黑体辐射 普朗克能量子假设8-2 光电效应8-3康普顿散射.ppt

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,*,第八章 波粒二象性,第八章 波粒二象性,量子理论的起源,1900,年，普朗克（,M.Pulanck,）提出能量子，即能量量子化的概念，这对经典物理理论是一个极大的冲击，因为能量的连续性在经典物理中是“天经地义”的事情。在物理学上，能量子概念的提出具有划时代的意义，它标志了量子力学的诞生。,1905,年，为解释光电效应，爱因斯坦提出光量子（光子）的概念，指出光具有波粒二象性。,1923,年，德布罗意（,P.L.de,Broglie,）提出实物粒子也具有波动性的假设。波粒二象性的假设，为物质世界建立了一个统一的模型。物质具有波粒二象性是建立量子力学的一个基本出发点。,量子力学的发展历史,1927,年，戴维孙（,C.J.Davisson,）和革末（,L.H.Germer,）通过镍单晶体表面对电子束的散射，观测到和,X,光衍射类似的电子衍射现象；同年，,G.P.,汤姆孙（,G.P.Thomson,）用电子束通过多晶薄膜，证实了电子的波动性。,1925,年，海森伯,(,W.Heisenberg,),放弃电子轨道等经典概念，用实验上可观测到的光谱线的频率和强度描述原子过程，奠定了量子力学的一种形式,矩阵力学的基础。,量子力学的发展历史,1926,年，薛定谔,(,E.Schrodinger,),提出了非相对论粒子（能量远小于静能）的运动方程,薛定谔方程，由此方程出发的量子力学称为波动力学。,同年，狄拉克（,P.A.M.Dirac,）提出了电子的相对论性运动方程,狄拉克方程，把狭义相对论引入薛定谔方程，统一了量子论和相对论，为研究粒子物理的量子场论奠定了基础。,量子力学的发展历史,8.1,黑体辐射,（,Black-body radiation,）,物体由大量原子组成，热运动引起原子碰撞使原子激发而辐射电磁波。原子的动能越大，通过碰撞引起原子激发的能量就越高，从而辐射电磁波的波长就越短。,热运动是混乱的，原子的动能与温度有关，因而辐射电磁波的能量也与温度有关。,一、热辐射的基本概念,1,、热辐射,（,thermal radiation,）,例如：,加热铁块，温度,，,铁块颜色由看,蓝白,色,不出发光,暗红,橙色,黄白色,这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射,，,称为,热辐射。,在任何温度下，物体都向外发射,各种频率的电磁波,，只是在不同的温度下所发出的各种电磁波的能量按,频率,有不同的布分，所以才表现为不同的颜色。,温度,辐射中短波长的电磁波的比例,1400,K,800,K,1000,K,1200,K,几种温度下辐射最强的电磁波颜色,温度为,T,的物体，,单位时间内从物体单位表面积发出的频率在,附近单位频率区间（或波长在,附近单位波长区间）的电磁波的能量.,单色辐射出射度 单位：,单色辐射出射度 单位：,8.1,黑体辐射,2,单色辐射出射度,monochromatic energy density of radiation,T,单位面积,（单位时间内）,M,取决于,T,、,和材料种类和表面情况,3,辐射出射度（辐出度）,单位时间，单位,面积上所辐射出的各,种频率（或各种波长）,的电磁波的能量总和.,0 2 4 6 8 10 12,钨丝和太阳的单色辐出度曲线,2,12,10,4,6,8,太阳,可见光区,钨丝（,2750K）,太阳,（5,900K）,钨丝,单位：,w/m,2,radiant,exitance,实验表明,辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.,monochromatic,absorptance,5,单色吸收比（率）,(,T,),在温度为,T,时，物体表面吸收的频率为,到,+d,区间的能量占全部入射的该区间的辐射能量的份额。,4,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间内辐射的能量，则物体的温度恒定。这种,温度不变,的热辐射称为,平衡热辐射。,一个黑白花盘子的两张照片,室温下，反射光,1100K,，,自身辐射光,4,黑体,（,black body,）,能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体.（黑体是理想模型）,二 斯特藩 玻尔兹曼定律 维恩位移定律,（1）,斯特藩玻尔兹曼定律,斯特藩玻尔兹曼常量,（2）,维恩位移定律,常量,峰值波长,1700k,1500k,1300k,例1（1）,温度为室温 的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？,（2）,若使一黑体单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，其温度应为多少？,（3）,以上两辐出度之比为多少？,解,（2）,取,（,1,）,由维恩位移定律,（,3,）,由,斯特藩玻尔兹曼定律,例2,太阳的单色辐出度的峰值波长 ，,试由此估算太阳表面的温度.,解,由维恩位移定律,对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法进行推测,三、经典物理遇到的困难,如何从理论上找到符合实验的 函数式,?,维恩（,W.Wien,）公式,瑞利,(Rayleigh),金斯,(Jeans),公式,维恩（,W.Wien,）公式,（,1864-1928,）,W.Wien,1896,年，维恩假设气体分子辐射的频率只与其 速率有关，首先从理论上推出一个黑体辐射公式,其中,，,为常量。,普朗克不太信服维恩公式的推导过程，认为维恩提出的假设没什么道理。,高频段,与实验符合很好，,低频段,明显偏离实验曲线。,瑞利,(Rayleigh),金斯,(Jeans),公式,L.Rayleigh(1842-1919,),1900,年,6,月，瑞利按经典的能量均分定理，把空腔中简谐振子平均能量取与温度成正比的连,续值，得到一个黑体辐射公式,低频段,与实验符合很好，,高频段,明显偏离实验曲线。,“紫外灾难”！,/10,14,Hz,M,(10,-9,W/(m,2,Hz),0,实验曲线,，,为常量,（,1896,）,（,1900,）,“紫外灾难”,“,物理学晴空中的一朵乌云,!,”,四、普朗克的能量子假说和黑体辐射公式,1900,年,10,月，普朗克利用数学上的内插法，把适用于高频的维恩公式和适用于低频的瑞利金斯公式衔接起来，得到一个半经验公式，即,普朗克黑体辐射公式：,在全波段与实验曲线惊人地符合！,普朗克常量：,/10,14,Hz,M,(10,-9,W/(m,2,Hz),0,实验曲线,，,为常量,（,1896,）,（,1900,）,普朗克黑体辐射公式,符合实验曲线,普朗克认为：,空腔内壁的分子、原子的振动可以看成是许多带电的简谐振子，这些简谐振子可以辐射和吸收能量，并与空腔内的辐射达到平衡。从空腔小孔辐射出的电磁波，就是由这些空腔内壁的简谐振子辐射出的。,普朗克大胆地假设：,频率为 的简谐振子的能量值，只能取 的整数倍。即，简谐振子的能量是量子化的（,quantization,），只能取下面的一系列特定的分立值,能量 称为,能量子,(quantum of energy),，,空腔内的辐射就是由各种频率的能量子组成。上述假设称为,普朗克能量子假设。,在这一假设基础上，再运用经典的统计物理方法就可推出普朗克黑体辐射公式。,能量子概念的提出标志了量子力学的诞生，普朗克为此获得,1918,年诺贝尔物理学奖。,8.2,光电效应,光电效应：,光照射某些金属时，能从表面释放出电子的效应。,光电效应中,产生的电子称为,“,光电子,”,。,光电效应引起的现象是,赫兹,在,1887,年发现的，当,1896,年,J.J.,汤姆孙,发现了电子之后，,勒纳德,才证明所发出的带电粒子是电子。,8.2,光电效应,photoelectric effect,一 光电效应实验的规律,V,A,（1）,实验装置,光照射至金属表面,电子从金属表面逸出,称其为,光电子,.,（2）,实验规律,截止频率（红限）,几种纯金属的,截止,频率,仅当 才发生光电效应，截止频率与,材料有关,与,光强无关,.,金属,截止频率,4.545,5.50,8.065,11.53,铯 钠 锌 铱 铂,19.29,8.2,光电效应,电流饱和值,遏止电压,瞬时性,遏止电势差与入射光频率具有线性关系.,当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出,（光强）,遏止电压 与光强无关,按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有,一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属,表面为止.与实验结果不符.,（3）,经典理论遇到的困难,红限问题,瞬时性问题,按经典理论,无论何种频率的入射光,只要其强度,足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属.与实,验结果不符.,二 光子 爱因斯坦方程,（1）,“光量子”假设,光子的能量为,（2）,解释实验,几种金属的逸出功,金属,钠 铝 锌 铜 银 铂,2.28 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35,爱因斯坦方程,逸出功与材料有关,对同一种金属，,一定，与光强无关,逸出功,爱因斯坦方程,产生光电效应条件条件,（截止频率）,光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电,子数目越多，光电流越大.（时）,光子射至金属表面，一个光子携带的能量 将一,次性被一个电子吸收，若 ，电子立即逸出，,无需时间积累（,瞬时,性）.,（3）,的测定,爱因斯坦方程,遏止电势差和入射光频率的关系,普朗克常量：,例1,波长为,450,nm,的单色光射到纯钠的表面上.,求 （1）,这种光的光子能量,（2）,光电子逸出钠表面时的动能；,（3）,若光子的能量为,2.40,eV,，,其波长为多少？,解（1）,（2）,（3）,密立根,1916,年的实验，证实了光子论的正确性，并求得,h=6.57,10,-34,焦耳,秒。光的波动性（,p,）,和粒子性（,）,是通过普朗克常数联系在一起的。,相对论质能关系：,光子的质量：,因为,：,光子的动量：,光既具有粒子性，又具有波动性，即具有波粒二象性,三 光的波粒二象性,Applications of the photoelectric effect:,Besides playing an important historical role in confirming the photo theory of light,it also has many practical applications.,Optical sound track on movie film,Solar cell,Digital camera,8.3,康普顿效应,1920,年，美国物理学家康普顿在观察,X,射线被物质散射时，发现,散射,线中含有,波长,发生,变化,了的成分,.,一 实验装置,经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率,.,经典理论无法解释波长变化,.,二 实验结果,（相对强度）,（波长）,在散射,X,射线中除有与入射波长相同的射线外，还有波长比入射波长更长的射线,.,三 经典理论的困难,光子,电子,电子反冲速度很大，需用,相对论力学,来处理,.,（,1,）,物理模型,入射光子（,X,射线或 射线）能量大,.,固体表面电子束缚较弱，可视为,近自由电子,.,四 量子解释,电子,光子,电子热运动能量 ，可近似为,静止电子,.,范围为：,（,2,）,理论分析,能量守恒,动量守恒,康普顿公式,康普顿波长,散射光波长的改变量 仅与 有关,康普顿公式,（,3,）,结论,（,4,）,讨论,（,5,）,物理意义,若 则,可见光观察,不,到康普顿效应,.,光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性,.,微观粒子也遵守,能量守恒,和,动量守恒,定律,.,与 的关系,与物质无关,，是光子与近自由电子,间的相互作用,.,散射中 的散射光是因,光子,与金属中的,紧束缚,电子,（原子核）的作用,.,康普顿公式,解（,1,）,例,波长 的,X,射线与静止的自由电子作弹性碰撞,在与入射角成 角的方向上观察,问,（,2,）,反冲电子得到多少动能？,（,1,）,散射波长的改变量 为多少？,（,3,）,在碰撞中，光子的能量损失了多少？,（,2,）,反冲电子的动能,（,3,）,光子损失的能量反冲电子的动能,