十量子物理基础市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

第十二章第十二章 量子物理基础量子物理基础 1了解描述热辐射几个物理量，掌握绝对黑体辐射两条试验规律。2了解普朗克提出“能量子”概念。3了解光电效应和康普顿效应试验规律，以及爱因斯坦光子理论对这两个效应解释。4了解光波粒二象性。5了解德布罗意提出物质波概念，了解实物粒子波粒二象性，记住德布罗意关系式。了解电子衍射试验。6了解测不确定度关系式意义。7了解波函数概念及其统计解释，了解一位定态薛定谔方程。了解能量量子化概念。8了解描述原子中电子运动状态四个量子数。一、基本要求一、基本要求第1页 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长电磁波，这种因为物体中分子、原子受到激发而发电磁波，这种因为物体中分子、原子受到激发而发射电磁波现象称为热辐射。所辐射电磁波特征仅与射电磁波现象称为热辐射。所辐射电磁波特征仅与温度相关。温度相关。12-1 12-1 12-1 12-1 热辐射热辐射热辐射热辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设普朗克量子假设普朗克量子假设固体在温度升高时颜色改变固体在温度升高时颜色改变1400K物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。800K1000K1200K一、一、一、一、热辐射现象热辐射现象热辐射现象热辐射现象第2页二、二、二、二、基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律 单色辐出度单色辐出度 与物体温度和辐射波长相关。与物体温度和辐射波长相关。1.1.单色辐出度：单色辐出度：单位时间内，温度为单位时间内，温度为T 物体单位面积上物体单位面积上发射波长在发射波长在 到到 范围内辐射能量范围内辐射能量 与波长间隔与波长间隔 比值，用比值，用 表示。表示。2.2.辐射出射度辐射出射度:单位时间内，从物体单位面积上所发射各种单位时间内，从物体单位面积上所发射各种波长总辐射能，称为物体辐射出射度，简称辐出度。波长总辐射能，称为物体辐射出射度，简称辐出度。辐出度只是物体温度函数。辐出度只是物体温度函数。第3页 单色吸收比和单色反射比单色吸收比和单色反射比:被物体吸收能量与入射能量被物体吸收能量与入射能量之比称为吸收比之比称为吸收比,在波长在波长 到到 范围内吸收比称为单范围内吸收比称为单色吸收比色吸收比,用用 表示表示;反射能量与入射能量之比称为反射反射能量与入射能量之比称为反射比比,波长波长 到到 范围内反射比称为单色反射比范围内反射比称为单色反射比,用用 表表示。示。3.3.绝对黑体绝对黑体:若物体在任何温度下若物体在任何温度下,对任何波长辐射能对任何波长辐射能吸收比都等于吸收比都等于1,1,则称该物体为绝对黑体则称该物体为绝对黑体,简称黑体。简称黑体。基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律:在一样温度下在一样温度下,各种不一样物体对相各种不一样物体对相同波长单色辐出度与单色吸收比之比值都相等同波长单色辐出度与单色吸收比之比值都相等,并等于该温度并等于该温度下黑体对同一波长单色辐出度。下黑体对同一波长单色辐出度。即即好吸收体也是好辐射体好吸收体也是好辐射体。第4页三、三、三、三、黑体辐射试验规律黑体辐射试验规律黑体辐射试验规律黑体辐射试验规律 不透明材料制成带小孔空腔不透明材料制成带小孔空腔,可近似看作可近似看作黑体黑体。黑体模型黑体模型 研究黑体辐射规律是了解普研究黑体辐射规律是了解普通物体热辐射性质基础。通物体热辐射性质基础。PL2B2AL1B1C测定黑体辐出度试验简图测定黑体辐出度试验简图A为黑体为黑体B1PB2为分光系统为分光系统C为热电偶为热电偶第5页1700K1500K1300K1100K0 1 2 3 4 5 绝对黑体辐出度按波长分布曲线绝对黑体辐出度按波长分布曲线试验曲线试验曲线 黑体辐出度与黑体黑体辐出度与黑体绝对温度四次方成正比：绝对温度四次方成正比：依据试验得出黑体辐依据试验得出黑体辐射两条定律：射两条定律：热辐射功率伴随温度升高而快速增加。热辐射功率伴随温度升高而快速增加。斯特藩常数斯特藩常数（1）斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律第6页 对于给定温度对于给定温度T，黑体单色辐出度，黑体单色辐出度 有一最大值有一最大值,其对其对应波长为应波长为 。热辐射峰值波长伴随温度增加而向着短波方向移动。热辐射峰值波长伴随温度增加而向着短波方向移动。（2 2）维恩位移定律维恩位移定律第7页 例题例题1试验测得太阳辐射波谱试验测得太阳辐射波谱 ，若把太阳视为黑体，试，若把太阳视为黑体，试计算（计算（1）太阳每单位表面积上所发射功率，（）太阳每单位表面积上所发射功率，（2）地球表面阳光直射单位）地球表面阳光直射单位面积上接收到辐射功率，（面积上接收到辐射功率，（3）地球每秒内接收太阳辐射能。（已知太阳半）地球每秒内接收太阳辐射能。（已知太阳半径径RS=6.96108m,地球半径地球半径RE=6。37106m,地球到太阳距离地球到太阳距离d=1.4961011m.)解解 依据维恩位移定律依据维恩位移定律 依据斯特藩依据斯特藩-玻尔滋蔓定律可求出辐出度，即单位表面玻尔滋蔓定律可求出辐出度，即单位表面积上发射功率积上发射功率太阳辐射总功率太阳辐射总功率第8页 这功率分布在以太阳为中心、以日地距离为半径球面上，这功率分布在以太阳为中心、以日地距离为半径球面上，故地球表面单位面积接收到辐射功率故地球表面单位面积接收到辐射功率 因为地球到太阳距离远大于地球半径，可将地球看成半径因为地球到太阳距离远大于地球半径，可将地球看成半径为为RE圆盘，故地球接收到太阳辐射能功率圆盘，故地球接收到太阳辐射能功率第9页维恩经验公式维恩经验公式问题：怎样从理论上找到符合试验曲线函数式问题：怎样从理论上找到符合试验曲线函数式四、四、四、四、普朗克量子假设普朗克量子假设普朗克量子假设普朗克量子假设 这个公式与试验曲线波长短处符合得很好，但在波长很优这个公式与试验曲线波长短处符合得很好，但在波长很优点与试验曲线相差较大。点与试验曲线相差较大。瑞利瑞利-金斯经验公式金斯经验公式 这个公式在波长很优点与试验曲线比较相近，但在短波这个公式在波长很优点与试验曲线比较相近，但在短波区，按此公式，区，按此公式，将随波长趋向于零而趋向无穷大荒谬结将随波长趋向于零而趋向无穷大荒谬结果，即果，即“紫外灾难紫外灾难”。维恩公式和瑞利维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学方法来研金斯公式都是用经典物理学方法来研究热辐射所得结果，都与试验结果不符，显著地暴露了经典究热辐射所得结果，都与试验结果不符，显著地暴露了经典物理学缺点。黑体辐射试验是物理学晴朗天空中物理学缺点。黑体辐射试验是物理学晴朗天空中一朵令人不一朵令人不安乌云。安乌云。第10页 为了处理上述困难，普朗克利用内插法将适合用于短为了处理上述困难，普朗克利用内插法将适合用于短波维恩公式和适合用于长波瑞利波维恩公式和适合用于长波瑞利-金斯公式衔接金斯公式衔接 起来，提起来，提出了一个新公式：出了一个新公式：普朗克常数普朗克常数 这一公式称这一公式称为为普朗克公式。普朗克公式。它与试验结果符它与试验结果符合得很好。合得很好。o试验值/m维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线12 34567 8第11页普朗克公式还能够用频率表示为：普朗克公式还能够用频率表示为：普朗克得到上述公式后意识到，假如仅仅是一个侥幸揣普朗克得到上述公式后意识到，假如仅仅是一个侥幸揣测出来内插公式，其价值只能是有限。必须寻找这个公式理测出来内插公式，其价值只能是有限。必须寻找这个公式理论依据。他经过深入研究后发觉：必须使谐振子能量取分立论依据。他经过深入研究后发觉：必须使谐振子能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。值，才能得到上述普朗克公式。能量子假说：能量子假说：辐射黑体分子、原子振动可看作谐振子，这些辐射黑体分子、原子振动可看作谐振子，这些谐振子能够发射和吸收辐射能。不过这些谐振子只能处于一些分谐振子能够发射和吸收辐射能。不过这些谐振子只能处于一些分立状态，在这些状态中，谐振子能量并不象经典物理学所允许可立状态，在这些状态中，谐振子能量并不象经典物理学所允许可含有任意值。对应能量是某一最小能量含有任意值。对应能量是某一最小能量（称为能量子）整数倍，（称为能量子）整数倍，即：即：,1,2,3,.n.n为正整数，称为为正整数，称为量子数量子数。对于频率为对于频率为谐振子最小能量为谐振子最小能量为经典经典第12页 振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典态。在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体单色辐出度，即普朗克公式。电动力学理论，得到黑体单色辐出度，即普朗克公式。能量子概念是非常新奇，它冲破了传统概念，揭示了微观世界中一个主要规律，开创了物理学一个全新领域。因为普朗克发觉了能量子，对建立量子理论作出了卓越贡献，获19诺贝尔物理学奖。第13页例例2 2 试从普朗克公式推导斯特藩试从普朗克公式推导斯特藩-玻尔兹曼定律及维恩位移定律。玻尔兹曼定律及维恩位移定律。解：解：在普朗克公式中，为简便起见，引入在普朗克公式中，为简便起见，引入则则 黑体总辐出度：黑体总辐出度：其中：其中：普朗克公式可改写为：普朗克公式可改写为：第14页由分部积分法可计算：由分部积分法可计算：所以所以 可见由普朗克公式能够推导出斯特藩可见由普朗克公式能够推导出斯特藩-玻尔兹曼定律。玻尔兹曼定律。第15页 为了求出最大辐射值对应波长为了求出最大辐射值对应波长 ，能够由普朗，能够由普朗克公式得到克公式得到 满足：满足：经整理得到经整理得到令令有有这个方程经过迭代法解得这个方程经过迭代法解得即即可见可见由普朗克公式可推导得出维恩位移定律由普朗克公式可推导得出维恩位移定律。第16页