15-1普朗克假设-光电效应

引言,当时，著名的英国物理学家J.J.汤姆孙曾说道：,“物理学的大厦已基本建成，,后辈物理学家只要做些修补工作就行了。”,十九世纪末，人们感到经典物理似乎可以解决所有问题。,第15章量子物理,1.“寻找以太的零结果”,2.热辐射的“紫外灾难”。,晴朗的物理学天空中出现的“两朵乌云”：,导致物理学的一场革命,从经典物理走向了近代物理。,1.相对论1905狭义相对论1916广义相对论引力、天体2.量子力学(1)旧量子论的形成：1900Planck振子能量量子化1905Einstein电磁辐射能量量子化1913N.Bohr原子能量量子化,近代物理（20世纪）包括：,1925Heisenberg矩阵力学,(2)量子力学的建立：,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,(3)量子力学的进一步发展：,1924deBroglie物质波,1928Dirac相对论波动方程,1927Davisson，G.P.Thomson电子衍射实验,1926Schroedinger波动方程,蛇吞尾图,宇观,宏观,介观,微观,就是狭义相对论（1905）、广义相对论（1916）,“在本世纪初，发生了三次概念上的革命，,它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，,和量子力学（1925）。”,这,正如杨振宁在爱因斯坦对理论物理学的,影响一文（1979）所说：,现代物理学是高新技术的基础和先导：,信息技术的物理基础,量子力学、固体物理和近代光学,一、波粒二象性(1-7),二、薛定谔方程(8),三、氢原子，原子中的电子(910),量子物理主要内容:,15-1黑体辐射普朗克能量子假设,太阳辐射能E关系,(一).热辐射黑体辐射,1.热辐射,物体由于受热而辐射电磁波，,热辐射与温度有关,运动时各部分温度的分布,红外夜视图,2.绝对黑体模型,黑体:能完全吸收各种频率的电磁波而无反射的物体.,好的吸收体是好的辐射体.,“黑体不黑!”,黑体也是最佳辐射体(黑体辐射),无外界杂光反射可精确测量,普适性,研究绝对黑体辐射意义：,黑体是理想模型,小孔空腔,维恩设计的黑体,小孔空腔,电磁波射入小孔后，经多次反射后，很难再从小孔射出。,黑体辐射与温度的关系:,1.两个定义,（1）单色辐出度：M(T)单位时间内，物体单位面积上，在附近单位波长间隔所辐射的能量。,(二).黑体辐射的实验规律:,（2）辐出度：M(T)黑体在单位时间，单位面积上，所辐射出的各种波长的总能量。,2.绝对黑体的单色辐出度的实验曲线,M(T),0123456,(m),1700K,1500K,1300K,1100K,实验曲线的特点：,1).中间高，两头小；,2).T升高，M增大，峰值蓝移,(三).黑体辐射的实验定律,1.斯特藩-玻尔兹曼定律,M(T),01234,(m),1500K,1100K,总辐出度,曲线下面积=总辐射本领M(T)，并且TM(T),应用：降低飞机、坦克、军舰等表面温度,以防红外导弹攻击。,2.维恩位移定律,M(T),01234,(m),1500K,1100K,峰值波长,钢水,应用：遥感和红外追踪，光测高温、测量太阳等星体表面的温度,或炉体内温度,例1：书上思考题15-5：太阳表面发射的光可看作是温度为6000K的黑体的电磁辐射。那么，一个红色的脉冲星的表面温度是高于6000K还是低于6000K呢？,解：根据维恩位移定律,先计算太阳的单色辐出度的峰值波长m.,红色的脉冲星m650nm,其表面温度应低于6000K.,(四).经典物理学遇到的困难-如何解释黑体辐射实验曲线？,M(T)=?,瑞利-金斯公式,但是，由经典理论导出的M(T)公式都与实验结果不符合！,2.维恩公式：,1.瑞利金斯公式,（经典的能量均分定理）,电磁波谐振子振动，谐振子每个自由度的平均能量为kT,经典电磁理论的解释,短波偏移,长波偏移,能量0连续,(五)普朗克能量子假说,该公式与实验数据符合得很好！,内插法：,黑体辐射是由一维谐振子组成，这些谐振子在吸收或辐射电磁能量时，能量只能是基本单元能量子的整数倍。,量子数,经典：能量是连续的(从0到大),普朗克量子假设：,=0,20,30,n0,吸收与辐射的能量只能取不连续值：,这是物理学史上第一次提出量子的概念.由于这一概念的革命性和重要意义,普朗克获得了1918年的诺贝尔物理学奖.,能量不连续,(一)、光电效应的实验规律,光电效应：,在光照射下，电子从金属表面逸出的现象。,15-2光电效应（photoelectriceffect）,逸出的电子称为“光电子”。,1899年(英)汤姆生实验e/m=?,hv,I,U0,O,U,光强E较强,光强E较弱,饱和电流Is,1、饱和电流与入射光强成正比,(一)、光电效应的实验规律,2、对每一种金属，存在相应的截止频率0(红限频率)，当入射光频率0时，即使光强再强，也没有光电流产生。,光强E一定电压U光电流I饱和,饱和值IS与入射光强E成正比,4、光电效应的瞬时性:,既使很弱的光!,3、遏止电势差U0与入射光频率成线性关系，而与光强无关。,不同金属材料,0不同,但斜率同,反向电压UU0无光电流,0,几种金属的截止频率和逸出功,(二)、经典电磁理论的困难,按照光的波动说光能量光振幅2,(1)饱和电流I,一定光强E电压U光电流I饱和,饱和值I与入射光强E成正比,(3)遏止电压U0,(2)截止频率0(红限),0的光照射无光电效应,与入射光频率成正比,(4)弛豫时间(10-9s),U0与光强无关,照射后即刻产生光电流,(三）爱因斯坦光子假设爱因斯坦方程,光量子具有“整体性”：一个光子将它的全部能量给了一个电子,光是一束以c运动着的粒子流，这些粒子叫光量子(简称光子)，每一个光子所带能量=h.,1“光量子”假设,（1905年）,光的波粒二象性,2.爱因斯坦方程：,依能量守恒定律：,爱因斯坦光电效应方程,电子吸收了一个能量为h的光子，,金属离子浸在电子海中,另一部分为逸出时的动能(1/2)mv2,金属,一部分用来克服金属表面的逸出功W,几种金属逸出功的近似值(eV),初动能与频率有关，与光强无关。,或：,W称为“逸出功”：电子克服金属表面对它的束缚刚好逸出时，所需作的功。,1).解释光电流与光强成正比,光强为I的光量子（光子）组成的单色光，设光子数为n，则：,为单色光频率,光强越大，光子数n越多，产生的电子数也越多,即光电子数与光强成正比。,光子理论对光电效应的解释：,2.红限频率：由,存在红限频率：,hW时才能产生光电效应；,当光子的能量恰好等于逸出功时，即hv0=W，,3遏止电势差与入射光频率成正比：,外加反向的遏止电势差恰能阻碍光电子到达阳极,即,hv,4.解释瞬时性：,爱因斯坦理论圆满地解释了光电效应。1921年因此获诺贝尔奖。,一个光子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.,1916年密立根（R.A.Milikan）做了精确的光电效应,实验，,利用U0的直线斜率K，,这和当时用其他方法定出的h符合得很好。,从而进一步,证实了爱因斯坦的光子理论。,定出h=6.5610-34J.s。,例1一半径为的薄圆片，距光源1.0m.光源的功率为1W，发射波长589nm的单色光.假定光源向各个方向发射的能量是相同的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数.,解,例2、已知波长=450nm的单色光射到钠表面，求(1)这种光子的能量、动量、质量；(2)逸出钠表面的光电子的初动能。(3)截止电压;(4)钠的截止波长,解(1),(3)截止电压：,(4)钠的截止波长,可见光(绿),(2)光电子的初动能，已知W=2.28eV,光电效应的应用：,2）.光电倍增管:灵敏度高，弱光探测,3）.光电成像器件,4）.光电池,光电倍增管,1）.光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.,(四).光的波粒二象性（dualism）,怎样理解光的本性？光是波动还是粒子？,光既有波动性，又有粒子性，即光具有波粒二象性，这是光的本性.,光的本性：,(1)波动性：光的干涉和衍射,（2）粒子性：（光电效应等）,但仅可见光紫外光的实验,而其仅占整个电磁波范围极少部分,因此，仍有物理学家们对此光子概念有疑虑,表现出粒子性的实验：光电效应和康普顿散射。,光子具有能量、质量、动量,h的物理意义,粒子的能量和动量关系,光线在强引力场中而发生弯曲,*,星的实际位置,星的视觉位置,证明光子具有质量的实验：,光子具有动量：慧星的尾巴总是朝向远离太阳的一边正是由于太阳光压所引起。,电磁波谐振子振荡，谐振子能量辐射场能量，,谐振子在每个自由度上的能量可能值0,经典统计物理玻尔兹曼分布能量为的概率:,谐振子在每个自由