12量子力学02

魏杰制作，版权所有，不得翻录。,魏杰制作，版权所有，不得翻录。,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本第二级第三级第,光电效应,康普顿效应,作业,诺奖获得者,*,量子力学基础,小结,热辐射,前页,后页,返回,结束,第十五章 量子力学基础,（光的量子性）,一、学习本章后，我们应该：,1.,掌握,热辐射、辐出度、黑体等概念；,2.,掌握,斯蒂芬,-,玻尔兹曼定律、维恩位移定律,;,3.,理解黑体辐射能量分布曲线、普朗克公式、光电效应、康普顿效应,;,二、授课重点：,黑体辐射,、,斯蒂芬,-,玻尔兹曼定律、维恩位移定律。,三、,学时数：,2-3,学时,1,第一节 黑体辐射,（红外、可见光波段的辐射）,1.,热辐射,:,由分子原子热运动引起的辐射现象或与温度有关的辐射。,2.,热辐射产生的原因,：物体中的原子不停的作热运动,？,在剧烈的碰撞中，总是不断有原子吸收动能进入激发状态，处在激发态上原子不稳定,跃迁,!,多余能量以电磁波的形式辐射，形成,热辐射,。,问题与思考：,热辐射的实质,?,一、热辐射,(Thermal radiation),：,2,3.,性质,（,1,）,物体的温度不同辐射的能量不同,(,电磁波的波长不同,),。或者说,注意：,低温物体的辐射远红外线，不易觉察；,高温物体的辐射可见光、紫外线，易被感知、感觉，如太阳发光、火炉发热等。,问题与思考：,人体在冬季和夏季辐射是否一样？,（,2,）,一切物体都在不断的辐射着电磁波。,为什么？,进一步思考,:,物体在辐射的同时还有吸收,!,3,若物体辐射能等于它在相同时间内吸收的辐射能时，物体的温度保持不变，此过程称为,热平衡辐射。,推论：,一个物体辐射能小于它同一时间内吸收的辐射能，物体的温度将升高；否则，温度降低。,注意！,物体吸收和辐射不相等，但过程缓慢，短时间内有确定温度。,为描述物体的热辐射引进,4.,热平衡辐射,(,thermal radiation of balance,),4,5.,辐出度（,radiant,exitance,),物体在单位时间、单位表面积上的辐射能量称为,辐出度,用,M(T),表示,.,单位为：,Wm,-2,物体对某一单色光的辐出度称为,单色辐出度,M,(T),注意！,对于波长在 范围的辐出度,那么,:,某一温度下物体对所有波长的总辐出度为：,好！,物体辐射和吸收能量是物体的属性，,辐射复杂,。,问题与思考：,这是物体某一温度下的总辐出度。那么任意温度下的总辐出度,?,5,如果一个物体对入射的电磁波能全部吸收，即称为,黑体,。,黑体可以吸收投射到其表面上所有波长的辐射能量，显然黑体是一种,理想模型,。,二,.,黑体辐射,(,black body radiation,),1.,黑体,(black body),2.,黑体模型,实验室的黑体模型！黑洞,!,生活中的黑体模型,?,注意：,实验表明，在一定温度下黑体的辐射能按波长分布。,问题与思考：,理想模型类别，学了那些？,6,怎样获得黑体的能谱？,给黑体模型加热，由小孔处发出的辐射就是,黑体辐射,。用分光技术把从空腔发出的辐射拍摄成光谱，再测量各种波长的功率，可获得,黑体辐射的能量分布曲线,。,3.,黑体辐射能谱曲线,P,L,2,B,2,A,L,1,B,1,C,A,为黑体,B,1,PB,2,为分光系统,C,为热电偶,测定黑体能谱曲线实验简图,7,M,(T),1 2 3 4 (m),1700K,1500K,1300K,1100K,注意看图,!,能否找出其中的规律？,（,2,）,任意温度下，有辐射最强的波长,（,3,）,温度升高，辐射最强的波长向短波方向移动。,（,1,）,温度升高，各波长的能量增加，,总辐射能量增加,.,注意：,根据以上实验事实，可总结两个重要的黑体辐射定律：,8,4.,两个重要的定律,（,1,）,Stefan and,Boltzman,Law,相关连接：,斯蒂芬,(,J.Stefan,),建立了黑体的总辐出度与绝对温度之间关系的经验公式，制成辐射高温计，测得太阳表面温度约为,6000K,；,1884,年玻尔兹曼,根据经典的热力学,理论证明了公式的成立，,故此定律称为,斯蒂芬,-,玻尔兹曼定律,。,实验证明：总辐射能量,M,（,T,）,=M,(T)d,与绝对温度,T,的四次方成正比，即,M,(T)=T,4,=5.6710,-8,w/m,2,k,4,，,称为斯蒂芬常数。,启发：,在已知物体表面温度时，我们可以求出物体因辐射损失的质量。太阳的辐射！,9,（2）Wien displacement law,维恩根据热力学理论指出：,m=b/T,常数,b=2.89810,-3,mk,此结果称为,维恩位移定律。,相关连接：,维恩,1911,年获诺贝尔物理学奖？应用,M,(T),1 2 3 4 (m),1100K,1300K,1500K,1700K,每一曲线都对应一个辐射能量最大的波长,(,峰值波长,),m,，,m,随温度升高向短波方向位移。,m,10,维恩位移定律的应用,已知温度,确定物体辐射电磁波的波长范围,如人体温度为,35(308k),，,其辐射电磁波的峰值波长,m,约为多少？,已知,m,求发光体的温度,如太阳的,m=490nm,(,蓝绿色光,),，太阳的温度,约,为多少？,T=b/m=5918k,注意结果！,m=b/308=9310,-7,m=93000A,在远红外线范围,11,问题与思考：,两定律的缺陷？如何给出与实验曲线完全符合的黑体辐射公式,(,即,M,与,T,、,的关系,),？,热象图：,一般癌变细胞能使温度升高（,0.5,）利用这一特点可判断人体可能出现癌病变的部位。,生活中：,加热铁块其颜色由红变黄又转白，,说明？,（打铁看火好）。,12,瑞利,金斯公式,瑞利,(,J.W.S.Rayleigh,),1877,年,用经典电磁理论和能量按自由度均分原理得出：,M,(T)=C,1,-4,T,金斯,（,1890,年）从另一个角度也给出此结论，故称为,瑞利,金斯公式，,注意！,此公式在长波区域与曲线符合，短波时,M,(T,）,趋于无穷大，不符合曲线。历史上称其为,“,紫外区灾难,”。,相关连接：,1900,年，著名物理学家开尔文作了展望新世纪的发言。他充满自信地说,:,物理学的大厦已经建成,未来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了。只是明朗的天空中还有,两朵乌云,，一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。,13,维恩,(,1896,年,),由热力学理论提出辐射度,M,(T),与,的关系类似于麦克斯韦速率分布，并由此得出：,M,(T)=C,1,-5,e,C2/T,问题与思考：,为什么上述公式都不能很好地解释黑体的辐射问题？,维恩辐射公式,注意！,此公式在短波区与曲线相符，长波时误差大。,14,三、普朗克量子假说,(,Planck,quatum,potnlate,),1.,主要内容：,把黑体看成是由许多个带电的谐振子组成的,组成黑体腔壁的分子、原子可看作是带电的线性谐振子，可以吸收和辐射电磁波。,谐振子只能处于某些特定的能量状态，每一状态的能量只能是最小能量,0,的整数倍。而,0,是谐振子处于最低能量状态的能量，它与谐振子的振动频率成正比，即,0,=h,，,因此谐振子的能量为,E=n,0,=,nh,，,式中,n=1,、,2,、,3,为正整数，称为,量子数,0,这个最小能量称为量子,。,注意！,假说的中心内容是？,1,，,2,15,2.,普朗克公式,1900,年，马克思,普朗克，根据能量量子化的假设拟合实验曲线,(,内插法）得出一个经验公式：,相关连接：,普朗克,（,Planck,）,解决了当时经典物理学无法解释的焦点问题之一“黑体辐射”，提出了量子假说，为,20,世纪的物理学发展作出了贡献。,1918,年获得诺贝尔物理学奖。,注意！,此式与实验曲线完全符合，,称为普朗克公式。,16,第二节,光电效应,(photo-electric effect),在适当波长光的照射下，金属表面逸出电子的现象称为光电效应。,入射光线,O,O,O,O,O,O,V,G,A,K,B,O,O,光电效应实验装置,17,相关连接：,爱因斯坦,（,A.Einstein,）,，,在,1905,年,3,月发表了论文“关于,光,的产生和转化的一个推测性的观点”，把普朗克提出的,量子观点,扩充到光在空间中的传播，提出了,光量子,的假说，即光子的概念，解释了光电效应。,怎样解释？,问题与思考：,方程物理意义 关于,爱因斯坦,光电效应方程：,18,实践与应用：,光电效应的应用,放大器,接控件机构,光,光控继电器示意图,19,光的波粒二象性,：光具有波动性也具有粒子性。波动性表现在光的传播过程中，粒子性表现在光的发射和与物质的相互作用过程中。,下面讨论光与物质的作用！,康普顿效应。,根据相对论理论：,能量,E,总是和质量相联系的，,即：,E=mc,2,并给出,：光子的能量：,E=h,光子的动质量,:,m=h/c,2,光子的动量：,P=mc=h/c=h/,光的强度：,I=nh,(n,为单位时间通过单位面积的光子数,),20,第三节、康普顿效应,(,Compton effect),X,射线通过物质散射后波长变长的现象称为康普顿效应。,21,注意！,(1),波长变长，即光子的能量,h,变小。与散射物质性质有关。,（,2,）,波长的改变量光子,=-,0,=,c,(1-cos)=2,c,sin,2,/2,（,3,）,实验测定,c,=0.00243nm,，,康普顿波长，,注意！,c,与散射物质无关,相关连接：,康普顿,(,A.H.Compton,）,在,1923,年做,X,射线光子,与电子碰撞的实验时发现散射的,X,射线波长变长。,1927,年获诺贝尔物理学奖。,怎样,解释康普顿效应？,1,0,电子,光子,0,22,问题与思考,:,怎样从理论上,解释康普顿效应？,光子与散射体原子中外层电子弹性碰撞的结果。,由于原子对外层电子的束缚较弱，同时电子热运动能量与,X,光子的能量相比可以忽略不计，所以可以将散射体中的外层电子当作静止的自由电子。当入射,X,光子与自由电子作弹性碰撞时，入射光子能量的一部分转化为电子的动能，使得散射光子的能量小于入射光子的能量，因而频率减小，波长变长。,又是能量的守恒与转换！,注意！,根据光子理论可作定量分析,23,第四节 物质的波动性质,1924,年德布罗意根据自然界的,对称性,提出了实物粒子的波动性 即,物质波,(1929,获诺贝尔物理学奖），戴维孙发现电子在晶体中的衍射现象（,1937,年获诺贝尔物理学奖）证明了电子的波动性。电子波动性的发现为电子显微镜的制造提供了理论基础。,1.,波长：,=h/p=,h/mv,注意：,2.,能量：,E=h,24,小 结,M,(,T)=T,4,m=b/T,康普顿效应,概念,热辐射,辐出度,黑体,斯蒂芬,-,玻尔兹曼定律,维恩位移定律,黑体辐射能量分布曲线,普朗克公式,光电效应,=-,0,=2,0,sin,2,/2,25,