大学物理教案cha 26页

同学们好\n第五篇量子现象和量子规律量子物理：近代物理学的支柱之一两朵乌云：1.迈克尔孙—莫雷实验的“零结果”2.黑体辐射的“紫外灾难”新理论：相对论、量子力学，深刻影响现代科技和人类生活两朵乌云——暴风骤雨——20世纪物理学危机物理学正在临产中，它孕育着的新理论将要诞生了。——列宁\n结构框图黑体辐射的实验规律普朗克能量子假设光与物质的相互作用爱因斯坦光子理论激光原理氢原子光谱实验规律玻尔氢原子理论学时：6第十五章光的量子性\n§15.1热辐射普朗克能量子假说一、热辐射黑体辐射的实验规律1.热辐射组成物体的分子中都包含着带电粒子，当分子作热运动时物体将会向外辐射电磁波，由于这种电磁辐射与物体的温度有关，故称热辐射固体在温度升高时颜色的变化1400K800K1000K1200K\n不同的原子辐射谱线的颜色（频率）成分不同：锶(Sr)铷(Rb)铜(Cu)物体发射能量的同时，又吸收周围其它物体的辐射能。当发射=吸收时，其温度不变——平衡热辐射（动态平衡）2.绝对黑体物体对外来辐射能量的吸收、反射具有选择性.能全部吸收（不反射）任何波长的入射辐射能的物体——绝对黑体\n模型：空腔小孔绝热不透明空腔的电磁辐射就可以认为是黑体辐射。3.绝对黑体的辐射定律实验发现：物体的电磁辐射能力与吸收能力一致。黑体完全吸收体理想发射体\n单位时间内，从物体表面单位面积上发射的定义两个物理量：实验表明，热辐射能谱是连续谱，发射的能量及其按波长的分布是随物体的温度而变化的。\n单位时间内从物体表面单位面积上发射的各种波长的总辐射能T热电偶平行光管绝对黑体三棱镜测定黑体单色辐射本领按波长分布的实验装置\n01234561700K1500K1300K1100K实验曲线\n实验定律：T3>T2>T1T2>T1T1斯忒潘—波尔兹曼定律黑体的总辐射本领与黑体温度的四次方成正比维恩位移定律维恩常数：随着黑体温度的升高，其单色辐射本领的最大值所对应的波长m按照正比于T-1的规律向短波方向移动\n二、经典物理的困难从经典理论出发推1.瑞利——金斯公式长波与实验曲线吻合，短波相差很大——紫外灾难出发点：将能量按自由度均分原理用到电磁辐射上2.维恩公式短波与实验曲线接近，长波相差很大。出发点：将类似分子速率分布的规律用到电磁辐射上\n0123456789实验值瑞利--金斯线紫外灾难维恩线\n三、普朗克能量子假说1.经验公式在维恩公式和金斯公式之间用内插法得出与实验曲线相符的经验公式0123456789(T,)\n2.能量子假设（模型）黑体：由大量包含各种固有频率的谐振子组成的系统能量子谐振子的能量只能取某个基本单元的整数倍能量子能量作用量子普朗克恒量\n3.意义：导出与实验曲线相吻合的经验公式，解决了黑体辐射的困难。引入能量量子化的概念，是量子物理开端，为爱因斯坦光子论和玻尔氢原子理论奠定基础。“敲响近代物理晨钟”1900年12月14日《正常光谱中能量分布律的理论》1918年诺贝尔物理奖量子力学诞生日③普朗克恒量h已经成为物理学中最基本、最重要的常数之一。特点：非常小，具有作用量量纲。\n“我当时打算将基本作用量子h归并到经典理论范畴中去,但这个常数对所有这种企图的回答都是无情的.”“企图使基本作用量子与经典理论调和起来的这种徒劳无功的打算,我持续了很多年,它使我付出了巨大的精力.”——普朗克作用量是一个依赖于运动轨道的量，从功能角度考察和比较客体的运动(经历)。例：能量时间，长度动量作用量量纲：L2MT-1(A)h成为区分经典理论与微观理论的判据(B)h成为物理体系动力学变量测量精确度的极限(M.Planck,1858—1947)\n§15.2爱因斯坦光量子理论光与物质相互作用的基本形式光电效应——光子论的提出康普顿效应电子偶效应光子论的应用和检验一、光电效应1.实验规律(1)光电效应是瞬时发生的it(s)10-9\n(2)入射光频率一定，饱和光电流与入射光强成正比iOU饱和光电流isUa遏止电压光强较强光强较弱\n(3)光电子初动能和入射光频率的关系遏止电压的存在说明光电子具有初动能，实验指出遏止电压和入射光频率有线性关系：OUaCsNaCaiisUoUa\n2.经典电磁波理论的困难(4)对于任何金属，存在一个红限频率0oUaCsNaCa(1)按经典理论光电子的初动能应决定于入射光的光强，而不决定于光的频率。(2)无法解释红限的存在。(3)无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。\n3.爱因斯坦光子理论光是以光速运动的光子流每个光子能量和动量光强即光的能流密度N:单位时间通过垂直于单位面积的光子个数\n4.光电效应方程由能量守恒：入射光子能量=逸出功+光电子初动能斜率heUa0hA-A\n5.爱因斯坦光子理论对光电效应的解释2)光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以饱和光电流也大。1)电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积过程。4)从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红限频率：光电效应现象在日常生活中已有了广泛的应用3)从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系。(1)光电效应是瞬时发生的(4)对于任何金属，存在一个红限频率0(3)光电子初动能和入射光频率成线性的关系(2)入射光频率一定，饱和光电流与入射光强成正比\n例题波长为4000Å的单色光照射在逸出功为2.0eV的金属材料上，光射到金属单位面积上的功率为，求：1)单位时间内、单位面积金属上发射的光电子数2)光电子的最大初动能解：1)对于单光子光电效应，金属发射的光电子数等于在同一时间内射到金属表面的光子数：\n2)由爱因斯坦光电效应方程光电子的最大初动能为\n普朗克能量子理论爱因斯坦光量子理论一、光电效应1.实验规律2.经典电磁波理论的困难*3.爱因斯坦光子理论*4.光电效应方程5.爱因斯坦光子理论对光电效应的解释本讲内容：