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1、大学物理学电子教案,长江大学教学课件,量子物理（1）,15-1 黑体辐射 普朗克能量子假说黑体辐射及其规律普朗克假说 普朗克黑体辐射公式黑体辐射的应用15-2 光电效应 光的波粒二象性光电效应的实验规律光子 爱因斯坦方程光电效应的应用,第十五章,量子物理,1、经典物理学的发展过程,2、近年来的发展,粒子物理：量子电动力学、重整化方法天体物理：,太阳中微子短缺问题引力波存在的问题物体的速度能否超过光速的问题,生物物理,有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计物理、X射线、电子能谱 和核磁共振技术等）。非平衡热力学及统计物理,3、物理学发展的趋向,学科之间的大综合相互渗透结合成边缘学科,4、从经
2、典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题,1887年的迈克耳孙莫雷实验否定了绝对参考系的存在；1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所谓“紫外灾难”；1897年J.J.汤姆孙发现电子，说明原子不是物质的基本单元，原子是可分的。,原子是构成物质的基本单元；能量是连续变化的。,15-1 黑体辐射 普朗克能量子假说,一、黑体 黑体辐射,1、热辐射热辐射现象：任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少，以及电磁波按波长(频率)的分布都与温度有关，故称为热辐射。,头部热辐射像,头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异，这种差异可通过热象仪转换成可见光图象。,辐射
3、和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射称为平衡热辐射。,物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射本领越大，其吸收本领也越大。,室温,高温,吸收,辐射,白底黑花瓷片,2、黑体定义：如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。说明：(1)黑体是个理想化的模型。(2)对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。(3)与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射本领最强,3、与热辐射有关的物理量,单色辐出度从热力学温度为T 的黑体的单位面积上、单位时间内、在单位波长（频率）范围内所辐射的电磁波能量，称为单色辐射出射度，简称单色
4、辐出度，用M(T)、 M(T)表示。,辐射出射度在单位时间内，从热力学温度为T的黑体的单位面积上、所辐射的各种波长（频率）范围的电磁波的能量总和，称为辐射出射度，简称辐出度。,二、斯特藩玻耳兹曼定律 维恩位移定律,1、测量黑体辐射的实验装置,2、斯特藩-玻耳兹曼定律,黑体的辐出度与黑体的热力学温度的四次方成正比，这就是斯特藩-玻耳兹曼定律。,s=5.6710-8W m-2 K-4 为斯特藩-玻耳兹曼常量,常量,峰值波长,当黑体的热力学温度升高时，与单色辐出度峰值相对应的波长m 向短波方向移动，这就是维恩位移定律。,3、维恩位移定律,4、M(T)与M(T)关系,测量温度：通过测量星体的谱线分布来
5、确定其热力学温度热象图：通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确定物体表面的温度分布；消失线高温计：测量炉温,4、黑体辐射的应用,（2）取,（1）由维恩位移定律,（3）由斯特藩玻尔兹曼定律,由维恩位移定律,对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法进行推测,太阳不是黑体，所以按黑体计算出的 Ts 低于太阳的实际温度。,说明,三、黑体辐射的瑞利金斯公式 经典物理的困难,1、目的：探求单色辐出度的数学表达式,2、瑞利金斯公式利用能量均分定理和电磁理论得出：,3、经典物理的困难在低频（长波）部分与实验曲线相符合，在高频（短波）则完全不能适用。在高频部分，黑体辐射的单色辐出度将随着频率的增高而趋于
6、“无限大”“紫外灾难”。,四、普朗克假说 普朗克黑体辐射公式,普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947),德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，1900年12月14日他在德国物理学会上，宣读了以关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文，提出了能量的量子化假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为“量子论的诞生日”。1918年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。,普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子，它吸收或者发
7、射电磁辐射能量时，不是过去经典物理认为的那样可以连续的吸收或发射能量，而是以与振子的频率成正比的能量子 为单元来吸收或发射能量.,空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为,1、普朗克假说,谐振子的能量可取值只能是某一最小能量单元 的整数倍，即： E=n , n=1,2,3,.叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数能量量子化。对于频率为n 的谐振子，最小能量为： =hn 其中h=6.62610-34 Js为普郎克常数结论：谐振子吸收或辐射的能量只能是=hn的整数倍。,2、普朗克公式,3、说明,普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，还解释了固体的比热问题等。它成为现代理论的重要组成部分
8、。,从普朗克公式可导出斯特藩-玻耳兹曼定律，维恩公式，瑞利金斯公式,维恩位移定律,斯特藩-玻耳兹曼定律,瑞利金斯公式,4、普朗克假说意义,普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。,解（1）,基元能量,（2）,在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明显的，即宏观物体的能量完全可视作是连续的.,15-2 光电效应 爱因斯坦光子假说,一、光电效应的实验规律,1、光电效应的基本概念
9、当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫光电效应，所逸出的电子叫光电子，由光电子形成的电流叫光电流，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的逸出功。,2、实验装置,单色光通过石英窗照射金属板阴极上有光电子产生。,如将K接正极、A接负极，则光电子离开K后，将受到电场的阻碍作用。当K、A之间的反向电势差等于U0时，从K逸出的动能最大的电子刚好不能到达A，电路中没有电流， U0叫遏止电压。,3、实验现象,(2)存在截止频率：对某一种金属来说，只有当入射光的频率大于某一频率n0时，电子才能从金属表面逸出，电路中才有光电流，这个频率n0叫做截止频率红限.,(3)线性性：用不同频率的光照射金属K
10、的表面时，只要入射光的频率大于截止频率，遏止电势差与入射光频率具有线性关系。,(1)饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比。,(4)瞬时性：无论入射光的强度如何，只要其频率大于截止频率，则当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电流逸出（延迟时间约为10-9s）,(1)经典认为光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动能也该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。,4、经典理论的困难,(2)只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为只要强度足够大，就能使电子逸出金属，有无光电效应不应与频率有关。,(3)瞬时性
11、。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。,二、光子 爱因斯坦方程,1、爱因斯坦光子假说1905年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为光束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子流叫做光量子，简称光子。在真空中，光子以光速c 运动。一个频率为n的光子具有能量e=hn,2 、光电效应的爱因斯坦方程,3、光电效应解释,(1)饱和光电流强度与光强成正比：对于给定频率的光束来说，光的强度越大，表示光子的数目越多，光电子越多，光电流越大。,(2) 红限频率的存在：当入射光频率低于红限频率n0，hnW/h），以致每个光子的能量足够大，电子才能克服逸出功而逸出金属表面。所以红限频率
12、n =W/h；,(3) 截止电压与频率成线性关系,(4)光电效应的瞬时性：当电子一次性地吸收了一个光子后，便获得了 hn 的能量而立刻从金属表面逸出，没有明显的时间滞后。,三、光电效应的应用,光电管和固态光电探测器光电倍增管光控继电器光电导摄像管光敏电阻,光电倍增管,四、光的波粒二象性,密立根1916年的实验，证实了光子论的正确性，并求得h=6.5710-34 焦耳秒。光的波动性（ ）和粒子性（ p ）是通过普朗克常数联系在一起的。,相对论质能关系：,光子的质量：,因为：,光子的动量：,光既具有粒子性，又具有波动性，即具有波粒二象性,小 结,黑体辐射 普朗克能量子假说黑体 黑体辐射斯忒藩玻耳兹曼定律 维恩位移定律黑体辐射的瑞利金斯公式 经典物理的困难普朗克假说 普朗克黑体辐射公式黑体辐射的应用光电效应 光的波粒二象性光电效应的实验规律 光子 爱因斯坦方程光电效应的应用 光的波粒二象性,作 业大学物理习题集练习,
