大学物理-5-第3章-光的本质.ppt

2019/11/21,1,浙江大学城市学院黄敏,Tel-mail:Huangm,大学物理UniversityPhysics,本章主要讲解四个方面问题：1）黑体辐射2）光电效应3）康普顿效应4）光的波粒二象性,1、热辐射,在任何温度下，一切宏观物体都以电磁波的形式向外辐射能量。对于给定的物体而言，在单位时间内辐射能量的多少以及辐射能量按波长的分布等都取决于物体的温度，因此，这种辐射就称之为热辐射，或者称为温度辐射。,2、绝对黑体-一个物体如果能完全吸收投射到其表面的任何波长的辐射能，即不反射，也不透射，我们称这种物体为绝对黑体，简称黑体。,绝对黑体是一种理想化的模型。但用不透明的材料制成的一个有小孔的空腔，可以视为绝对黑体。如：山洞、窗口、炉膛等。,3、黑体辐射的实验规律,单色辐出度辐射出射度,【单色辐出度】在一定温度下，物体在单位时间内，从单位表面积上发射的波长在+范围内的辐射能为dE。,【辐射出射度】在一定温度下，物体在单位时间内、从单位表面积上辐射的各种波长的总辐射能，记为MB(T)。,斯忒藩玻耳兹曼定律,维恩位移定律,维恩(W.Wien,1864-1928)德国物理学家，1911年获诺贝尔物理学奖,如：太阳单色辐出度最大处波长m0.49mT=5900K,维恩位移定律在现代科学技术上具有极广泛的应用，是测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。,如下图所示，太阳辐射谱-大气层外的太阳辐射曲线同5900K的黑体辐射曲线类似。太阳光穿入大气层时被大气吸收，水汽和二氧化碳在红外区强烈吸收太阳辐射，臭氧在紫外区强烈吸收太阳辐射。,人体体温310K(370C)m=9.35m“辐射高温计”，“炉火纯青”等等宇宙背景辐射m0.1cmT=2.7K,【例题】在地球大气层外测得太阳辐射谱，它的极值波长为490nm，设太阳为黑体，求：太阳表面温度T；太阳表面单位面积的辐射功率？,普朗克能量子假设,在19世纪未，已经从实验上测定了绝对黑体的单色辐出度MB(T)与(,T)的关系曲线。如何从理论上推导出符合实验结果的MB(T)函数表达式，就成为当时物理学中引人注目的问题之一。许多物理学家尝试从经典理论出发对绝对黑体的辐射规律给予解释。,瑞利金斯公式(1900年),维恩公式(1896年),长波范围与实验符合，而在短波范围内不符合“紫外灾难”,短波范围与实验符合，而在长波范围内不符合,与实验符合,普朗克公式的得来,起初是半经验的,即利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利金斯公式衔接起来,在得到了公式后,普朗克才设法从理论上去论证它。,为解释这一公式，普朗克提出了能量量子化假设,普朗克公式,普朗克常数,普朗克能量子假设,普朗克常数h=6.62610-34Js,与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化是hv的整数倍能量量子假设。,普朗克常数h体现了微观世界的基本特征。,若谐振子频率为v，则其能量是,腔壁上的原子,量子假说与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”的原则直接矛盾，因此许多物理学家不予接受。普朗克本人也曾几度(前后花费15年时间)想倒退，回到经典物理学的立场上去。但是，“无济于事，我们必须与量子理论共处”。,普朗克能量子假设揭示了自然现象中客观存在的不连续的量子性质，开始突破了经典物理学在微观领域内的束缚，标志着物理学上一场伟大革命的开始。,本章主要讲解四个方面问题：1）黑体辐射2）光电效应3）康普顿效应4）光的波粒二象性,1887年，赫兹在作放电实验时偶然观察到光电效应现象。1900年，赫兹的同事勒纳德（P.Lenard）指出：光电效应是金属中电子吸收入射光的能量而从表面逸出的现象。1905年，伟大的物理学家爱因斯坦从理论上对光电效应作出了科学的解释。,光电效应与爱因斯坦光子理论,1、光电效应的实验规律,饱和光电流与入射光强成正比。光电子最大初动能与光强无关，与入射光频率有关。从光照射到阴极表面到发射光电子所需的时间间隔小于10-9秒数量级，与光的强弱无关，不存在时间延迟。,1905年爱因斯坦提出：在某些条件下，光的能量好象集中成一团，即所谓的光子。当光子射向金属表面时，入射光子与金属中的电子碰撞，电子吸收一个光子的能量h，一部分用来克服金属对它的束缚，即消耗在逸出功W上，另一部分转化为电子离开金属表面后的初动能。,2、爱因斯坦光电效应方程,可以解释饱和光电流与入射光强成正比（光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大）；,爱因斯坦光子理论可以成功地解释光电效应的实验规律：,可以解释“红限频率”的存在（从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红限频率）；,可以解释光电子最大初动能与入射光频率的关系（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）；,可以解释光电效应的瞬时性问题（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）。,哈哈，我赢了,【例题】已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是1.2eV，而钠的红限波长是540nm，那么入射光的波长是nm。,【例题】已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是1.2eV，而钠的红限波长是540nm，那么入射光的波长是nm。,4、爱因斯坦光子理论,一束光就是一粒一粒以光速C运动的粒子流，这种光粒子称为光量子，简称为光子；单个光子携带的能量为=h；光强为I的光束，I=Nh，N为光子数,本章主要讲解四个方面问题：1）黑体辐射2）光电效应3）康普顿效应4）光的波粒二象性,康普顿散射装置如下图所示。X射线源发射一束波长为0的X射线，投射到一块石墨上。从石墨中出射的X射线沿着各个方向，这称为散射。散射光强度及其波长用X射线谱仪来测量。,康普顿接受爱因斯坦的观点，认为X射线的光子好比一个个小刚球，每一个不但有能量E=h，而且具有动量p=h/(=c)。,本章主要讲解四个方面问题：1）黑体辐射2）光电效应3）康普顿效应4）光的波粒二象性,光究竟是什么？从光在传播过程中发生的干涉、衍射、偏振(未讲)等现象来看，光具有波动的特性，可以用波长、频率和相位