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1、第十五章量子物理 相对论相对论 1905 狭义相对论狭义相对论; 1916 广义相对论广义相对论. 量子力学量子力学 旧量子旧量子论的形成：论的形成： 1900 Planck 振子能量量子化振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化电磁辐射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化原子能量量子化 近代物理（近代物理（20世纪）包括：世纪）包括： MM实验实验 相对论相对论 黑体辐射黑体辐射 量子论量子论 1925 Heisenberg 矩阵力学矩阵力学 量子力学的建立：量子力学的建立：量子力学量子力学 原子、分子、原子核、固体原子、分子、原子核、固体量子电动力学（量
2、子电动力学（QED） 电磁场电磁场量子场论量子场论 原子核和粒子原子核和粒子 量子力学的进一步发展：量子力学的进一步发展：1924 de Broglie 电子具有波动性电子具有波动性1928 Dirac 相对论波动方程相对论波动方程1927 Davisson， G.P.Thomson 电子衍射实验电子衍射实验1926 Schroedinger 波动方程波动方程 从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出 光电效应光电效应 康普顿效应。康普顿效应。 黑体辐射问题，即所谓黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难紫外灾难”。 原子的稳定性和大小。原子的
3、稳定性和大小。15-1-1黑体辐射黑体辐射（Black-body radiation） 一一. . 热辐射及其特点热辐射及其特点温度不同时温度不同时, ,辐射的波长（或频率）也不同，辐射的波长（或频率）也不同，1. . 热辐射热辐射15-1 15-1 黑体辐射和普朗克能量子假设黑体辐射和普朗克能量子假设 热辐射：热辐射：物体内的分子、原子受到热激发而发射物体内的分子、原子受到热激发而发射电磁辐射的现象。电磁辐射的现象。 任何物体（气、液、固）在任何温度下，都会有热辐射任何物体（气、液、固）在任何温度下，都会有热辐射极高温物体发出的是极高温物体发出的是紫外光。紫外光。炽热物体发出的是炽热物体发出
4、的是可见光，可见光，低温物体发出的是低温物体发出的是红外光，红外光， 温度温度 短波长的电磁波的比例短波长的电磁波的比例 。红外照相机拍摄的人的头部的红外照相机拍摄的人的头部的热图热图 热的地方显白色，冷的地方显黑色热的地方显白色，冷的地方显黑色2. . 描述热辐射的基本物理量描述热辐射的基本物理量1)1)单色辐出度单色辐出度2)（总）辐出度（总发射本领）（总）辐出度（总发射本领）M(T)（radiant exitance）单位：单位：w/m-2M: 从物体表面单位面积上辐射出的波长介于从物体表面单位面积上辐射出的波长介于 与与 之间的辐射功率之间的辐射功率 与与 的比值。的比值。 这种这种温
5、度不变温度不变的热辐射称之为的热辐射称之为平衡热辐射。平衡热辐射。3. 平衡热辐射平衡热辐射加热一物体，若物体所吸收的能量等于在同一时加热一物体，若物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，间内辐射的能量，则物体的温度恒定。则物体的温度恒定。光谱吸收比（率）光谱吸收比（率）a (T)同一温度下同一温度下 与材料种类无关与材料种类无关二二. .黑体黑体（black body） 1. 黑体黑体：黑体是理想化模型，黑体是理想化模型，能能完全完全吸收吸收照射到它上面的照射到它上面的各种频率的光各种频率的光的物体的物体即使是煤黑，对太阳光的即使是煤黑，对太阳光的a也小于也小于 99%。即即 的物体。的
6、物体。描述物体的吸收能力描述物体的吸收能力维恩设计的黑体维恩设计的黑体 小孔空腔小孔空腔u维恩公式维恩公式2.黑体的黑体的M 关系曲线关系曲线 维恩公式在高频段与实验曲线符合得很好，维恩公式在高频段与实验曲线符合得很好，但在但在低频段明显偏离实验曲线。低频段明显偏离实验曲线。u瑞利瑞利 金斯公金斯公式式“紫外灾难紫外灾难”！该公式在低频段与实验曲线符合得很好。该公式在低频段与实验曲线符合得很好。由经典理论导出的由经典理论导出的 M0 (T) 公式都与公式都与实验曲线不完全符合！实验曲线不完全符合！ “ 物理学晴朗物理学晴朗 天空中的一朵天空中的一朵 乌云乌云!”这正所谓是这正所谓是 /1014
7、HzM0 (10 - 9 W/(m2 Hz)0维恩公式维恩公式瑞利瑞利 金斯公式金斯公式u普朗克的能量子假说和黑体辐射公式普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 很大时很大时 很小时很小时普朗克公式普朗克公式（Planck formula）他提出：金属空腔壁中电子的振动可他提出：金属空腔壁中电子的振动可 视为一维谐振子，谐振子可视为一维谐振子，谐振子可 能具有的能量是能具有的能量是量子化量子化的。的。 辐射的振子模型辐射的振子模型即辐射即辐射“能量子能量子”的能量的能量 E=nh ，n =1,2,3，n 称为称为量子数量子数 称称为为能量子能量子 M0 (10 -8 W/(m2 Hz) /1014H
8、z1）维恩位移定律维恩位移定律3. 黑体辐射定律黑体辐射定律（Wien displacement law）2）斯特藩）斯特藩 玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 斯特藩斯特藩 玻耳兹曼常量玻耳兹曼常量对普公式求导对普公式求导对普公式积分对普公式积分光电效应：光电效应：光照射到金属表面光照射到金属表面时，电子会从金属表面逸出时，电子会从金属表面逸出光电效应中光电效应中产生的电子产生的电子称为称为“光电子光电子”。15-2 15-2 光电效应光电效应 爱因斯坦光量子理论爱因斯坦光量子理论 15-2-1 15-2-1 光电效应光电效应 回路中形成电流称为回路中形成电流称为光光电流。电流。 一一. .光电效应实
9、验的结果：光电效应实验的结果： 1. 存在存在截止频率截止频率（又称（又称红限红限） 当入射光的频率当入射光的频率 大于截止频率大于截止频率 时，才能时，才能产生光电效应；反之，无论入射光的强度多大，都产生光电效应；反之，无论入射光的强度多大，都不能产生光电效应。不同材料的截止频率不同。不能产生光电效应。不同材料的截止频率不同。 2. 在入射光频率不变时，饱和光在入射光频率不变时，饱和光电流随入射光强度电流随入射光强度 I 增加而增大；增加而增大；在在 一定时，一定时，达到达到 im说明：单位时间内从阴极说明：单位时间内从阴极逸出的光电子全部被阳极吸收逸出的光电子全部被阳极吸收单位时间内从阴极
10、逸出的光电子数和光强成正比单位时间内从阴极逸出的光电子数和光强成正比入射光较弱入射光较弱入射光较强入射光较强im3. 遏止电压与入射光强度遏止电压与入射光强度I无关，无关，但与入射光的频率成正比。但与入射光的频率成正比。 4. 光电效应具有瞬时响应特性光电效应具有瞬时响应特性( t W 时才能产生光电效应，时才能产生光电效应， 不发生光电效应，不发生光电效应，所以存在红限频率所以存在红限频率当当 W/h时，时，在确定的光强下在确定的光强下I = N h ，打出的最多电子数就是打出的最多电子数就是 N饱和电流饱和电流光电效应方程光电效应方程 光的频率决定光子能量，光的频率决定光子能量，I只决定光
11、子数目只决定光子数目根据根据遏止电压与入射光的频率成正比，比例系数遏止电压与入射光的频率成正比，比例系数与材料的性质无关。与材料的性质无关。 光子打出光电子光子打出光电子是瞬时发生的是瞬时发生的15-2-315-2-3光的波粒二象性光的波粒二象性（dualismdualism）波动性特征：波动性特征： 粒子性特征：粒子性特征：波长大或障碍物小波长大或障碍物小波动性突出波动性突出波长小或障碍物大波长小或障碍物大粒子性突出粒子性突出光子静止质量光子静止质量 m0 = 0 传播过程中传播过程中光和物质相光和物质相互作用时互作用时例：波长为例：波长为1 1的的X光光子的光光子的质质量量为为 kg例：已知一单色光例：已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的照射在钠表面上，测得光电子的最大动能为最大动能为1.2eV,而钠的红限波长是而钠的红限波长是5400，那么，那么入射光的波入射光的波长长是是
