辐射.,-历史上称其为“紫外灾难”,推广:我们的空间应该充满着致人死命的短波辐射。,事实上,并非如此。,问题出在哪里？,第二朵愁云-统计物理学中能量均分定理的失效,按瑞利-金斯公式，,19,短波取维恩公式,长波取瑞利公式,由经验公
8、式与实验曲线的吻合情况确定出普朗克常数: h=6.62610-34J.s,八. 普朗克能量子假设和普朗克公式,绝对黑体辐射的普朗克经验公式,为了从理论上得到上述公式,普朗克作出能量子假设,1900年(德)普朗克(Planck)采用:,找到与实验曲线吻合的经验公式：,20,频率为 的谐振子，其能量只能取一系列分立的量值，这些分立的能量是某一最小能量单元 的整数倍，而 与振子频率成正比，即：,普朗克常数,1. 普朗克能量子假设,振子能量是量子化的:,（能级）,叫能量子；,（1）物质中有谐振子。,（2）考虑物质和辐射组成的系统. 在热平衡时,系统内部谐振子与辐射场不断交换能量:谐振子与辐射场交换的能
9、量只能是0 的整数倍,21,2. 普朗克公式的推导,由普朗克能量子假设出发，普朗克推导得出黑体辐射公式：,与普朗克黑体经验公式完全相同！,此即普朗克黑体辐射理论公式,22, 当波长 很小ehc/kT 1,(维恩公式), 当波长 很大ehc/kT-1 hc/ (kT ),(瑞利-金斯公式),讨论：,(维恩位移定律),(斯特藩-玻尔兹曼定律),结论：普朗克量子理论对黑体辐射取得了全面的成功-量子理论正确！,从此拉开了量子物理序幕,普朗克黑体辐射理论公式,经典理论: 认为振子能量是连续的； 不能解释黑体辐射实验规律,经典,能量,量子,普朗克： 认为振子能量是量子化的。 能解释黑体辐射实验规律,（19
10、00年以前),（1900年),总结:,能量不连续是划时代的,24,参考书,1.张三慧量子物理论2.王竹溪统计物理学导论3.王竹溪热力学,25,6-2 6-3 6-46-5,作业：P245,26,光电效应在光的照射下，电子从金属及其化合物表面逸出的现象。从被照射物体的表面逸出的电子称为光电子。,（光电效应实验）,6-2 光电效应 光的量子性,27,入射单色光强和频率一定时，光电流随加速电势差的增加而增强，最终达到饱和值饱和光电流。,光电效应的伏安特性曲线：,饱和光电流从阴极K上逸出的光电子全部 被加速飞到了阳极板A上时的电流。,-U0 (),一. 光电效应的实验规律,入射光强和频率一定,入射光频
11、率和光强一定时,28,-U0 (),EE,1. 入射光频率一定时,饱和光电流强度与入射光强成正比,即：单位时间内受光照射的阴极板上释放出的光电子数与入射光强成正比。（入射光频率一定时）,入射光频率一定,入射光频率一定, 改变入射光强时:,改变入射光强,实验结果：,29,U=0时，,（入射光频率一定）,2. 光电子的最大初动能与入射光强 无关，与频率成线性关系,只有当 时,I=0 ,遏止电压,此时光电子的最大初动能正好克服反向电场力作功：,实验结果：,-U0 (),不同阴极材料,光电子的最大初动能与入射光频率成线性关系，而与入射光强无关。,光电子逸出时有初动能；,但斜率相同,30,3. 光电效应
12、的产生有红限频率存在,光电效应的红限（或截止频率）只与阴极板材料有关。,光电效应是瞬时发生的，弛豫时间不超过,4. 光电效应的弛豫时间,不同金属材料, 0不同;,31,光电子的最大初动能与入射光强无关,二光的波动说遇到的困难,遏止电压U0,存在截止频率0(红限), 0的光照射无光电效应,弛豫时间 (10-9s),照射后即刻产生光电流,按照光的波动说光能量光振幅2,电子吸收光能与频率无关 0的光照射也有光电效应不应存在红限,矛盾2,矛盾1,矛盾3,电子吸收光能须积累到一定值才逸出需要时间,与入射光强无关,32,受普朗克能量子(h)启发,关于光的产生和转化的一个试探性观点论文,提出光子理论解释了光
13、电效应.,三. 爱因斯坦光子理论（1905）,爱因斯坦发表了,普朗克假定是不协调的,只涉及发射或吸收,未涉及光在空间的传播。,33,1. 光子理论,（3）一定频率单色光的强度(光波的平均能流密度)，决定于单位时间内到达被照射物体单位垂直表面积的光子数N的多少：,（2）一束频率为 的光，每个光子的能量为：,光量子具有“整体性”,(1)不仅在发射和吸收时，光的能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个集中存在的、不可分割的能量子组成.,频率不同的光波，光子的能量不同。,34,2. 爱因斯坦光电效应方程,光照下金属中电子 吸收一个光子能量h,一部分用来克服金属表面的逸出功A,另一部分为逸出时的动能(1/2)mv2,金属,金属物理模型：金属离子浸在电子海中,由能量守恒:,爱因斯坦 光电效应方程,或,35,3.光子理论对光电效应的解释,光电子的最大初动能与入射光强无关,饱和光电流 I,频率一定时,饱和光电流与入射光强成正比,遏止电压U0,存在截止频率0(红限), 0=A/h的光照射无光电效应,弛豫时间 (10-9s),照射后即刻产生光电流,与入射光强无关,光强光子数 光电子数 饱和电流,
