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2022-11-2111 1、热辐射、热辐射 在任何温度下，一切宏观物体都以电磁波的形式在任何温度下，一切宏观物体都以电磁波的形式向外辐射能量。对于给定的物体而言，在单位时间内向外辐射能量。对于给定的物体而言，在单位时间内辐射能量的多少以及辐射能量按波长的分布等都取决辐射能量的多少以及辐射能量按波长的分布等都取决于物体的温度，因此，这种辐射就称之为于物体的温度，因此，这种辐射就称之为，或，或者称为者称为。-一个物体如果能完全吸收投射到其一个物体如果能完全吸收投射到其表面的任何波长的辐射能，即不反射，也不透射，我表面的任何波长的辐射能，即不反射，也不透射，我们称这种物体为们称这种物体为，简称，简称。绝对黑体是一种理想化的绝对黑体是一种理想化的模型。但用不透明的材料模型。但用不透明的材料制成的一个有小孔的空腔制成的一个有小孔的空腔，可以视为绝对黑体。如，可以视为绝对黑体。如：山洞、窗口、炉膛等。：山洞、窗口、炉膛等。3 3、黑体辐射的实验规律、黑体辐射的实验规律 单色辐出度单色辐出度 辐射出射度辐射出射度【】在一定温在一定温度下，物体在度下，物体在单位时间内，单位时间内，从单位表面积上发射的波从单位表面积上发射的波长在长在+范围内的辐范围内的辐射能为射能为dE 。ddETMB,【】在一定在一定温度下，物体在温度下，物体在单位时单位时间内、从单位表面积上间内、从单位表面积上辐射的各种波长的总辐辐射的各种波长的总辐射能，记为射能，记为MB(T)。0,d),()(TMTMBB4-2-840KmW1067.5 ),()(TdTMTMBBKm10898.2 3m bbT 维恩维恩 (W.Wien,1864-1928)(W.Wien,1864-1928)德国物理学家，德国物理学家，19111911年获诺贝尔物年获诺贝尔物理学奖理学奖如：太阳单色辐出度最大处波长如：太阳单色辐出度最大处波长 m m 0.49 0.49 m m T=T=5900 K5900 KKm10898.2 3m bbT 维恩位移定律在现代科学技术上具有极广泛的应维恩位移定律在现代科学技术上具有极广泛的应用，是测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础用，是测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。如下图所示，太阳辐射谱如下图所示，太阳辐射谱-大气层外的太阳辐射曲线同大气层外的太阳辐射曲线同5900K5900K的黑体辐射曲线类似。太阳光穿入大气层时被大的黑体辐射曲线类似。太阳光穿入大气层时被大气吸收，水汽和二氧化碳在红外区强烈吸收太阳辐射，气吸收，水汽和二氧化碳在红外区强烈吸收太阳辐射，臭氧在紫外区强烈吸收太阳辐射。臭氧在紫外区强烈吸收太阳辐射。人体体温人体体温310K(370C)m=9.35 m“辐射高温计辐射高温计”，“炉火炉火纯青纯青”等等等等宇宙背景辐射宇宙背景辐射 m0.1cm T=2.7KKm10898.2 3m bbT【例题例题】在地球大气层外测得太阳辐射谱，它的极值在地球大气层外测得太阳辐射谱，它的极值波长为波长为490 nm，设太阳为黑体，求：，设太阳为黑体，求：太阳表面温度太阳表面温度 T；太阳表面单位面积的辐射功率？太阳表面单位面积的辐射功率？274384393109610951067521095104901089821mW.TTMK.bT,m 得得由维恩位移公式由维恩位移公式 在在19世纪未，已经从实验上测定了绝对黑体的单世纪未，已经从实验上测定了绝对黑体的单色辐出度色辐出度MB(T)与与(,T)的关系曲线。如何从理论上推的关系曲线。如何从理论上推导出符合实验结果的导出符合实验结果的MB(T)函数表达式，就成为当时函数表达式，就成为当时物理学中引人注目的问题之一。许多物理学家尝试从物理学中引人注目的问题之一。许多物理学家尝试从经典理论出发对绝对黑体的辐射规律给予解释。经典理论出发对绝对黑体的辐射规律给予解释。瑞利瑞利 金斯公式金斯公式(1900年年)维恩公式维恩公式(1896年年)MB 试验曲线试验曲线长波范围与实验符合，而在短波范围长波范围与实验符合，而在短波范围内不符合内不符合“紫外灾难紫外灾难”短波范围与实验符合，而短波范围与实验符合，而在长波范围内不符合在长波范围内不符合 与实验符合与实验符合1e21)(25 kThcBhcTM普朗克公式的得来普朗克公式的得来,起初是半经验的起初是半经验的,即利用内插法将适用于短即利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利波的维恩公式和适用于长波的瑞利金斯公式衔接起来金斯公式衔接起来,在得在得到了公式后到了公式后,普朗克才设法从理论上去论证它。普朗克才设法从理论上去论证它。为解释这一公式，普朗克提为解释这一公式，普朗克提出了出了能量量子化能量量子化假设假设MB 试验曲线试验曲线普朗克公式普朗克公式sJh 341063.6普朗克常数普朗克常数普朗克能量子假设普朗克能量子假设普朗克常数普朗克常数 h=6.62610-34 Js 与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化是是 hv 的整数倍的整数倍 能量量子假设。能量量子假设。电电磁磁波波能能量量 ,3,2,nhhhh普朗克常数普朗克常数h 体现了微观世界的基本特征。体现了微观世界的基本特征。称为量子数称为量子数为正整数为正整数,.,2,1,0 nnnhn 若谐振子频率为若谐振子频率为 v，则其能量是，则其能量是腔壁上的原子腔壁上的原子 量子假说与物理学界几百年来信奉的量子假说与物理学界几百年来信奉的“自然界无自然界无跳跃跳跃”的原则直接矛盾，因此许多物理学家不予接受。的原则直接矛盾，因此许多物理学家不予接受。普朗克本人也曾几度普朗克本人也曾几度(前后花费前后花费1515年时间年时间)想倒退，回想倒退，回到经典物理学的立场上去。但是，到经典物理学的立场上去。但是，“无济于事，我们无济于事，我们必须与量子理论共处必须与量子理论共处”。普朗克能量子假设揭示了自然现象中客观存在的普朗克能量子假设揭示了自然现象中客观存在的不连续的量子性质，开始突破了经典物理学在微观领不连续的量子性质，开始突破了经典物理学在微观领域内的束缚，标志着物理学上一场伟大革命的开始。域内的束缚，标志着物理学上一场伟大革命的开始。1887年，年，赫兹赫兹在作放电实验时偶然观察到光电效应现象。在作放电实验时偶然观察到光电效应现象。1900年，赫兹的同事年，赫兹的同事勒纳德（勒纳德（P.Lenard）指出：光电效应是金指出：光电效应是金属中电子吸收入射光的能量而从表面逸出的现象。属中电子吸收入射光的能量而从表面逸出的现象。1905年，伟年，伟大的物理学家大的物理学家爱因斯坦爱因斯坦从理论上对光电效应作出了科学的解释。从理论上对光电效应作出了科学的解释。1 1、光电效应的实验规律、光电效应的实验规律 紫外光紫外光+饱和光电流与入射光强成正比。饱和光电流与入射光强成正比。光电子最大初动能与光强无关，与入射光频率有关光电子最大初动能与光强无关，与入射光频率有关。从光照射到阴极表面到发射光电子所需的时间间隔从光照射到阴极表面到发射光电子所需的时间间隔小于小于10-9秒数量级，与光的强弱无关，不存在时间延迟秒数量级，与光的强弱无关，不存在时间延迟。紫外光紫外光+19051905年爱因斯坦提出：在某些条件下，光的能量好象年爱因斯坦提出：在某些条件下，光的能量好象集中成一团，即所谓的集中成一团，即所谓的光子光子。当光子射向金属表面时。当光子射向金属表面时，入射光子与金属中的电子碰撞，电子吸收一个光子，入射光子与金属中的电子碰撞，电子吸收一个光子的能量的能量hh，一部分用来克服金属对它的束缚，即消耗一部分用来克服金属对它的束缚，即消耗在逸出功在逸出功W W上，另一部分转化为电子离开金属表面后的上，另一部分转化为电子离开金属表面后的初动能。初动能。Whmvm 221爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程2 2、爱因斯坦光电效应方程、爱因斯坦光电效应方程可以解释饱和光电流与入射光强成正比可以解释饱和光电流与入射光强成正比（光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电（光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大）；流也大）；爱因斯坦光子理论可以成功地解释光电效应的实验规律：爱因斯坦光子理论可以成功地解释光电效应的实验规律：紫外光紫外光+可以解释可以解释“红限频率红限频率”的存在的存在（从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红限（从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红限频率）频率）；Whmvm 221爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 为红限波长为红限波长称称为截止频率为截止频率称称时，时，当当maxminmaxmin0 Whchvm可以解释光电子最大初动能与入射光频率的关系可以解释光电子最大初动能与入射光频率的关系（从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线（从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系）；性关系）；紫外光紫外光+可以解释光电效应的瞬时性问题可以解释光电效应的瞬时性问题（电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所（电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积）。以无须时间的累积）。为红限波长为红限波长称称为截止频率为截止频率称称时，时，当当maxminmaxmin0 Whchvm哈哈，我赢了Whmvm 221爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程【例题例题】已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是的最大动能是 1.2 eV，而钠的红限波长是，而钠的红限波长是 540 nm，那，那么入射光的波长是么入射光的波长是nm。m.hchcmvWhchWhcWhmvmaxmaxmaxminmax998348341922103551054010310636103106361061212121 【例题例题】已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是的最大动能是 1.2 eV，而钠的红限波长是，而钠的红限波长是 540 nm，那，那么入射光的波长是么入射光的波长是nm。nm.hchcmvEmaxkm35554012401240212102 eVnmmJhc 124010106.11031063.61031063.69198348344 4、爱因斯坦光子理论、爱因斯坦光子理论 一束光就是一粒一粒以光速一束光就是一粒一粒以光速C运动的粒子流，这种运动的粒子流，这种光粒子称为光粒子称为光量子光量子，简称为，简称为；单个光子携带的能量为单个光子携带的能量为=h；光强为光强为I 的光束，的光束，I=Nh，N为光子数为光子数康普顿散射装置如下图所示。X射线源发射一束波长为0的X射线，投射到一块石墨上。从石墨中出射的X射线沿着各个方向，这称为散射。散射光强度及其波长用X射线谱仪来测量。cos1 mch康普顿康普顿接受爱因斯坦的观点，认为接受爱因斯坦的观点，认为X射线的光子好比一个个小射线的光子好比一个个小刚球，每一个不但有能量刚球，每一个不但有能量E=h，而且具有动量，而且具有动量p=h/(=c)。从光在传播过程中发生的干涉、衍射、偏振从光在传播过程中发生的干涉、衍射、偏振(未讲未讲)等现象来看，光具有等现象来看，光具有，可以用波长、频率，可以用波长、频率和相位等概念来描述。和相位等概念来描述。从光与物质相互作用过程中发生的黑体辐射、光从光与物质相互作用过程中发生的黑体辐射、光电效应、康普顿散射等现象来看，光具有电效应、康普顿散射等现象来看，光具有，可以用能量和动量等概念来描述。，可以用能量和动量等概念来描述。hphE hchcEcmcmcp2011220220 cvmmcvmmnmmcHzhEhE24.11024.11042.21031042.21063.6106.1100.191781734193 与频率与频率光子的波长光子的波长求能量求能量例题例题keVE0.1 hphE
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