大学物理课件：第13章 早期量子论和量子力学基础1

1、第十三章: 早期量子论和量子力学基础三个冲击（一）迈克耳孙莫雷实验 否定了绝对参考系的存在（二）经典物理说明热辐射 出现了所谓“紫外光灾难”（三）放射现象的发现 说明原子不是物质的基本单元，是可分的二十世纪近代物理的两个基石狭义相对论和广义相对论量子论量子论的诞生（一）1900年普朗克首次提出能量子的假设 解释黑体辐射的能谱分布开创了 量子理论的新纪元（二）19001923年间 1905年爱因斯坦提出光量子假设 解释光电效应 1913年玻尔提出原子结构量子化假设解释原子光谱的分布规律1923年康普顿散射实验 证实光具有粒子性（三）1924年德布罗意提出微观粒子具有波 粒二象性的假设（四）192

2、41927年海森堡、玻恩、狄拉克 奠定量子理论基础13.1 黑体辐射和普朗克量子假设黑体、黑体辐射 （一）热辐射（温度辐射） （1）具有一定温度物体内带电粒子的热运动，以电磁波形式向外发射辐射能量。 （2）给定物体，单位时间内发射辐射能量的多少取决于它的温度T 。（二）吸收率（比） 吸收能量与入射总能量的比值。透射反射入射吸收能量辐射能量物体辐出度单位时间内从物体表面单位面积上发射的各种波长的总辐射能。 M（T）（三）辐出度M(T)单色辐出度由实验 单色辐出度单位时间内从物体表面单位面积上发射的波长在 范围内的辐射能为 ,则单色辐出度为：物理意义：单位时间内从物体表面单位面积上发射的波长在附近

3、单位波长间隔内的辐射能（四）单色吸收比、反射比吸收比被物体吸收的能量与入射总能量之比。其中波长在+ d之间的吸收比为单色吸收比。反射比被物体反射的能量与入射总能量之比。其中波长在+ d之间的反射比为单色反射比。（五）黑体（绝对黑体）理想模型：空心容器开小孔实现空腔黑体小孔发射的辐射黑体辐射：含各种频率 吸收比为1的物体，即黑体能吸收投射到其表面的所有辐射。(例：黑煤烟：0.95)（六）基尔霍夫定律 不同材料、不同表面，其M、值不同。但在相同温度下， M、的比值与材料、表面的性质无关，为只取决于T、的恒量。黑体：一般物体：一个好的吸收体，也是一个好的发射体；黑体是最理想的发射体。在同样的温度下，

4、各种不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收比之比都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐出度。设黑体的单色辐出度为（七）斯忒藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律401231700K1100K1300K1500K（1）斯忒藩玻耳兹曼定律1879年斯忒藩根据实验得黑体的辐出度：1884年玻耳兹曼从理论上推得此式。（2）维恩位移定律1894年维恩在实验中发现：以上两条定律均为宏观实验定律401231700K1100K1300K1500K（八）瑞利金斯定律和维恩定律经典电磁理论 统计物理能量按自由度均分原理解释黑体光谱分布规律（1）瑞利金斯定律问题：“紫外灾难”长波符合，短波不符合，需修正。401235

5、6789瑞利-金斯线（2）维恩定律 1896年维恩假设：黑体辐射能谱分布与麦克斯韦分子速率类似，由实验数据得经验公式：问题：短波符合，长波与实验不符合，需修正。4012356789维恩线普朗克量子假设（一）普朗克公式（经验公式）1900年普朗克在前面两条定律的基础上分析数据得：长波情况下(很大)瑞利金斯公式短波情况下(很小)维恩公式（二）黑体光谱分布理论值与实验值的比较瑞利金斯线普朗克线维恩线实验值（三）普朗克假设 （1）经典理论的基本观点：a电磁波辐射来源于带电粒子的振动，电磁波频率与振动频率相同；b振子（带电粒子）辐射电磁波含各种波长，是连续的，辐射能量也是连续的；c温度升高，振子振动加强

6、，辐射能量加大。 （2）普朗克能量子假设： 对于频率为 的振子，振子辐射的能量不是连续的，而是分立的，它取的值是某一最小能量h的整数倍，即统计理论经典电磁理论普朗克公式例13-1 （1）温度为20的物体，它的辐射能中单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？ （2）若使一物体单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，其温度应为多少？ （3）上两小题中，总辐射能的比率为多少？解：（1）（2）取=6500A（3）13.2 光电效应和爱因斯坦光子理论（一）光电效应1887年赫兹(Hertz)首先发现光电效应1900年勒纳德(P.Lenard)指出：光电效应是金属中电子吸收入射光的能量而从表面逸出的现象

7、（二）光电效应实验入射光线OOOOOOVGAKBOO光电效应实验装置饱和电流反向截止电压（三）实验结果（1）饱和电流随入射光强的增大而增大。入射光强较强入射光强较弱饱和电流（2）对于每一种金属阴极，都存一个临界频率 ，此频率也称为光电效应的红限。（3）反向截止电压的大小随入射光的频率线性增加。入射光强较强入射光强较弱反向截止电压（a）反向截止电压电子初动能（b）对于一定材料的阴极，截止电压与频率成线性关系，截止电压与入射光强度无关。对于不同材料的阴极，直线的斜率不变。（4）光电效应瞬时响应的性质 从光照射到阴极表面到发射电子所需时间间隔为 数量级，与光的强弱无关。（四）经典理论的解释可解释(1

8、),但(2),(3),(4)均不能解释爱因斯坦光子理论（一）光子假设（1905年） 光在空间传播时，光能不是均匀地分布于波前，而是聚集成一颗一颗能量量子，当光照射到阴极表面时，所发射的一个电子是从一个单一能量量子获得能量。这种能量量子被称为光子，它的能量与电磁波的频率有关，大小为 电磁波在辐射、传播和吸收过程中，能量是量子化的，光子是电磁波的存在形式，是物质。（二）爱因斯坦光电效应方程光子被电子吸收，电子获得能量h：（三）解释光电效应 （1）光强I与h无关，与光子数有关，光较强时，到达阴极光子数较多，电子数也较多，饱和电流增大； （2） 产生光电效应：（3）由爱因斯坦光电效应方程即所以 线性增加，斜率保持不变： （4）即使光强很弱，只要h促使电子发射，就产生光电效应，与光强无关。其次电子吸收光子为一很短过程，光电效应没有时滞，是瞬时完成的。爱因斯坦光子理论的证实（一）19141916年，密立根光电效应实验（二）1923年，康普顿效应光子能量：光子动量：光子质量：光子静止质量：(四) 光的波粒二象性 在有些情况下，光突出显示出波动性；而在另一些情况下，则突出显示出粒子性光有波粒二象性，并有如下关系：例13-2 钾的