《量子物理基础》PPT课件.ppt

1,第16章 量子物理基础,自有人类科学记载以来，人们在经典理论的统治下， “一切自然过程都是连续的”这个观点被所有人自然接受。,人们生活在宏观世界里，对自然界的认识不可避免地有局限性,十九世纪末、二十世纪初，随着科学的进步，人类认 识进入微观领域。在研究黑体辐射规律时，经典理论遇到 了不可逾越的困难。,2,16.1 热辐射 普朗克能量子假设 量子物理学的诞生,实验指出： 任何物体在任何温度下都不断地向周围空间发射电磁波。辐射出的能量（电磁能）与 T 有关（当然和 l 也有关），因此称为热辐射。,一. 热辐射,热辐射 : 由温度决定的物体的电磁辐射。,头部热辐射像,头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异，这种差异可通过热象仪转换成可见光图象。,3,辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射称为平衡热辐射。,物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射本领越大，其吸收本领也越大。,室温,高温,吸收,辐射,白底黑花瓷片,4,单色辐射出射度（单色辐出度）：一定温度 T 下，物体单位面元在单位时间内 发射的波长在 +d 内的辐射能 dM 与波长间隔 d 的比值,辐出度：物体 (温度 T) 单位表面在单位时间内发射的辐射能，为,温度越高，辐出度越大。另外，辐出度还与材料性质有关。,说明,5,二. 黑体辐射,绝对黑体(黑体)：能够全部吸收各种波长的辐射且不反射和透射的物体。 研究热辐射的理想化模型,黑体辐射的特点 ：,与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射本领最强,煤烟,约99%,黑体模型,物体热辐射,黑体热辐射,温度,材料性质,6,1. 斯特藩玻耳兹曼定律,式中,辐出度与 T 4 成正比.,2. 维恩位移定律,峰值波长 m 与温度 T 成反比,可见光,5000K,6000K,3000K,4000K,7,辐射出的能量M与T、l有关，与材料无关,经典理论：物体中的每个带电粒子都是一个谐振子，一面振动一面发射与其振动频率相同的电磁波。 推出公式与实验曲线不符，在紫外区 ，称为紫外灾难。,8,普朗克（德）为了揭示实验和理论之间的矛盾，提出了一 个与经典理论格格不入的观点：能量的取值是不连续的,普朗克量子假设：,1. 谐振子的能量存在着最小的能量单元：,2. 谐振子辐射和吸收的能量只能是 的整数倍：,普朗克公式：,与实验规律符合,普朗克恒量,9,普朗克的能量子假设第一次向人们展示出：自然界中存在着这样一些变化，它们的发生是跃变的、不连续的。,这个思想就像一把金钥匙，打开了微观世界的大门；普朗克的能量子假设对经典物理是一个巨大的突破，从此量子力学诞生了。,以普朗克的名字命名的现代物理学中最重要的普适恒量h，可以和光速 c 相比。,一个伟大的思想要被人们认识并接受，是需要时间的，要经过多次波折、反复，经过许多科学家不懈的努力才能坚定地迈出关键的一步。,10,爱因斯坦指出：光是由光子组成的粒子流，它不仅是一份份地被辐射、吸收，而且在空间传播时也是聚集成一份份的能量集团。,光子具有的能量也是,用光量子理论成功地解释了光电效应,最早认识到普朗克的能量子假设伟大意义的科学家是年轻的爱因斯坦。具有深刻洞察力的爱因斯坦意识到：经典理论是在一定条件下成立的理论，不能应用到微观世界发生的过程。,他从能量子假设中得到重要启示，他不仅支持能量子观点，而且还进一步发展了量子假设，提出了光量子假设。,11,16.2 光电效应 爱因斯坦光子假说,通过光照、加压、加热等方法，可使电子逸出。,光照到金属表面上，电子从金属表面逸出的现象称为光电效应,一. 光电效应的实验规律,在K A间加电压U ， 光电子便从KA形成光电流i,12,实验规律:,1. 饱和电流 入射光强度（频率一定）,n 一定,单位时间内从阴极发射的 光电子数和入射光强成正比。,2. 存在截止频率 （红限）截止波长,3. 遏止电压：,即：光照到金属表面上，从表面逸出的电子具有初动能。若 运动方向对头，则没有外场作用时，电子也能从KA,加负压 时，电子的初动能全消耗在克服电场力做功上,13,对不同金属，曲线斜率相同,光电子即时发射。只要 ，无论光强多大，滞后时间 不超过,最大初动能与 无关，与 有关,14,3. 光电子的产生应与光照时间有关,但实验指出：只需 ，无论 多大，光电子立即逸出,2. 光电子的产生应与 无关,只要 足够大，电子获得的能量逸出功时，光电子就可以逸出,但实验指出：当 ，无论 多大，照射时间多长，都不会 发生光电效应。,二. 经典物理与实验规律的矛盾,1. 初动能应和入射光强度 成正比,但实验指出：,15,三. 爱因斯坦的光子理论,1. 光是以 运动的粒子流光子流,3. 光的强度 决定于单位时间通过垂直于光方向上单位面积的 光子数,四. 用光子理论解释光电效应,不考虑相对论效应,16,1. 饱和电流 入射光强度（频率一定）,2. 存在截止频率 （红限）截止波长,3. 遏止电压：,从能量守恒看：,4. 即时性,光子的能量是一次被电子吸收的，所以不需要积累能量的时间，即光电效应的发生是瞬时的。,17,密立根的工作：测Na的 曲线,理论：,实验：,对任何金属都成立，斜率是常数,存在截止频率,从斜率 测定的 值，与用其他方法测得的结果一致,18,五. 光的波粒二象性,近代物理指出：光既有波动性，又有粒子性， 即具有波粒二象性,一般来说：当光和物质相互作用时，主要表现其粒子性； 在光传播过程中，主要表现其波动性。,一个光子的基本特征：,能量：,质量：,动量：,描写光的波动性,描写光的粒子性,19,下节课将介绍对光的粒子性的另一个有力证明康普顿效应,20,增大,一.6. 以一