早期量子理论1(热辐射光电效应.ppt

1 量子物理 2 近代物理学概论近代物理学 大体说来 是相对于20世纪以前 以牛顿力学 热力学和麦克斯韦电磁学为核心的经典物理学而言的 近代物理学的研究对象 包括各种聚集态物质的微观结构 原子 原子核 基本粒子 等等各个层次内部结构以及它们的相互作用和运动变化的规律等 它的两大支柱是相对论和量子力学 3 近代物理 20世纪 相对论1905狭义相对论1916广义相对论 引力 天体 量子力学A旧量子论的形成 冲破经典 量子假说 1900Planck振子能量量子化1905Einstein电磁辐射能量量子化 4 1913N Bohr原子能量量子化B 量子力学的建立 崭新概念 1923deBroglie电子具有波动性1926 27Davisson G P Thomson电子衍射实验1925Heisenberg矩阵力学1926Schroedinger波动方程1928Dirac相对论波动方程 5 C 量子力学的进一步发展 应用 发展 量子力学 原子 分子 原子核 固体量子电动力学 QED 电磁场量子场论 原子核和粒子进一步认识的问题 6 本课程的主要教学内容 量子理论的基本概念量子力学解决问题的基本思路和方法对象的特点 1 微观 对象线度小活动范围小 米 2 粒子除了具有粒子性还具有明显的波动性3 粒子的能量角动量等物理量取值分立完全脱离了经典物理的模式 7 讲课思路 1 突破性的实验实验规律 应掌握 经典理论的困难假设确立新理论2 实物粒子的波粒二象性及量子力学解决问题的基本方法3 证明量子理论的一些重要实验 应掌握 4 量子力学的应用举例 8 敲开量子物理大门的首要问题是关于光的本质的认识光具有波动性已被大量实验证明但与物质相互作用的大量实验使经典的波动理论遇到无法克服的困难论述由此展开 9 量子物理初步 1热辐射和普朗克的能量子假说 2光电效应和爱因斯坦的光量子论 3德布罗意波与电子衍射实验 4不确定关系 5薛定谔方程 10 1黑体辐射和能量子假说一 热辐射二 黑体辐射的实验规律三 经典物理学遇到的困难四 普朗克的能量子假说和黑体辐射公式五 量子假说的意义及其与宏观现象的关系 11 一 热辐射 1 热辐射的定义 物体在任何温度下都向周围空间发射各种波长的电磁辐射 称为热辐射 一定时间内物体辐射的电磁波的能量的多少及频率的分布均与物体的温度有关 12 2 描述热辐射的基本物理量1 单色辐出度 定义 单位时间内从物体单位表面发出的波长在 附近单位波长间隔内的能量 公式 单位时间内 T 单位面积 13 2 总辐出度 总辐射本领 定义 单位时间从物体单位表面积上所发射的各种波长的总辐射能 公式 单位 w m2 14 二 黑体辐射的实验规律研究热辐射的理想模型 黑体1 定义 如果一个物体在任何温度下 都能全部吸收任何波长的入射电磁波 而没有反射 这个物体就叫做绝对黑体 简称黑体 黑体所发出的辐射 称为黑体辐射 15 2 黑体模型 空腔上的小孔炼钢炉上的小洞 向远处观察打开的窗子近似黑体 16 2 黑体辐射实验规律 1 实验规律一维恩位移定律 在温度为T的黑体辐射中 单色辐出度的最大值所对应的波长由下式决定 b 2 898 10 3m K 物理意义 温度升高 辐出度最强的电磁波波长变短 17 5 67 10 8W m2K4 2 实验规律二斯特藩 玻耳兹曼定律 黑体在一定温度下的总辐出度由下式决定 曲线与横轴围的面积就是M T 例题12 1 12 2 18 三 经典物理学遇到的困难 如何从理论上找到符合实验的函数式 理论物理学家做了艰苦地努力 为常数 1896年维恩从经典热力学理论及实验数据的分析得出 1 维恩公式 短波方向与实验符合较好 19 2 瑞利 金斯公式1900年从经典电动力学和统计物理学理论推导而得 长波方向与实验符合较好短波方向得出灾难性的结论 紫外灾难 经典物理有难 20 由经典理论导出的M T 公式都与实验结果不符合 物理学晴朗天空中的一朵乌云 21 四 普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 M Planck德国人1858 1947 22 1 普朗克的能量子假说 内容 1 辐射体是由许多带电的线性谐振子 如分子 原子的振动 所组成的 2 谐振子所具有的能量只能是最小能量 叫作能量子 的整数倍 即3 能量子吸收和发射能量的最小值为 23 普朗克能量子假定 振子的能量不连续E n n 1 2 3 h 能量子 基本物理思想 辐射黑体中的分子原子可看作线性谐振子振动时向外辐射能量 也可吸收能量 物体发射或吸收电磁辐射时交换能量的最小单位是 能量子 h 24 由此得到了 2 普朗克的热辐射公式 普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖 25 实验物理学家鲁本斯 Rubens 把它同最新的实验结果比较发现 在全波段与实验结果惊人符合 26 六 量子假说的意义及其与宏观现象的关系 h E n n 1 2 3 打破 一切自然过程能量都是连续的 经典看法说明了宇宙辐射背景T 3K敲开量子力学的大门 27 例 设想一质量为m 1g的小球悬挂在一个小轻弹簧下面作振幅A 1mm的谐振动弹簧的劲度系数k 0 1N m按量子理论计算此弹簧振子的能级间隔多大 减少一个能量子时振动能量的相对变化是多少 解 弹簧振子的频率 为什么在宏观世界中观察不到能量分立的现象 28 能级间隔 振子能量 相对能量变化 29 这样小的相对能量变化在现在的技术条件下还不可能测量出来现在能达到的最高的能量分辨率为 所以宏观的能量变化看起来都是连续的 经典 能量 量子 30 2光的粒子性 一 光电效应的几个概念 1 光电效应 金属被光照射时 有电子从金属表面逸出的现象叫光电效应 实质 电子吸收光的能量 克服金属的束缚 发射出来 2 光电子 逸出的电子叫光电子 3 光电流 光电子的定向运动就形成光电流 31 1 实验装置 二 光电效应的实验定律 问题一 电压表测哪部分电路电压 问题二 电流表测哪部分电路电流 32 33 2 实验条件 入射光的频率一定 阴极K的材料一定 3 对实验曲线的分析 实验定律及结论 当光电管加正向电压时 电流表可测得光电流 正向电压增大 电流增大 并存在饱和电流 1 实验定律一 35 2 实验定律二 当光电管加反向电压时 存在截 遏 止电压 36 实验所得曲线 37 3 实验定律三 要想光电管发生光电效应 光的频率必须要大于某个数值 也就是存在截止频率对于一种材料 入射光频率与截止电压 光电子初动能 成正比 38 4 实验定律四 光电效应的瞬时性 从光线开始照射直到金属释出电子 无论光强如何 几乎是瞬时的 其时间间隔不超过 39 三 波动理论所遇到的困难 经典电磁理论 光波的能量与振幅的平方成正比 即决定于光的强度 光电子的初动能应决定于光的强度 与实验矛盾 只要光强足够大 就可产生光电效应 与定律三矛盾 如果光强很弱 光电子从光波中吸收能量就需要一定的时间 与定律四矛盾 40 且光量子具有 整体性 光的发射 传播 吸收都是量子化的 一个电子一次只能吸收 发射一个光子 光是一粒一粒以光速运动着的粒子流 这些光粒子称为光量子 简称光子 每一光子的能量是光的强度I决定于单位时间内通过单位面积的光子数N 即 h 1 爱因斯坦光量子假设 1905年 四 爱因斯坦的光量子论 41 2 光电效应方程 爱因斯坦方程 1 内容 一个电子吸收一个光子的能量后 一部分用于从金属中逸出所需的逸出功A 另一部分则转化为电子的初动能 2 公式 A 逸出功 光电效应方程 42 3 光子理论对光电效应的解释 1 存在一饱和电流 且此饱和电流正比于光强光强I Nh 光强一定 则N一定 打出的最多电子数就是N 即存在一饱和电流Im I 光子数N 打出光电子多 Im 2 43 3 存在截止频率 当 A h时不发生光电效应 截止频率 4 光电效应的瞬时性 当金属中的自由电子与光子相遇时 电子将立即吸收光子的能量 且只要 电子就立即从金属中逸出 成为光电子 而不需要时间以积累能量 44 1916年密立根实验 h 6 57 10 34Js 证实了爱因斯坦理论 45 爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖 密立根由于研究基本电荷和光电效应 特别是通过著名的油滴实验 证明电荷有最小单位而获得1923年诺贝尔物理学奖 46 五 光子的性质 能量 质量 但光子静止质量m0 0 动量 47 六 光的波粒二象性 1 近代认为光具有波粒二象性 2 基本关系式 粒子性 能量 动量P数量N 波动性 波长 频率 振幅E0 一些情况下突出显示波动性一些情况下突出显示粒子性 不是经典的波不是经典的粒子 不是单