量子物理学的实验基础.ppt

辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式 物体在任何温度下都在发射各种波长的电磁波 因这种辐射与温度有关 故称热辐射 热的物体 如高炉 有热辐射 冷的物体 如冰 也有热辐射 温度不同 热辐射的电磁波的能量不同 温度越低 辐射本领越弱 辐射的波长越长 热辐射波谱是连续谱 各种波长 频率 都有 热辐射的电磁波的能量对波长有一个分布 26 1黑体辐射普朗克量子理论一 热辐射 一 热辐射 炼钢的热辐射 单色辐出度 二 黑体辐射 随物而异 故亦随物而异 随物而异 三 黑体辐射的实验模型 四 黑体辐射测量系统示意图 黑体 小孔表面 T 集光透镜 平行光管 会聚透镜及探头 对黑体加热 会放出热辐射 分光元件 如棱镜或光栅等 将不同波长的辐射按一定的角度关系分开 转动探测系统测量不同波长辐射的强度分布 通过光栅可得到黑体辐射的频谱 通过热电偶可得到黑体辐射的光谱辐出度 再推算出黑体单色辐出度按波长的分布 1 黑体单色辐出度实验曲线 曲线随T升高而提高曲线下面积 MB随T升高而增大 MB T 随 连续变化 每条曲线有一峰值 对应峰值波长 m 峰值波长 m随T升高减小 五 黑体辐射的基本规律 曲线与横轴围的面积就是MB 2 黑体的辐射实验定律 1 斯特藩 玻耳兹曼实验定律1879年德国物理学家斯特藩从实验 得到 1884年玻耳兹曼由光的电磁理论和热力学证实有如下结果 五 黑体辐射的基本规律 5 67051 10 8W m2 K4 斯特藩常数 2 黑体的辐射实验定律 2 维恩位移实验定律1893年德国物理学家维恩从实验 根据电磁理论和热力学理论得到斯特藩 玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温 遥感和红外追踪等的物理基础 19世纪末 物理学最引人注目的课题之一 从理论上导出与实验相符黑体单色辐出度表达式 五 黑体辐射的基本规律 b 2 897756 10 3m K 六 瑞利 金斯公式 1900年瑞利 金斯利用经典电动力学和统计力学电磁辐射理论得到一个公式 此公式在短波区域明显与实验不符 而理论上却找不出错误 当波长变短 辐出度趋于无穷大 这称为 紫外灾难 七 普朗克公式 八 普朗克能量子假说 普朗克注意到在过去的理论中 把黑体中的原子和分子都看成可以吸收或辐射电磁波的谐振子 且电磁波与谐振子交换能量时可以以任一大小的分额进行 从0到 大 普朗克当时大胆地放弃了这一概念 提出了能量的吸收与辐射只能按不连续的一份一份能量进行 八 普朗克能量子假说 普朗克从这些假设出发可以得到他的黑体辐射公式 普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安 只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后 他才坚定地相信h的引入确实反映了新理论的本质 1918年他荣获诺贝尔物理学奖 石英窗 将换向开关反接 电场反向 则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用 26 2光电效应爱因斯坦光子理论一 光电效应的实验规律 光电效应当波长较短的可见光或紫外光照射到某些金属表面上时 金属中的电子就会从光中吸取能量而从金属表面逸出的现象 金属板释放的电子称为光电子 光电子在电场作用下在回路中形成光电流 结论1 单位时间内 受光照的金属板释放出来的电子数和入射光的强度成正比 1 饱和电流实验表明 在一定强度的单色光照射下 光电流随加速电势差的增加而增大 但当加速电势差增加到一定量值时 光电流达饱和值 如果增加光的强度 相应的也增大 2 遏止电势差如果使负的电势差足够大 从而使由金属板表面释放出的具有最大速度的电子也不能到达阳极时 光电流便降为零 此外加电势差的绝对值叫遏止电势差 实验表明 遏止电势差和入射光的频率之间具有线性关系 结论2 光电子从金属表面逸出时具有一定的动能 最大初动能与入射光的强度无关 3 遏止频率 为光电效应的红限 遏止频率 4 弛豫时间实验表明 从入射光开始照射直到金属释放出电子 无论光的强度如何 这段时间很短 不超过 结论3 光电子从金属表面逸出时的最大初动能与入射光的频率成线性关系 当入射光的频率小于时 不管照射光的强度多大 不会产生光电效应 二 爱因斯坦光子理论 质量 m e 动量大小 p c h l 则光子的 光子的 二 爱因斯坦光子理论 三 爱因斯坦光电效应方程 金属中一个电子吸收一个光子的能量 频率为的光 n 一个光子的能量为 照射金属表面 A 爱因斯坦因此而获得了1921年诺贝尔物理学奖 四 康普顿效应 X射线发生散射 五 康普顿偏移公式 1 散射后X光子的波长及其光子能量 2 散射后光子传递给电子的能量 即 反冲电子的动能 什么时候该值最大呢 3 反冲电子的最大动能 4 反冲电子的运动方向 j p 26 5德布罗意的物质波一 光的波粒二象性 光的波动性 光的粒子性 26 5德布罗意的物质波一 光的波粒二象性 摄影底板或显微观察 二 德布罗意波假设 1923年他提出电子既具有粒子性又具有波动性 1924年正式发表一切物质都具有波粒二象性的论述 并建议用电子在晶体上做衍射实验来验证 1927年被实验证实