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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五篇 量子现象和量子规律,量子物理：近代物理学的支柱之一,两朵乌云：,1. 迈克尔孙 莫雷实验的“零结果,2. 黑体辐射的“紫外灾难,新理论,：相对论、量子力学，,深刻影响现代科技和人类生活,两朵乌云,暴风骤雨, 20,世纪物理学危机,物理学正在临产中，它孕育着的新理论将要诞生了。,列宁,构造框图,黑体辐射的实验规律,普朗克能量子假设,光与物质的相互作用,爱因斯坦光子理论,激光原理,氢原子光谱实验规律,玻尔氢原子理论,学时：,6,第十五章 光的量子性,15.1,热辐射 普朗克能量子假说,一、热辐射 黑体辐射的实验规律,1,.,热辐射,组成物体的分子中都包含着带电粒子，当分子作热运动时物体将会向外辐射电磁波，由于这种电磁辐射与物体的温度有关，故称,热辐射,固体在温度升高时颜色的变化,1400K,800K,1000K,1200K,不同的原子辐射谱线的颜色（频率）成分不同：,锶,(Sr),铷,(Rb),铜,(Cu),物体发射能量的同时，又吸收周围其它物体的辐射能。,当发射,=,吸收时，其温度不变,平衡热辐射,（,动态平衡,）,2.,绝对黑体,物体对外来辐射能量的吸收、反射具有选择性,.,能全部吸收不反射任何波长的,入射辐射能的物体 绝对黑体,模型：空腔小孔,绝热不透明,空腔的电磁辐射就可以认为是,黑体辐射,。,3.,绝对黑体的辐射定律,实验发现：物体的电磁辐射能力与吸收能力一致。,黑体,完全吸收体,理想发射体,单位时间内，从物体表面单位面积上发射的,定义两个物理量,：,实验说明，热辐射能谱是连续谱，发射的能量及其按波长的分布是随物体的温度而变化的。,单位时间内从物体表面单位面积上发射的各种波长的总辐射能,T,热电偶,平行光管,绝对黑体,三棱镜,测定黑体单色辐射本领按波长分布的实验,装置,0 1 2 3 4 5 6,1700K,1500K,1300K,1100K,实验曲线,实验定律：,T,3,T,2,T,1,T,2,T,1,T,1,斯忒潘,波尔兹曼定律,黑体的总辐射本领与黑体温度的四次方成正比,维恩位移定律,维恩常数：,随着黑体温度的升高，其单色辐射本领的最大值所对应的波长,m,按照正比于,T,-1,的规律向短波方向移动,二、 经典物理的困难,从经典理论出发推,1.,瑞利,金斯公式,长波与实验曲线吻合，短波相差很大,紫外灾难,出发点,：将能量按自由度均分原理用到电磁辐射上,2.,维恩公式,短波与实验曲线接近，长波相差很大。,出发点,：将类似分子速率分布的规律用到电磁辐射上,0,1 2 3 4 5 6 7 8 9,实验值,瑞利,-,金斯线,紫,外,灾,难,维恩线,三、普朗克能量子假说,1.,经验公式,在维恩公式和金斯公式之间用内插法得出与实验曲线相符的经验公式,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9,(,T,),2. 能量子假设模型,黑体：由大量包含各种固有频率,的谐振子,组成的系统,能量子,谐振子的能量只能取某个基本单元,的整数倍,能量子能量,作用量子,普朗克恒量,3.,意义：, 导出与实验曲线相吻合的经历公式，解决了,黑体辐射的困难。, 引入能量量子化的概念，是量子物理开端，,为爱因斯坦光子论和玻尔氢原子理论奠定根底。,“敲响近代物理晨钟,1900,年,12,月,14,日,正常光谱中能量分布律的理论,1918,年 诺贝尔物理奖,量子力学诞生日, 普朗克恒量 h 已经成为物理学中最根本、最重要的常数之一。特点：非常小，具有作用量量纲。,“我当时打算将根本作用量子h归并到经典理论范畴中去,但这个常数对所有这种企图的答复都是无情的.“企图使根本作用量子与经典理论调和起来的这种徒劳无功的打算,我持续了很多年,它使我付出了巨大的精力.,普朗克,作用量是一个依赖于运动轨道的量，从功能角度考察,和比较客体的运动(经历)。例：能量时间，长度动量,作用量量纲：L2MT-1,(A) h成为区分经典理论与微观理论的判据,(B) h成为物理体系动力学变量测量准确度的极限,(M.Planck ,18581947),爱因斯坦光量子理论,光与物质相互作用的基本形式,光电效应,光子论的提出,康普顿效应,电子偶效应,光子论的应用和检验,一、光电效应,1.,实验规律,(1),光电效应是瞬时发生的,i,t,(s),10,-9,(2),入射光频率一定，饱和光电流与入射光强成正比,i,O,U,饱和光电流,i,s,U,a,遏,止,电,压,光强较强,光强较弱,(3),光电子初动能和入射光频率的关系,遏止电压的存在说明光电子具有初动能，,实验指出遏止电压,和入射光频率有线,性关系：,O,U,a,Cs,Na,Ca,i,i,s,U,o,U,a,2,.,经典电磁波理论的困难,(4),对于任何金属，存在一个红限频率,0,o,U,a,Cs,Na,Ca,(1),按经典理论光电子的初动能应决定于入射,光的光强，而不决定于光的频率。,(2),无法解释红限的存在。,(3),无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。,3.,爱因斯坦光子理论,光是以光速运动的光子流,每个光子能量和动量,光强即光的能流密度,N,:,单位时间通过垂直于,单位面积的光子个数,4.,光电效应方程,由能量守恒：,入射光子能量,=,逸出功,+,光电子初动能,斜率,h,eU,a,0,h,A,-A,5.,爱因斯坦光子理论对光电效应的解释,2,),光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以,饱和光电流也大。,1) 电子只要吸收一个光子就可以从金属外表逸出，,所以无须时间的累积过程。,4),从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到,红限频率：,光电效应现象在日常生活中已有了广泛的应用,3),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。,(1),光电效应是瞬时发生的,(4),对于任何金属，存在一个红限频率,0,(3),光电子初动能和入射光频率成线性的关系,(2),入射光频率一定，饱和光电流与入射光强成正比,例题,波长为,4000,的单色光照射在逸出功为,2.0 eV,的金属材料上，光射到金属单位面积上的功率为,，求：,1),单位时间内、单位面积金属上发射的光电子数,2),光电子的最大初动能,解,：,1),对于单光子光电效应，金属发射的光电子数等于在同一时间内射到金属表面的光子数：,2),由爱因斯坦光电效应方程,光电子的最大初动能为,普朗克能量子理论,爱因斯坦光量子理论,一、光电效应,1.,实验规律,2.,经典电磁波理论的困难,*,3.,爱因斯坦光子理论,*,4.,光电效应方程,5.,爱因斯坦光子理论对光电效应的解释,本讲内容,：,
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