第1 次 黑体 planck 光电效应.ppt

经典力学相对论力学,动量,动力学方程,动能,动量能量关系,对于光子,1）静止质量为零：,2）运动质量,3）动量,这正是光的波（波长、频率（干涉、衍射、偏振）、粒（动量、能量（光电效应等）二象性的体现。,第十九章量子物理学,物理学是一门实验科学，伽利略、牛顿等人对物理实验结果的总结，建立了经典力学。,经典物理学,第十九章量子物理学,十九世纪末，经典物理学已发展为非常完善的理论体系，该理论体系成功地解释热现象、电磁现象和光现象，并建立相应的学科，热力学和统计物理学、电磁学光学等学科。,经典物理学的困惑,十九世纪末、二十世纪初的一些新的物理实验对经典物理学产生了强有力的冲击。,为寻找绝对参考系而设计的麦克尔逊-莫雷实验，观察的结果否定绝对参考系的存在（1887）。,近代物理学的建立,利用经典统计理论解释黑体辐射现象的失败，使人们对物理学的基本概念有了新的认识,普朗克首先提出能量子的假说，并成功地解释黑体辐射现象。,爱因斯坦的光子学说，成功地解释光电效应现象建立光的波粒二象性理论,康普顿散射进一步证实光的粒子性,德布罗意提出实物粒子的波粒二象性假说，并由实验证明德布罗意波是几率波,在这些理论基础上，经众多物理学家的努力，建立了量子力学体系,玻尔利用量子化概念建立了氢原子模型，成功地解释氢原子光谱,薛定谔提出的薛定谔方程建立了量子力学的波动力学,约当、海森堡等人建立了量子力学的矩阵力学,19-1黑体辐射普朗克首先提出能量子假设,物质是由一些微小单元组成，最初人们认为物质是由原子组成。随着电子、质子和中子等粒子的发现，对物质的认识深入到更深的层次。,经典物理学认为能量是连续变化的，光是电磁波。这一观点能成功地解释光的干涉、衍射和偏振等现象。然而，利用电磁理论确无法解释辐射与物质之间相互作用，如黑体辐射、光电效应等现象。这一结果，迫使人们接受能量子的概念。,一、黑体黑体辐射,热辐射：任何物体，在高于绝对零度时都会发射电磁波，若物体中的分子、原子是受热激发而发射电磁辐射现象称热辐射。,热辐射的能量按波长具有一定的分布，能量分布与物体的温度有关。温度升高时，波长短（或频率高）的辐射能增加。,灰体：一般物体仅能部分吸收外来电磁辐射,基本性质：温度发射的能量电磁波的短波成分,热辐射,物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的现象。,因辐射与温度有关，故称热辐射,空腔黑体：用任何材料制成开小孔的空腔，由于入射电磁波在空腔壁多次反射而被吸收，近似视为黑体。教材Page301图,绝对黑体：在任何温度下，吸收所有外来电磁辐射的物体，称绝对黑体，简称黑体。理想模型,白天看远处的窗口特别黑，正是多次反射而很少射出光线的结果。,定量描述物体热辐射的物理量:,单色辐出度：热力学温度为T的物体的单位面积上，单位时间内，在单位波长范围内所辐射的电磁波能量，称单色辐射出射度，简称单色辐出度。,若温度为T的物体的单位面积上，向外侧半空间辐射能量，在单位时间内，波长在+d范围内的辐射能为dM，则：,单色辐出度：,单色辐射出射度单位：,单色辐射出射度单位：,辐出度：热力学温度为T的物体的单位面积上，在单位时间内，所辐射出的各种波长的电磁波的能量总和，称辐射出射度，简称辐出度。,定量描述物体吸收外来辐射的物理量:,若照射在温度为T物体的单位面积上,波长在+d范围内的辐射能dM,其中辐射能dM被吸收,dM被反射。,物体在温度T，对波长的辐射的单色吸收比和单色反射比为:,应有,对黑体：,研究黑体辐射的意义：,基尔霍夫定律：物体的单色辐出度与单色吸收比之比，仅是温度和波长的函数，与物体的性质无关。,黑体：,一般物体:,测量黑体辐射出射度实验装置,二、斯特藩-波尔兹曼定律维恩位移定律,1、测定黑体辐射出射度,黑体单色辐出度与波长（或频率）关系如下图：,辐射出射度即曲线下的面积,、斯特藩玻尔兹曼定律,斯特藩玻尔兹曼常量,3、维恩位移定律,常量,峰值波长,两者间的关系M(T)d=M(T)d,其中c是光速,三、黑体辐射的瑞利金斯公式经典物理的困难,瑞利、金斯利用经典理论得出的M(T)数学表达式,单色辐出度按频率分布,单色辐出度按波长分布,黑体的辐出度分布实验曲线与瑞利-金斯公式的比较,由理论和实验数据可知，瑞利-金斯公式与实验结果在低频（长波）区符合较好，但在高频（短波）区差别很大。,当频率增加时，瑞利-金斯公式给出的单色辐出度趋于无穷大，即紫外灾难。,此外，维恩由实验数据总结出维恩公式,维恩公式与实验结果在高频（短波）区符合很好，但在低频（长波）区差别很大,四普朗克假设普朗克黑体辐射公式（1900年）,普朗克常量,空腔壁上的带电谐振子吸收或发射的能量应为：,普朗克黑体辐射公式:,在全波段与实验结果惊人符合！,1900年12月14日，在德国物理学会上演讲:“能量不连续，只能是h的整数倍。”这一天定为量子力学的诞生日。1918年他被授予诺贝尔物理学奖金。,普朗克能量子假说将量子化概念引入物理学，奠定了近代物理学的基础。,光电效应,19-2光电效应光的波粒二象性,1887年，赫兹发现光电效应，1905年，爱因斯坦发展了普朗克能量量子化假说，提出光量子概念，并成功地解释光电效应实验的规律。,一、光电效应实验的规律,当紫外线透过石英玻璃照射在金属阴极K时，有电子逸出。在两极板（AK）的加速电压作用下，电子由极板K到A形成电流。,光电效应：在光照射下，电子从金属表面逸出的现象，叫做光电效应。光电子：逸出电子称光电子。光电流：逸出电子形成的电流。,自由电子不是产生光电效应的电子；能产生光电效应的是原子中量子化轨道上的价电子（即深层束缚电子）。,遏止电势差：使光电流为零的最小反向电压U0。,将K接正极，A接负极。KA之间的电压阻碍电子运动，称该电压为反向电压。,遏止电势差与光电子最大动能之间的关系,、饱和光电流Im：发生光电效应时，从电极K发射出的电子全部飞到A极，光电流达到稳定时的最大值。,从光电效应实验可归纳出如下规律:,光强较强,光强较弱,单位时间内受光照的金属板释放出的电子数与入射光强度成正比。,、对于某一种金属，当入射光的频率大于某一频率0时，才有光电子从金属表面逸出，并形成光电流。如果入射光的频率小于该频率，无论光强多大，都无光电子逸出。,截止频率：上述频率0（也称红限频率）,、用不同频率光照射金属时，当入射光频率大于截止频率时，遏止电势差与入射光频率具有线性关系。,、当入射光频率大于截止频率，光照射在金属表面时，在极短时间内就有光电子逸出，即光电子效应的瞬时性。,外光电子效应：光照射在金属表面而产生的光电效应。,内光电子效应：光入射金属内部，在金属内部产生光电子，增加物体的导电性。,经典理论的困难：,光的波动理论认为阴极中的电子在入射光的波阵面获得能量，光强越大，电子能量越高。,1、光电子的能量（最大初动能）与光强成正比与频率无关。,2、红限问题：光强足够大，任何频率的光都会产生光电效应。,3、瞬时性问题：入射光强度较弱时，光电子需较长时间才能积累足够能量逸出金属表面。,结论,经典理论无法解释光电效应实验规律,故得：,二光子爱因斯坦方程,（1）“光量子”假设,光子的能量为,爱因斯坦提出，光束可看成由微粒子组成的粒子流，这些粒子称光量子，简称光子。光子的速度c=3.0108ms-1,光子的能量与光的频率成正比，光的频率越高，光子的能量就越大。光束的能量与光子数和光子能量有关。,（2）爱因斯坦方程对光电效应的解释,逸出功（与材料有关）,对同一种金属，一定，与光强无关,逸出功,逸出金属表面光电子的初动能,光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电子数目越多，光电流越大。（时）,光子射到金属表面，一个光子携带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（瞬时性）。,（3）的测定,爱因斯坦方程,密立根测量了钠的遏止电势差与入射光频率是线性关系。,例题,光电效应实验，已知阴极材料的逸出功A，照射光的频率o，求：（1）红限o；（2）遏止电压Ua。,