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1、第第16章章 量子物理基础量子物理基础1热辐射热辐射普朗克能量子假设普朗克能量子假设 2光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说3康普顿散射康普顿散射4氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论5微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性 不确定关系不确定关系6波函数波函数 一维定态薛定谔方程一维定态薛定谔方程7氢原子的量子力学描述氢原子的量子力学描述9原子的电子壳层结构原子的电子壳层结构8电子自旋电子自旋 四个量子数四个量子数16.1热辐射热辐射普朗克能量子假设普朗克能量子假设主要内容：主要内容：1. 热辐射现象热辐射现象2. 黑体辐射的规律黑体辐射的规律3. 普朗克公式
2、和能量量子化假设普朗克公式和能量量子化假设第第16章章 量子物理基础量子物理基础一一、热辐射热辐射物体辐射总能量及能量按波长物体辐射总能量及能量按波长 分布都决定于分布都决定于温度温度（人头部热辐射像）（人头部热辐射像）例如：加热铁块例如：加热铁块1400K800K1000K1200K物体内的分子、原子受到热激物体内的分子、原子受到热激 发而发射电磁辐射的现象。发而发射电磁辐射的现象。单位时间内从物体单位表面发出的波长在单位时间内从物体单位表面发出的波长在 附近单位波长附近单位波长 间隔内的电磁波的能量。间隔内的电磁波的能量。0( )( )M TMT d =(1)(1)辐射能量按波长的分布辐射
3、能量按波长的分布光谱辐射光谱辐射出射度出射度MM (2) (2) 总辐射总辐射出射度出射度MM单位时间内从物体单位表单位时间内从物体单位表 面辐射的各种波长的总辐面辐射的各种波长的总辐 射能射能MM与与T T、物体材料有关。、物体材料有关。MMTd d()= )(TM 物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波. .物体辐射本领越大物体辐射本领越大， 其其吸收本领也越大吸收本领也越大. . 室温室温高温高温（白底黑花瓷片）（白底黑花瓷片）不辐射可见不辐射可见 光时，黑花光时，黑花 吸收大，反吸收大，反 射少所以暗射少所以暗辐射可见光辐射可见光 时，黑花吸时，黑花吸 收
4、大，辐射收大，辐射 大所以变亮大所以变亮平衡热辐射平衡热辐射: :辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变 化，此时物体的热辐射称为平衡热辐射化，此时物体的热辐射称为平衡热辐射. .通有电流的灯丝通有电流的灯丝通有电流的电炉丝通有电流的电炉丝热辐射频谱分布曲线热辐射频谱分布曲线不同温度的铆钉不同温度的铆钉总结总结：( (热辐射的特点热辐射的特点) ) (1) (1) 连续；连续； (2) (2) 频谱分布随温度变化；频谱分布随温度变化； (3) (3) 温度越高温度越高, ,辐射越强；辐射越强；)(TM (4) (4) 物体的辐射本领与温度、材料有关；物体的
5、辐射本领与温度、材料有关； 辐射本领越大，吸收本领也越大辐射本领越大，吸收本领也越大. .二二、黑体和黑体辐射的基本规律黑体和黑体辐射的基本规律1. 1. 黑体（绝对黑体）黑体（绝对黑体）能完全吸收各种频率的电磁波而无反射的物体能完全吸收各种频率的电磁波而无反射的物体, ,称为黑体。称为黑体。T平行光管平行光管绝对黑体绝对黑体三棱镜三棱镜 m黑体辐射的规律黑体辐射的规律维恩位移律维恩位移律 m= C T斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律：玻耳兹曼定律：( )4M TT=维恩公式维恩公式瑞利瑞利金斯公式金斯公式 222MkTc=3/TMe =普朗克公式普朗克公式三三、经典理论的推导经典理论的推导322(
6、 ) 1hv kThvMTce= 四四、普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说 ( (19001900. .1212. .0404) )(2)振子所处的状态也只能是振子所处的状态也只能是0， ，2 ， 3 一系列不连续状态中的某一个，一系列不连续状态中的某一个， 而不能居于两态之间。而不能居于两态之间。 n=n h 电电 磁磁 波波腔壁上的原子腔壁上的原子 (谐振子谐振子)能能 量量若谐振子频率为若谐振子频率为 v ，则其辐射能量是，则其辐射能量是 hv , 2hv, 3hv , , nhv , 普朗克常数普朗克常数h = 6.62610-34Js(1)与腔内电磁场交换能量时，谐振子与腔内电磁场
7、交换能量时，谐振子能量的变化是能量的变化是 =hv(能量子能量子)的整数的整数倍倍.量子物理量子物理 学的诞生学的诞生 日日16.2光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说主要内容：主要内容：1. 光电效应的实验规律光电效应的实验规律2. 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说 和光电效应方程和光电效应方程3. 光的波粒二象性光的波粒二象性4. 光电效应的应用光电效应的应用实验装置实验装置一、光电效应 KAGD光光GV当光照射到金属表面上时，电子从金属表面逸出的现象。 逸出的电子称光电子1、实验装置(1)入射光频率不变时，饱和 光电流与入射光强度成正比。iS I ( (光强光强) )2、实
8、验结果伏安特性曲线伏安特性曲线iS1 iS2I1 I2-UaUiI1I2（ 一定）一定） 021 am2eUm=v遏止电压遏止电压 Ua与与频率频率有关有关(2) 光电子最大初动能与光 频率成正比OaU铯钾00aUKU=2 01 2mmveKeU=遏止电压Ua KAGD光光GV(3)光电效应存在截止频率 （红限频率）2 01 2mmveKeU=0 0U K=OaU铯钾0 0 0(4)光电效应具有瞬时性,响应时 间在10-9s以下。经典物理无法解释光电效应实验规律经典物理无法解释光电效应实验规律电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量(与与 光
9、强光强 I 有关有关) 逸出，不应存在红限逸出，不应存在红限 0 .当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累.只有光的频率只有光的频率0时，电子才会逸出时，电子才会逸出.逸出光电子的多少取决于光强逸出光电子的多少取决于光强 I .光电子即时发射，滞后时间不超过光电子即时发射，滞后时间不超过 109s. . 实验总结实验总结光电子最大初动能和光频率光电子最大初动能和光频率 成线性关系成线性关系.光电子最大初动能取决于光强，和光的频率光电子最大初动能取决于光强，和光的频率 无关无关.3、实验结果与经典理论的矛盾二、爱因斯坦光子假说将光看作
10、以速度c运动的粒子流，这些粒子 称为光量子，简称“光子”，其能量为 h=光电效应方程光电效应方程21 2h- Am=mv（A A 为为逸逸出功）出功）电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累.光频率光频率 A/h 时，时，电子吸收一个光子即可克服逸出功电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出逸出 ( o= A/h) . 解释光电效应解释光电效应光电子最大初动能和光频率光电子最大初动能和光频率成线性关系成线性关系.单位时间到达单位垂直面积的光子数为单位时间到达单位垂直面积的光子数为N，则光强，则光强 I = Nh. I 越强越强 , 到阴极
11、的光子越多到阴极的光子越多, 则则逸逸出的光电子越多出的光电子越多.三、光的波粒二象性h=00m m =，光子的能量光子的能量光子的质量光子的质量光子的动量光子的动量Ehhpcc =波动性：光是电磁波，有干涉、衍射现象波动性：光是电磁波，有干涉、衍射现象粒子性：光是光子流，光子具有粒子的一切属性粒子性：光是光子流，光子具有粒子的一切属性- 质量、能质量、能 量、动量量、动量例例. 钾的光电效应红限为钾的光电效应红限为 0= 6.2 10-7m，求（，求（1）电子）电子 的逸出功；（的逸出功；（2）在波长为）在波长为3.0 10-7m的紫外线照射下，的紫外线照射下， 截止电压为多少？（截止电压为
12、多少？（3）电子的初速度为多少？）电子的初速度为多少？解解348 19 76.63 103 103.21 106.2 10ohcAh =J21 2hmA=+mv21,2ameU=mv2.14ahAhcAUVeee=19 51 3122 1.6 102.148.67 109.1 10aeU m =mm sv 0 0 0 0 探测器探测器 0 0X 光管光阑光阑散射物体散射物体( (实验装置示意图实验装置示意图) )16.3康普顿散射康普顿散射散射线中有两种波长散射线中有两种波长 0 0、 ，0=一、康普顿散射的实验规律= 0I0= 450I =90 0I =1350I1. 1. 波长的改变量波长
13、的改变量 - - 0 0 随散射角随散射角 的增加而增加。的增加而增加。实验结果：实验结果：3. 3. 对于原子量较小的散射物质，康普顿散射较强，反之较弱。对于原子量较小的散射物质，康普顿散射较强，反之较弱。2. 2. 对不同的散射物质，只要在同一个散射角下，波长的改变对不同的散射物质，只要在同一个散射角下，波长的改变 量量 - - 0 0 都相同。都相同。19211921经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射中经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射中 新波长的出现新波长的出现. .受迫振动受迫振动v000 00 电子受电子受 迫振动迫振动同频率同频率 散射线散射线
14、发射发射单色电单色电 磁波磁波照射照射散射物体散射物体二、经典物理无法解释康普顿散射的实验规律三、光子论解释康普顿散射的实验规律能量、动量守恒能量、动量守恒入射光子与外层电子弹性碰撞入射光子与外层电子弹性碰撞外层外层 电子电子受原子核束缚较弱受原子核束缚较弱动能光子能量动能光子能量近似自由近似自由近似静止近似静止静止静止 自自 由由 电子电子coscos0vmch ch+=22 00mchcmh+=+ 0hh2 0cm2mcch0chvm0sinsinvmch=sinsincoscos0vvmchmch ch=+=（运算推导）（运算推导）)cos2(022 02222+= hcm v22 00
15、mchcmh+=+2 002)(cmhmc+=)cos1 ()(002 0=hcm2 0c 0011(1cos )2sin2hcm c =c0/0.0024 nmh m c=（电子的康普顿波长）（电子的康普顿波长）其中其中0 2 00(1 cos )h m c =24222242 00000(2)2()m chm chm c =+1. 波长的改变量波长的改变量 与散射角与散射角有关，散有关，散 射角射角 越大，越大， 也越大。也越大。2. 波长的改变量波长的改变量 与入射光的波长无关。与入射光的波长无关。结论：结论：问题：问题：为什么在可见光的散射实验中我们没有看到为什么在可见光的散射实验中我们没有看到 康普顿效应呢？用康普顿效应呢？用x射线是否能看到？射线是否能看到？2 0c2sin2 =c
