第次黑体planck光电效应学习教案

1、会计学1第第 次次 黑体黑体(hit) planck 光电效应光电效应第一页，共38页。对于对于(duy)光光子子0 mm2202)(pcEE1）静止）静止(jngzh)质量质量为零：为零：2）运动）运动(yndng)质质量量00m22chcEm3）动量）动量hEcchp这正是光的波（这正是光的波（波长、频率（干涉、衍射、偏振）波长、频率（干涉、衍射、偏振）、粒）、粒（动量、能量（光电效应等）动量、能量（光电效应等）二象性的体现。）二象性的体现。Ehph描述光的描述光的 粒子性粒子性 描述光的描述光的 波动性波动性第1页/共38页第二页，共38页。第十九章第十九章量子量子(lingz)物理学物

2、理学第2页/共38页第三页，共38页。 物理物理(wl)学是一门实验科学，伽利略、牛顿学是一门实验科学，伽利略、牛顿等人对物理等人对物理(wl)实验结果的总结，建立了经典力学实验结果的总结，建立了经典力学。经典经典(jngdin)物理学物理学第十九章第十九章 量子量子(lingz)物理学物理学 十九世纪末，经典物理学已发展为非常完善的理论十九世纪末，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。光学等学科。

3、第3页/共38页第四页，共38页。经典经典(jngdin)物理学的困物理学的困惑惑十九世纪末、二十世纪初的一些新的物理十九世纪末、二十世纪初的一些新的物理(wl)实验对经实验对经典物理典物理(wl)学产生了强有力的冲击。学产生了强有力的冲击。瑞利和金斯利用经典物理的能均分定理能很好地解释辐瑞利和金斯利用经典物理的能均分定理能很好地解释辐射能分布的长波成分，而在短波区能量产生发散困难，射能分布的长波成分，而在短波区能量产生发散困难，称称紫外灾难紫外灾难（1890）利用经典理论解释利用经典理论解释黑体辐射黑体辐射现象的失败。现象的失败。为寻找绝对参考系而设计的麦克尔逊为寻找绝对参考系而设计的麦克尔

4、逊-莫雷实验莫雷实验(shyn)，观，观 察的结果否定绝对参考系的存在（察的结果否定绝对参考系的存在（1887）。）。经典物理无法解释这些新的物理现象经典物理无法解释这些新的物理现象第4页/共38页第五页，共38页。近代近代(jndi)物理学物理学的建立的建立利用经典统计理论解释黑体辐射现象利用经典统计理论解释黑体辐射现象(xinxing)的失败，使人们对的失败，使人们对 物理学的基本概念有了新的认识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，并成功地解释黑体普朗克首先提出能量子的假说，并成功地解释黑体(hit)辐射辐射 现象。现象。爱因斯坦的爱因斯坦的光子光子学说，成功地解释光电

5、效应现象建立光的波粒二象性理论学说，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康普顿散射进一步证实光的粒子性麦克尔逊麦克尔逊-莫雷实验的结果莫雷实验的结果 狭义相对论的建立狭义相对论的建立否定绝对参考系的存在否定绝对参考系的存在黑体辐射现象的解释黑体辐射现象的解释量子力学的建立量子力学的建立第5页/共38页第六页，共38页。德布罗意提出实物粒子的波粒二象性假说，并由实验德布罗意提出实物粒子的波粒二象性假说，并由实验(shyn)证明德布罗意波是几率波证明德布罗意波是几率波在这些理论基础在这些理论基础(jch)上，经众多物理学家的努力，建立了量子力学体系上，经众多物

6、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玻尔利用量子化概念建立了氢原子模型(mxng)，成功地解释氢原子光谱，成功地解释氢原子光谱薛定谔提出的薛定谔提出的薛定谔方程薛定谔方程建立了量子力学的波动力学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约当、海森堡等人建立了量子力学的矩阵力学第6页/共38页第七页，共38页。19-1 黑体辐射黑体辐射(fsh) 普朗克首先提出能量子假设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，对物质的认识物质是由一些微小单元组成，最初人们认为物质是由原

7、子组成。随着电子、质子和中子等粒子的发现，对物质的认识(rn shi)深入到更深的层次。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(xinxing)。 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(xinxing)。这一结果，迫使人们接受能量子的概念。这一结果，迫使人们接受能量子的概念。第7页/共38页第八页，共38页。一、一、

8、 黑体黑体(hit) 黑体黑体(hit)辐射辐射 热辐射：任何物体，在高于绝对零度时都会发射电磁波热辐射：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，若物体中的分子、原子是受热激发(jf)而发射电磁而发射电磁辐辐射现象称热辐射。射现象称热辐射。 热辐射的能量热辐射的能量(nngling)按波长具有一定的分布，能量按波长具有一定的分布，能量(nngling)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。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。灰灰 体体：一般物体仅能部分吸收外来电磁辐射：一般物体仅能部分吸收外来电磁辐射基

9、本性质：基本性质： 温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波的短波成分电磁波的短波成分 第8页/共38页第九页，共38页。热辐射热辐射 物体物体(wt)在任一温度下发射从红外线、可见光到在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的现象。紫外线的现象。火火炉炉600度度1000度度400度度因辐射因辐射(fsh)与温度有关，故称热与温度有关，故称热辐射辐射(fsh)第9页/共38页第十页，共38页。空腔黑体：用任何材料制成开小孔的空腔，由于空腔黑体：用任何材料制成开小孔的空腔，由于(yuy)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

10、Page 301 图图绝对黑体：在任何温度绝对黑体：在任何温度(wnd)下，吸收所有外来电磁辐射的物体，下，吸收所有外来电磁辐射的物体， 称绝对黑体，简称黑体。理想模型称绝对黑体，简称黑体。理想模型 白天白天(bi tin)看远处的窗口特别黑，正是多次反射而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。很少射出光线的结果。第10页/共38页第十一页，共38页。定量描述定量描述(mio sh)物体热辐射的物理量物体热辐射的物理量:单色辐出度：热力学温度为单色辐出度：热力学温度为 T 的物体的物体(wt)的单位面积上，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，单位时间

11、内，在单位波长范围内所辐射的电磁波能量， 称单称单色辐射出射度，简称单色辐出度。色辐射出射度，简称单色辐出度。 若温度为若温度为 T 的物体的单位面积上，向外侧半空的物体的单位面积上，向外侧半空间辐射能量，在单位时间间辐射能量，在单位时间(shjin)内，波长在内，波长在 +d 范围内的辐射能为范围内的辐射能为dM，则：，则：单色辐出度：单色辐出度：ddMTM)(单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：Hz)W/(m2)(TM单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：)(TM3W/m第11页/共38页第十二页，共38页。辐出度：热力学温度为辐出度：热力学温度为 T 的物体的单位面积上的物体的

12、单位面积上，在单位时间内，所辐，在单位时间内，所辐射射(fsh)出的各种波长出的各种波长的电磁波的能量总和，的电磁波的能量总和，称辐射称辐射(fsh)出射度，出射度，简称辐出度。简称辐出度。0)()(dTMTM0 2 4 6 8 10 12Hz10/14钨丝和太阳的单色辐出度曲线钨丝和太阳的单色辐出度曲线21210468)HzW/(m10)(28TM太阳太阳可见可见光区光区 钨丝（钨丝（5800K5800K） 太阳太阳（5800K5800K）)HzW/(m10)(29TM钨丝钨丝0d)()(TMTM第12页/共38页第十三页，共38页。定量描述定量描述(mio sh)物体吸收外来辐射的物理量物

13、体吸收外来辐射的物理量:若照射在温度为若照射在温度为 T 物体的单位面积上物体的单位面积上, 波长在波长在 +d 范围内的辐射能范围内的辐射能 dM , 其中其中(qzhng)辐射能辐射能 dM 被吸收被吸收, dM 被反射。被反射。物体在温度物体在温度T T ，对波长，对波长(bchng)(bchng)的辐射的单色吸收的辐射的单色吸收比和单色反射比为比和单色反射比为: :dMMdT),(dMMdT ),(应有应有1),(),(TT对黑体对黑体：0),(; 1),(TT第13页/共38页第十四页，共38页。研究研究(ynji)黑体辐射的意义：黑体辐射的意义：基尔霍夫定律：物体基尔霍夫定律：物体

14、(wt)的单色辐出度与单色吸收比的单色辐出度与单色吸收比之比，仅是温度和波长的函数，与物体之比，仅是温度和波长的函数，与物体(wt)的性质无的性质无关。关。),(),()(TfTTM黑黑 体：体：1),(T),()(TfTMB一般物体一般物体:)(),()(TMTTMB第14页/共38页第十五页，共38页。测量黑体辐射测量黑体辐射(fsh)出射度实验装置出射度实验装置T1Ls 会聚透镜会聚透镜2Lc空腔空腔小孔小孔平行光管平行光管棱镜棱镜热电偶热电偶第15页/共38页第十六页，共38页。0)()(dTMTM（因为辐出度（因为辐出度:）)mW10/()(314TMnm/可见光区可见光区m0100

15、020005 . 00 . 1K6000K3000)mW10/()(127HzTM)01/(15Hz可见光区可见光区m05 . 00 . 1K6000K30005 . 00 . 1)(a)(b二二 、斯特藩、斯特藩-波尔兹曼定律波尔兹曼定律(dngl) 维恩位移定律维恩位移定律(dngl)1 、测定黑体、测定黑体(hit)辐射出射度辐射出射度黑体单色辐出度与波长（或频率黑体单色辐出度与波长（或频率(pnl)）关系如下图：）关系如下图：辐射出射度即曲线下的面积辐射出射度即曲线下的面积第16页/共38页第十七页，共38页。0 1000 20001.00.5 )mW10/()(314TMnm/、斯特

16、藩、斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律(dngl)(dngl)04( )( )dM TMTT428KmW10670. 5斯特藩斯特藩玻尔兹曼常量玻尔兹曼常量3、维恩位移、维恩位移(wiy)定律定律mTbKm10898. 23b常常量量峰值峰值(fn zh)波长波长可见光区可见光区3000K3000Km6000K6000K第17页/共38页第十八页，共38页。单色辐出度用波长、热力学温度单色辐出度用波长、热力学温度 T表示表示 M(T)单色辐出度用频率、热力学温度单色辐出度用频率、热力学温度 T表示表示 M(T)两者间的关系两者间的关系(gun x) M(T)d = M(T)d 2( )( )MTM

17、Tc其中其中(qzhng) c (qzhng) c 是光速是光速dcddddc20第18页/共38页第十九页，共38页。三、三、 黑体辐射黑体辐射(fsh)的瑞利的瑞利金斯公式金斯公式 经典物理经典物理的困难的困难瑞利、金斯利用经典理论得出瑞利、金斯利用经典理论得出(d ch)的的M(T)数学表达式数学表达式kTdcdTM222)(单色辐出度按频率分布单色辐出度按频率分布kTdcdTM42)(单色辐出度按波长分布单色辐出度按波长分布黑体的辐出度分布实验曲线黑体的辐出度分布实验曲线(qxin)与瑞利与瑞利-金斯公式的比较金斯公式的比较)(TM瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式*实验曲线实验曲线T

18、 = 2000 K)(TM瑞利瑞利 - - 金斯公式金斯公式*实验曲线实验曲线T = 2000 K紫外灾难紫外灾难第19页/共38页第二十页，共38页。由理论由理论(lln)和实验数据可知，瑞利和实验数据可知，瑞利-金斯公式与实验结果在低频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。（长波）区符合较好，但在高频（短波）区差别很大。当频率增加当频率增加(zngji)时，瑞利时，瑞利-金斯公式给出的单色辐出度趋于金斯公式给出的单色辐出度趋于无穷大，即紫外灾难。无穷大，即紫外灾难。此外，维恩由实验数据总结出维恩公式此外，维恩由实验数据总结出维恩公式deCdTMTC251)

19、(维恩公式维恩公式(gngsh)与实验结果在高频（短波）区与实验结果在高频（短波）区符合很好，但在低频（长波）区差别很大符合很好，但在低频（长波）区差别很大维恩公式与实验结果维恩公式与实验结果( )MT1600K维恩定律维恩定律实验结果实验结果瑞利瑞利-金斯定律金斯定律第20页/共38页第二十一页，共38页。四四 普朗克假设普朗克假设 普朗克黑体普朗克黑体(hit)(hit)辐射公式（辐射公式（1900 1900 年）年）sJ106260755. 634h 普朗克常量普朗克常量 Eh1h2h3h4h5h6), 3 ,2, 1(nnhE 普朗克认为：金属空腔壁中普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动

20、可视为一维谐振子，电子的振动可视为一维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量时它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过去经典物理认为的那样，不是过去经典物理认为的那样可以可以连续连续的吸收或发射能量，而的吸收或发射能量，而是以与振子的频率成正比的是以与振子的频率成正比的能量能量子子 为单元来吸收或发为单元来吸收或发射能量。射能量。h空腔壁上的带电空腔壁上的带电(di din)谐振子吸收或发射的能量应谐振子吸收或发射的能量应为：为：第21页/共38页第二十二页，共38页。普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式:1124)(23KThechcTM黑体辐射实验值和普朗克公式理论曲线比较黑体辐射实验值和普朗克公

21、式理论曲线比较MO在全波段与实验结果惊人在全波段与实验结果惊人(jngrn)符合！符合！第22页/共38页第二十三页，共38页。1900年年12月月14日，在德国物理学会上日，在德国物理学会上演讲演讲:“能量不连续，只能是能量不连续，只能是 h 的整的整数倍。数倍。”这一天这一天(y tin)定为量子力学的诞定为量子力学的诞生日。生日。1918年他被授予诺贝尔物理学奖金。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，奠定了近代普朗克能量子假说将量子化概念引入物理学，奠定了近代(jndi)物理学的基础。物理学的基础。第23页/共38页第二十四页，共38页。 din xio

22、 yng) din xio yng)第24页/共38页第二十五页，共38页。19-2 光电效应光电效应(un din xio yng) 光的波粒二象性光的波粒二象性 1887年，赫兹发现光电效应，年，赫兹发现光电效应，1905年，爱因斯坦年，爱因斯坦发展了普朗克能量量子化假说，提出光量子概念发展了普朗克能量量子化假说，提出光量子概念(ginin)，并成功地解释光电效应实验的规律。，并成功地解释光电效应实验的规律。一一 、光电效应、光电效应(un din xio yng)实验的规律实验的规律 当紫外线透过石英玻璃照射在当紫外线透过石英玻璃照射在金属阴极金属阴极K时，有时，有电子电子逸出。在两逸出

23、。在两极板（极板（A K）的加速电压作用下，）的加速电压作用下，电子由极板电子由极板K到到A形成电流。形成电流。光电效应：在光照射下，光电效应：在光照射下，电子电子从金属从金属 表面逸出的现象，叫做光电效应。表面逸出的现象，叫做光电效应。光电子：逸出电子称光电子。光电子：逸出电子称光电子。光电流：逸出电子形成的电流。光电流：逸出电子形成的电流。光电效应的实验装置光电效应的实验装置VA入射光入射光石英玻璃窗石英玻璃窗KA自由自由电子电子不是产生光电效应的电子；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能产生光电效应的是原子中量子化轨道上的价电子价电子（即（即深层束缚电子深层束

24、缚电子）。第25页/共38页第二十六页，共38页。遏止电势差：使光电流为零的最小反向遏止电势差：使光电流为零的最小反向(fn xin)电压电压U0。将将K接正极，接正极， A接负极。接负极。K A之间的电压阻碍之间的电压阻碍(z i)电子电子运动，称该电压为反向电压。运动，称该电压为反向电压。 遏止遏止( zh)电势差与光电子最大动能之间的电势差与光电子最大动能之间的关系关系20max02010212mkmeUmvEeUmveU第26页/共38页第二十七页，共38页。、饱和光电流、饱和光电流Im：发生光电效应时，从电极：发生光电效应时，从电极K发发射射(fsh)出的电子全部飞到出的电子全部飞到

25、A极，光电流达到稳定极，光电流达到稳定时的最大值。时的最大值。从光电效应从光电效应(un din xio yng)实实验可归纳出如下规律验可归纳出如下规律:MiI饱和光电流饱和光电流 Im1I2IIm1Im2Io0UU12II 光强较强光强较强光强较弱光强较弱单位单位(dnwi)时间内受光照的时间内受光照的金属板释放出的电子数金属板释放出的电子数与入射光强度成正比。与入射光强度成正比。第27页/共38页第二十八页，共38页。、 对于某一种金属，当入射光的频率大于某一频率对于某一种金属，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。如果时，才有光电子从金属表面逸出，并形

26、成光电流。如果(rgu)入射光的频率小于该频率，无论光强多大，都无光电子逸出。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：上述截止频率：上述(shngsh)频率频率0（也称红限频率）（也称红限频率）、用不同频率光照射金属、用不同频率光照射金属(jnsh)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。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、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瞬时

27、性。外光电子效应外光电子效应：光照射在金属：光照射在金属表面表面而产生的光电效应。而产生的光电效应。内光电子效应内光电子效应：光入射金属：光入射金属内部内部，在金属内部产生光电子，增加物体的导电性。，在金属内部产生光电子，增加物体的导电性。第28页/共38页第二十九页，共38页。经典经典(jngdin)理论理论的困难：的困难： 光的波动理论认为阴极中的电子在入射光的波光的波动理论认为阴极中的电子在入射光的波阵面获得阵面获得(hud)能量，光强越大，电子能量越高能量，光强越大，电子能量越高。1、光电子的能量、光电子的能量 （最大初动能（最大初动能(dngnng)）与光强成正比与光强成正比 与频率

28、无关。与频率无关。2、红限红限问题：问题：光强足够大，任何频率的光都会光强足够大，任何频率的光都会产生光电效应。产生光电效应。3、瞬时性瞬时性问题：问题：入射光强度较弱时，光电子需较长入射光强度较弱时，光电子需较长时间才能积累足够能量逸出金属表面。时间才能积累足够能量逸出金属表面。结论结论经典理论无法解释光电效应实验规律经典理论无法解释光电效应实验规律故得：故得：第29页/共38页第三十页，共38页。二二 光子光子(gungz) (gungz) 爱因斯坦方爱因斯坦方程程（1） “光量子光量子”假设假设(jish)h光子的能量为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，爱因斯坦提

29、出，光束可看成由微粒子组成的粒子流，这些这些(zhxi)粒子称光量子，简称光子。粒子称光量子，简称光子。 光子的速度光子的速度 c=3.0108m s-1 光子的能量与光的频率成正比，光的频率越高，光子的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。能量就越大。光束的能量与光子数和光子能量有关。Ennh第30页/共38页第三十一页，共38页。（2）爱因斯坦方程对光电效应）爱因斯坦方程对光电效应(un din xio yng)的解释的解释爱因斯坦方程爱因斯坦方程Wmh221v 逸出功逸出功（与材料（与材料(cilio)有关）有关） 对同一种金属，对同一种金属， 一定，一定， ，与光强无关，与光强无关kEW 逸出功逸出功0hW hW0产生光电效应条件产生光电效应条件（截止频率截止频率）逸出金属表面光电子的初动能逸出金属表面光电子的初动能(dngnng)第31页/共38页第三十