量子力学实验基础

量子力学实验基础第1页，共34页，2023年，2月20日，星期二索尔维会议（SolvayConference）1927.10.24梦幻全明星——二十世纪科技巨匠合影

参加会议的29人中，有17人获诺贝尔奖第2页，共34页，2023年，2月20日，星期二第3页，共34页，2023年，2月20日，星期二

黑体辐射

光电效应

康普顿效应主要内容与要求重点：黑体辐射、光电效应难点：黑体辐射、康普顿效应第4页，共34页，2023年，2月20日，星期二

十九世纪末，经典物理学达到了相当完善的程度，正当人们欢呼：迈克尔逊-莫雷实验，否定了绝对参照系的存在黑体辐射与“紫外光灾难”

“科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”

--开尔文--两朵乌云：

重新思考物理学的基本概念，在曲折艰苦的阵痛中终于诞生了相对论(1905)和量子论(1900)。第5页，共34页，2023年，2月20日，星期二量子力学的诞生（QM---QuantunMechanics）第6页，共34页，2023年，2月20日，星期二第7页，共34页，2023年，2月20日，星期二第8页，共34页，2023年，2月20日，星期二早期量子论量子力学相对论量子力学普朗克能量量子化假说爱因斯坦光子假说康普顿效应玻尔的氢原子理论德布罗意实物粒子波粒二象性薛定谔方程波恩的物质波统计解释海森伯的测不准关系狄拉克把量子力学与狭义相对论相结合量子力学的诞生过程第9页，共34页，2023年，2月20日，星期二第一节黑体辐射(RadiationofBlackBody)一、热辐射定义：由于热运动所引起的辐射称为热辐射。1.单色辐射出射度

一定温度下物体在单位时间、单位表面发射在范围内的辐射能量与波长间隔的比值。特点：温度不同，能量随波长(频率)不同。第10页，共34页，2023年，2月20日，星期二2.辐射出射度

单位时间、单位面积上所辐射出的各种波长的电磁波的能量总和，与物体的温度和自身性质有关。3.平衡热辐射

物体从外界吸收的热能恰好等于它因辐射而失去的能量。

物体吸收某区间的辐射能占该区间总辐射能的比值。4.吸收本领第11页，共34页，2023年，2月20日，星期二

任何物体在同一温度T下的单色辐射出射度与相应的吸收本领的比值是一个与物质无关的普适函数5.基尔霍夫热辐射定律二、黑体辐射的物体称为绝对黑体，简称黑体。普适函数就是绝对黑体的单色辐射出射度第12页，共34页，2023年，2月20日，星期二例：不透明材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。

研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。测量黑体辐射出射度实验装置第13页，共34页，2023年，2月20日，星期二

能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体（黑体是理想模型）。第14页，共34页，2023年，2月20日，星期二0100020001.00.5

0100020001.00.5

3000K6000K1.斯特藩-玻耳兹曼定律（1879年）

辐射出射度2.维恩位移定律（1893年）

第15页，共34页，2023年，2月20日，星期二维恩利用热力学相关理论导出：3.瑞利-金斯公式（1900年）瑞利-金斯利用经典电磁理论和能量均分定理导出：长波范围符合很好，短波区域偏离严重，紫外灾难。第16页，共34页，2023年，2月20日，星期二

1900年10月的一个秋日的午后，在柏林近郊一条幽静的林间小路上，普朗克和他六岁的儿子正在散步。

“埃尔文，你知道吗？爸爸可能已经做出了可与牛顿力学相媲美的伟大发现。”---量子的发现！

1900年12月14日，普朗克在柏林亥姆霍兹研究所的物理学会议上宣读让物理学家们即兴奋、又烦恼的发现。第17页，共34页，2023年，2月20日，星期二4.普朗克公式（1900年）

能量量子化假设：，(Planck,1858–1947)

1918年诺贝尔物理学奖

能量交换只能是量子化的k——玻尔兹曼恒量黑体由带电谐振子组成，和周围的电磁场交换能量能量子第18页，共34页，2023年，2月20日，星期二例1.已知在红外线范围内，人体可近似看作一个黑体。假设成人表面面积的平均值为1.73m2，表面温度为33℃

，求人体辐射的总功率。解：人体单位面积的辐射功率为人体辐射的总功率为黑体的温度和周围环境温度不等时，黑体辐射的净功率是假设周围环境温度Ts=20℃=293K第19页，共34页，2023年，2月20日，星期二第二节光电效应和康普顿效应一、光电效应（PhotoelectricEffect）

光束射到金属表面使电子从金属中脱出的现象称为光电效应。VAi光电子KA阳极

光电效应现象是赫兹1887年发现的，在1896年汤姆逊发现了电子之后，勒纳德才证明了所发出的带电粒子是电子。第20页，共34页，2023年，2月20日，星期二1.实验规律光电效应伏安特性曲线

存在遏止电势差

单位时间内从阴极逸出的光电子数与入射光的强度成正比

实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光电子出现只需要<10–9s的时间。

瞬时响应性质第21页，共34页，2023年，2月20日，星期二

对于给定的金属，当照射光频率小于金属的红限频率，则无论光的强度如何，都不会产生光电效应。

存在遏止频率v0第22页，共34页，2023年，2月20日，星期二金属

红限频率（10Hz）14逸出功（eV)金属

红限频率（10Hz）14逸出功（eV)某些金属和半导体的红限频率及逸出功

钨

W

10.974.54

钙Ca6.552.71

钠Na5.532.29

钾K

5.432.25

銣Rb

5.152.13

銫Cs

4.691.94

铀U

8.763.63

铂Pt

15.286.33

银Ag

11.554.78

铜Cu

10.804.47

锗Ge

11.014.56

硅Si

9.904.10

硒Se

11.404.72

铝Al

9.033.74

锑Sb

5.682.35

锌Zn

8.063.34第23页，共34页，2023年，2月20日，星期二波动理论所遇到的困难1.光电子初动能应当随光强而不是随频率增大可见光的波动说无法解释实验结果2.电磁振动激发电子只要强度足够就应该激发3.电磁振动激发电子需要一定响应时间第24页，共34页，2023年，2月20日，星期二2.爱因斯坦的光量子论光是以光速c运动的微粒流，称为光量子组成爱因斯坦光量子假设(1905)光子的能量光量子具有“整体性”（光的发射、传播、吸收都是量子化的）

一个光子将全部能量交给一个电子，电子克服金属对它的束缚，从金属中逸出。爱因斯坦光电效应方程第25页，共34页，2023年，2月20日，星期二爱因斯坦对光电效应的解释光电子初动能和照射光的频率成线性关系电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，故无须时间的累积。光强大，光子数多，释放的光电子也多，光电流大光的波粒二象性第26页，共34页，2023年，2月20日，星期二爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名油滴实验，证明电荷有最小单位，获得1923年诺贝尔物理学奖。第27页，共34页，2023年，2月20日，星期二例2.已知金属钨的逸出功A=7.2×10-19J，分别用频率为7×1014Hz的红外光和5×1015Hz的紫外光照射钨的表面，能不能产生光电效应？解：金属钨的红限频率只有频率大于红限频率的光才可产生光电效应7×1014Hz的红外光不行5×1015Hz的紫外光可以第28页，共34页，2023年，2月20日，星期二二、康普顿效应（ComptonEffect）1927年诺贝尔物理学奖（Compton,1892-1962）

1922年间康普顿观察X射线通过物质散射时，发现散射的波长发生变化的现象。第29页，共34页，2023年，2月20日，星期二(吴有训,1897–1977)1921年赴芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究，1926年获博士学位。1926年秋回国。

他在参与X射线散射研究的工作中，以精湛的实验技术和卓越的理论分析，验证了康普顿效应。中国近代物理学奠基人，教育家。第30页，共34页，2023年，2月20日，星期二rl

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0波长偏移量检测系统晶体l

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rlj散射角l

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射线源Xl

0散射体jlr随的增大而增大，与物质种类无关。

△~j

实验第31页，共34页，2023年，2月20日，星期二j153j153j153l

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rlZ16Z26X射线X射线X射线Z6原子序数原子序数l0l0l0原子序数碳C碳硫硫S铁铁FeFell0谱线的强度增强；谱线的强度减弱。lr各种散射物质对同一散射角，波长偏离量相等。j若散射物质的原子序数增加，散射线中不同散射物质的实验对同一散射角j

第32页，共34页，2023年，2月20日，星期二光子理论对康普顿效应的解释高能光子和低能自由电子弹性碰撞的结果若光子和外层电子