量子理论的起源(共23张PPT)

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第五篇 近代物理基础,第24章 量子理论的起源,24.1 黑体辐射 普朗克的量子假说,1.热辐射,1),单色辐射本领,单位时间内从物体表面单位面积上所辐射的的能量,2),总辐射本领,波长,第1页，共23页。,人造绝对黑体模型 带有小孔的空腔,绝对黑体 的单色辐出度,-研究热辐射的中心问题,吸收,发射,2）黑体辐射,第2页，共23页。,黑体辐射的基本规律,1）维恩位移定律,黑体辐射出的能谱中辐射最强的波长,m,与黑体温度 T 之间满足关系,维恩常数,2）斯特藩玻耳兹曼定律,斯特藩常数,第3页，共23页。,3.经典理论的困难和普朗克的量子假说,1）维恩的半经验公式：,公式适合于短波波段，,长波波段与实验偏离。,公式只适用于长波段,而在紫外区与实验不符,-,紫外灾难,2）瑞利-金斯公式,玻尔兹曼常数,k,=1.380658,10,-23,J/K,第4页，共23页。,式中:,第一辐射系数,第二辐射系数,假说:,对于一定频率,的电磁辐射,物体只能以,h,为单位发射或吸收它,h,是一个普适常数,物体 发射或吸收电磁辐射只能以“量子”的形式进行,每个能量子能量为:,普朗克常数,普朗克公式,第5页，共23页。,24.2 光电效应,实验规律,1.光电效应的实验规律,光电效应,光电子,第6页，共23页。,入射光频率一定时，,饱和光电流强度 I,s,与入射光强度成正比,。,单位时间内从金属表面逸出的电子数目n与,入射光强度成正比，I,s,=ne.,光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加,，,与入射光强无关。,只有U=U,a,0,时，光电流才为0，U,a,称为遏止电压。,第7页，共23页。,定态与电子绕核运动的一系列分立轨道相对应，电子轨道角,玻尔兹曼常数 k=1.,第24章 量子理论的起源,光子与电子弹性碰撞,普丰德系(j=5)(n=6，7，8),2）斯特藩玻耳兹曼定律,入射光强度成正比，Is=ne.,1916年考入南京高等师范学校理化部。,令=0 ，则,4 玻尔的量子假设与玻尔模型,对于一定频率 的电磁辐射,物体只能以 h为单位发射或吸收它h 是一个普适常数,玻尔兹曼常数 k=1.,2）光电二极管：固态光电探测器,2、经典物理学遇到的困难,公式只适用于长波段,而在紫外区与实验不符,U,0,式中，,是常数，,而 由阴极金属材料决定,对于每一种金属，只有当入射光频率,大于一定的,红限频率,0,时，才会产生光电效应。,令=,0,，则,-光电效应的红限频率（或截止频率）,光电效应是,瞬时的,。,只要入射光频率,0,，无论光多弱，光照射阴极到光电子逸出这段时间不超过10,-9,s.,第8页，共23页。,2、经典物理学遇到的困难,按经典理论，光波能量只与光强和振幅有关，与频率无关，,不能解释截止频率，不能解释瞬时性。,3、爱因斯坦的光子理论,1）光辐射是由在真空中以速率 c 传播的光量子组成的粒子流。,每个光量子的能量与辐射频率的关系为,2）爱因斯坦方程,式中，A为电子逸出功，为光电子的最大初动能。,第9页，共23页。,4、解释光电效应,1）光子的能量可以立即被金属中的自由电子吸收-瞬时性,2）光强越大,光子数越多,光电子越多,饱和光电流越大,-入射频率一定时 饱和光电流和入射光强成正比,3）爱因斯坦方程表明：光电子最大初动能与入射光频率成线性,关系，而与入射光强无关。由动能定理有：,4）入射光子能量必须大于逸出功,红限频率,第10页，共23页。,5、光电效应的应用,1）光电管：光电信号转换,2）光电二极管：固态光电探测器,3）光电倍增管：由10-15个倍增阴极组成，增大光电 流10,4,-10,5,倍，探测弱光。,4）光电成像器件：（光电导摄象管）将辐射图象转换成为可 观测、记录、传输、存储和进行处理的图象。广泛应用于天文学、空间科学、X射线放射学、高速摄影等。,5）光敏电阻：用光照改变半导体的导电性能制成。,第11页，共23页。,1）光辐射是由在真空中以速率 c 传播的光量子组成的粒子流。,式中:j=1，2，3，,令=0 ，则,2）瑞利-金斯公式,只有U=Ua0时，光电流才为0，Ua称为遏止电压。,公式只适用于长波段,而在紫外区与实验不符,3）光电倍增管：由10-15个倍增阴极组成，增大光电 流104-105 倍，探测弱光。,按经典理论，光波能量只与光强和振幅有关，与频率无关，,公式只适用于长波段,而在紫外区与实验不符,单位时间内从物体表面单位面积上所辐射的的能量,吴有训（18971977）字正之，江西高安人。,1）维恩的半经验公式：,吴有训（18971977）字正之，江西高安人。,光的波粒二象性,光子的能量,光子的动量,第12页，共23页。,吴有训（18971977）字正之，江西高安人。1916年考入南京高等师范学校理化部。1921年，考取江西官费留学生。1926年获芝加哥大学博士学位。其间，参与A.H.康普顿X射线散射研究，以精湛的实验技术和精辟的理论分析，验证了康普顿效应的普遍性，使康普顿效应进一步为国际物理学界所公认。吴有训也因此享誉世界。回国后，受聘清华大学物理系教授、系主任、理学院院长。1945年出长中央大学。1950年调任中国科学院副院长。曾任中国物理学会理事长、全国政协常委、全国人大常委。1955年当选中国科学院院士。,第13页，共23页。,2）实验规律,24.3 康普顿效应,1）实验装置,对同一散射角，原子量较小的物质散射强度大，但波长改变量（,0,）相同。,波长改变量（,0,）随散射角而异,第14页，共23页。,用爱因斯坦量子理论解释康普顿散射,光子与电子弹性碰撞,光子动量,能量守恒,：,动量守恒：,第15页，共23页。,利用余弦定理：,或,由（1）和（2）得,能量守恒,：,动量守恒：,康普顿波长,第16页，共23页。,第17页，共23页。,24.4,玻尔的量子假设与玻尔模型,1.原子的核式结构,式中:j=1，2，3，,n=j+1，j+2，,R,H,是里德伯常数,2.原子光谱,氢原子光谱经验规律,第18页，共23页。,可见光,红外区,巴尔末系(j=2)(n=3，4，5.),帕邢系 (j=3)(n=4，5，6),布拉开系(j=4)(n=5，6，7 ),普丰德系(j=5)(n=6，7，8),莱曼线系(j=1)(n=2，3，4,),紫外,第19页，共23页。,2.经典解释遇到困难,1）加速运动的电子辐射的电磁波的频率是连续分布的。,这与上述氢 原子光谱线状分布完全不符。,2）据卢瑟福的原子模型：绕核加速运动的电子，最后被吸到核上,第20页，共23页。,三.玻尔的量子理论,1）,定态假设,原子能够而且只能够稳定地存在于离散能量(,E,1,，,E,2,)相对应的一系列状态-定态,2）,跃迁条件,原子能量的任何变化，包括发射或吸收电磁辐射，都只能在两个定态之间以跃迁的方式进行。,原子在两定态(,E,n,E,m,)之间跃迁，,3）轨道角动量量子化假设,定态与电子绕核运动的一系列分立轨道相对应，电子轨道角,动量只能是（h/2,）,的整数倍，即,式中，n=1,2,3,称为量子数,第21页，共23页。,解得,n=1,-基态，,其余态叫激发态,玻尔半径,基态能量,令,第22页，共23页。,里德伯常数：,第23页，共23页。,