第12章黑体辐射与光的波粒二象性.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,*,1,小结,相对论质量,相对论能量,静止能量,相对论动能,总能量,=,静止能量,+,动能,核聚变,能量守恒普遍公式,运动的质量守恒,动量与能量关系,光子动量与能量关系,2,量子物理,QUANTUM PHYSICS,3,前 言,量子概念是,1900,年普朗克首先提出的，经过爱因斯坦，德布罗意，薛定谔,.,.,等人的努力，于,20,世纪,30,年代，建立了,量子力学,，这是关于微观世界的理论，和,相对论,一起，已成为,现代物理学,的理论基础。,十九世纪末，,经典物理,(,力、电、光、热力学和统计物理,),已相当成熟，对物理现象本质的认识似乎已经完成。,但在喜悦的气氛中，当研究的触角进入了,“,微观粒子,”,尺度时，一系列实验发现,(,如,黑体辐射、光电效应，康普顿散射，氢原子光谱,等实验,),都是无法用经典物理学解释的。这迫使人们跳出传统的物理学框架，去寻找新的解决途径，从而导致了量子理论,的诞生。,4,12.1,(,黑体辐射和,),普朗克能量子假说,(,Blackbody Radiation,Planck Quantum Hypothesis,),分子,(,含有带电粒子,),的热运动使物体辐射电磁波。,热辐射的电磁波的能量对频率,(,波长,),有一个分布。,第,1 2,章 量子物理基础,一,.,热辐射,定义,性质,温度,发射的能量,电磁波的高频,(,短波,),成分,这种辐射与温度有关，称为,热辐射,(heat radiation),。,燃烧的煤发红光,白炽灯发黄白光,电焊发蓝白色光,5,描述热辐射的物理量,单色辐出度,M,l,(,T,),：,单位时间,内，从物体,单位表面积,发出的,单位波长范围内,的电磁波的能量。,总辐出度,M,(,T,),：,单位时间,内，从温度为,T,的,物,体的,单位面积,上，所辐射出的,各种波长,的电磁,波的能量总和。,6,1.,黑体,能完全吸收照射到它上面的各种频率光的物体,，称为,黑体,。,二、黑体和黑体辐射的基本规律,维恩设计的黑体：,不透明材料的空,腔,开,一个小孔。,黑体,2.,实验结果,单色辐射出射度,M,l,(,T,),l,曲线,0 1 2 3 4 5,l,(,m,m),M,l,1000K,1200K,1450K,7,3.,实验定律,斯特藩,常量,s,=5.6710,-,8,/,m,2,K,4,维恩位移定律,对于给定温度,T,，黑体的单色辐出度,M,l,(,T,),有一,最大值，其对应波长为,l,m,。满足关系,常量,b,=2.9710,-,3,m,K,总辐出度,M,(,T,),与黑体温度的四次方成正比。,斯特藩,-,玻耳兹曼定律,热辐射的功率随着温度的升高而迅速增加。,热辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动。,8,三、经典物理学所遇到的困难,如何解释黑体辐射曲线？,其中最典型的是维恩公式和瑞利,-,金斯公式,由经典理论导出的,M,l,(,T,),l,公式都与实验结果不符合！,(1),维恩公式,(,1896,年,),假定能量的分布类似于,麦克斯韦分布率,(,经典的,),。,(2),瑞利,金斯公式,(,1900,年,6,月,),根据经典的能量均分定理,9,维恩公式,在长波段明显偏离实验曲线！,瑞利,-,金斯公式,在紫外区,(,短波段,),与实验明显不符，短波极限为无限大,“,紫外灾难,”,！,“,紫外灾难,”,！,l,/,m,m,维恩公式,瑞利,-,金斯公式,?,10,四、普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式,1.,普朗克公式,普朗克把代表短波波段的维恩公式和代表长波波段的瑞利,-,金斯公式结合起来，并利用数学上的内插法，很快找到一个经验公式,普朗克的公式在全部波长范围内与实验曲线惊人符合，这个公式成功激发他去揭示公式中所蕴藏着的重要科学原理。,普朗克得到上述公式后意识到，如果仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式，其价值只能是有限的。必须寻找这个公式的理论根据。,他经过深入研究后发现：必须使谐振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。,其中,h,=6.62610,-,34,Js,称为普朗克常数。,11,2.,普朗克假设,(1900,年,),辐射物体中具有带电的谐振子,(,原子、分子的振动,),它们和经典物理中所说的不同，,这些谐振子和周围的电磁场交换能量，只能处于某些特殊的状态，相应的能量是某一最小能量的整数倍，即振子的能量是不连续的，,即,e,，,2,e,，,3,e,，,n,e,，,对于频率为,n,的谐振子，最小能量,e,=,h,n,叫做能量子。,能量不连续的概念与经典物理学是,完全不相容的！它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。,能量量子化。,玻尔对普朗克量子论的评价,在科学史上很难找到其它发现能象普朗克的基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里产生如此非凡的结果,这个发现将人类的观念,不仅是有关经典科学的观念，而且是有关通常思维方式的观念,的基础砸得粉碎，上一代人能取得有关自然知识的如此的神奇进展，应归功于人们从传统的思想束缚下获得的这一解放。,12,12.2,光的粒子性,12.2.1,光电效应,(,Photo,electronic effect,),一、光电效应的实验规律,1,光电效应,光电子,：,逸出金属表面的电子。,光电效应,：光照射到金属表面上时，有电子从金属表面逸出的现象。,K,A,光,GD,V,G,2,实验装置,GD,为光电管，,光通过石英窗口照射阴极,K,，光电子从阴极表面逸出。,光电子在电场加速下向阳极,A,运动，形成光电流。,13,3.,实验规律,(1),光电流与入射光强度,(,当,频率一定,时,),的关系,饱和光电流强度,i,m,与入射光强,I,成正比。,单位时间内从,K,极释放出的电子数,N,与入射光强,I,成正比,。,i,0,U,i,m1,i,m2,I,1,I,2,I,1,-,U,c,I,2,当电压,U,=0,时，光电流并不为零；只有当两极间加了反向电压,U,=,-,U,c,I,2,，则,(A),n,1,n,2,。,(B),n,1,0,),探测器,石墨,12.2.3,康普顿效应,波长改变的散射叫康普顿散射。,按经典理论,X,射线散射向周围辐射同频率的电磁波,而康普顿散射中波长较长的成分,经典物理无法解释,。,讨论,康普顿,（,A.,H.Compton),美国人,(1892-1962,）,(1),模型：,“,X,射线光子与静止的自由 电子的弹性碰撞”,，与能量 很大的入射,X,光子相比，石墨原子中结合较弱的电子近似为“静止”的“自由”电子。,二、康普顿散射验证光的量子性,由光的量子论,=h,和质能关系,:,2,=p,2,c,2,+m,0,2,c,4,2,3,4,1,原始,=45,0,=90,0,=135,0,0.70,0.75,(),强,度,及光子的“静止质量”,m,0,=,0,，,得光子的动量,:,1,、,康普顿的解释,:,(2),X,射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞,过程中,能量与动量守恒,可求得波长偏移,e,反冲电子的质量为,1,）首次实验证实爱因斯坦提出的,“光量子具有,动量”,的假设三、康普顿散射实验的意义,2,）支持了,“光量子”,概念，证实了,普朗克假设,=h,。,3,）证实了,在微观的单个碰撞事件中，动量和能,量守恒定律仍然是成立的。,根据光子理论，一个光子的能量为：,根据相对论的质能关系：,光子的质量：,光子的静止质量：,光子的动量：,12.2.4,光的波粒二象性,光既具有波动性，也具有粒子性。,二者通过普朗克常数相联系。,光的,波动性：,用光波的,波长,和频率,描述,光的,粒子性,：,用光子的,质量、,能量和动量,描述，,例,1,一束射线光子的波长为,6,10,-3,nm,与一个电子发生正碰,其散射角为,180,0,（如图,12-10,）所示。试求：,（,1,）射线光子波长的变化？,（,2,）被碰电子的反冲动能是多少？,图,12 10,光子与静止电子的碰撞,（,2,）入射光子的能量为,解（,1,）将散射角 代入康普顿散射公式（,12-12,）可求出波长的改变量：,散射光子的能量为,至于被碰电子，根据能量守恒，它所获得的动能等于入射光子与散射光子的能量之差,*,例,2,：波长,l,0,=0.1,的,x,射线与静止的自由电子碰撞。在与入射方向成,90,角的方向观察时，散射波长多大？反冲电子的动能与动量多大？,e,解：,求散射波长,=,l,c,=0.1+0.024,=0.124(,),故：散射波长为,0.124,和,0.1,反冲电子的动能,=3.810,-,15,J,=2.410,4,eV,e,动量守恒,p,e,=8.510,-,23,kgm/s,=3844,51,1.,已知惯性系,S,相对于惯性系,S,以,0.5,c,的匀速度沿,x,轴的负方向运动，若从,S,系的坐标原点,O,沿,x,轴正方向发出一光波，则,S,系中测得此光波的波速为,。,2.,狭义相对论确认，时间和空间的测量值都是,，它们与观察者的,密切相关。,3.,在宇宙飞船上的人从飞船的后面向前面的靶子发射一颗高速子弹，此人测得飞船长度为,60 m,，子弹速度是,0.8,c,，求该飞船对地球以,0.6,c,的速度运动时，地球上的观测者测的子弹飞行的时间,为,。,4,.远方一颗星以 0.8,c,的速度离开我们，地面上测得此星两次闪光的时间间隔为 5 昼夜，那么固定在此星上参照系测得此星两次闪光的时间间隔为,。,课后练习,52,5.,观察者,A,测得与他相对静止的,xoy,平面上一个圆的面积是,12cm,2,，另一个观察者,B,相对于,A,以,0.8,c,(,c,为真空中光速,),平行于,xoy,平面作匀速直线运动，,B,测得这一图形为一椭圆，其面积是,。,6.,一门宽度为,a,，今有一固有长度为,l,0,(,l,0,a,),的水平细杆，在门外贴近门的平面内沿其长度方向匀速运动。若站在门外的观察者认为此杆的两端可同时被拉进门内，则此杆的运动速率,u,至少为,。,下 课,作业,:,12-2，12-3,