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

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,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,（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.,单位：w/m2,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。,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,（2）取,（1）由维恩位移定律,（3）由斯特藩玻尔兹曼定律,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,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,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”！,“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：,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,（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 .,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,逸出功与材料有关,对同一种金属， 一定， ，与光强无关,逸出功,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,普朗克常量：,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=6.5710-34 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,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,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