波的粒子性教学课件

1、波粒二象性（一）：波的粒子性,黑体辐射Blackbody Radiation,物质的热辐射 火山喷发1000K的岩浆 lava 电炉 早期的观察研究 Thomas Wedgwood(1792)：瓷器制作 无论材料的化学结构、大小和形状，在同样温度时变得红热,黑体辐射Blackbody Radiation,一个足够热的材料所发光的颜色随其温度而变化 光谱与温度的关系？,红外照相机拍摄的人的头部的热图,中国第一张红外照片（熊大缜于1935年在清华大学气象台顶上拍摄的北京西山夜景）,鸟的羽毛的颜色是不是热辐射？,黑体辐射Blackbody Radiation,黑体Blackbody 一个能吸收所有辐

2、射的物体 近似模型：带有小孔的热空腔 是很多实际辐射体的很好近似 Kirchhoff (1859)：黑体的辐射特性只取决于其温度T，与物体其他特性无关 光谱分布的研究 ：强度与波长的关系,一个黑白花盘子的两张照片,室温下，反射光,1100K，自身辐射光,辐射强度= 给定温度下单位面积单位波长辐射的功率 随着温度升高，辐射分布的最大值向短波长移动 总辐射功率随温度升高而增加,黑体辐射实验规律,维恩位移定律(Wines displacement law) (1893, Nobel prize in 1911),斯忒芬-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law) (1879-1884)

3、,黑体辐射实验规律,【例】如果人眼的最大灵敏度与太阳辐射最大值所对应的波长相符，估算太阳表面的温度。,为何太阳可以近似为黑体？,黑体辐射的例子,黑体辐射的经典解释,腔壁分子中的电荷振动 物体的热辐射 给定频率的辐射 腔内的一个驻波(standing wave),频率在v到v+dv范围内的电磁波组态数dN(n)？,频率为v到v+dv的电磁波平均能量 ？,频率在v到v+dv范围内的电磁波能量dE(n) ？,一维情况,三维情况,黑体辐射的经典解释,状态数,单位体积内一个状态,单位体积状态数：,黑体辐射的经典解释,平均能量,经典理论：能量连续,黑体辐射的经典解释,单位体积能量密度,黑体辐射的经典解释,

4、辐射强度,黑体辐射的经典解释,j,瑞利-金斯公式错在哪里？,当 0( )，组态数无限增加 紫外灾难Ultraviolet catastrophe!,黑体辐射深度学习参考,Nonclassical Physics: Beyond Newtons View, Appendix C Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles, R. Eisberg and R. Resnick, 第一章，【例1-3】,Max Planck 在1900年12月14日展示了关于黑体辐射的理论工作 提出经验公式，能够在整个波长范围内

5、拟合辐射强度测量值（Lucky guess-work）,黑体辐射的量子解释,振子吸收或发射频率为v的辐射能量是分立的，数值是基本能量子的整数倍,振子的能量只可以是分立的,黑体辐射的量子解释,平均能量,普朗克理论：能量分立,黑体辐射的量子解释,普朗克公式可以避免紫外灾难 高频情况 低频情况,？,黑体辐射的量子解释,斜坡ramp vs. 阶梯stair,为何普朗克理论可以避免紫外灾难？,连续与分立（continuous vs. discrete）,量子化的能级,A B C D,量子理论“抑制”了高频振子,【例】由Planck辐射定律导出Stefan-Boltzmann定律,根据Plancks ra

6、diation law:,Max Planck (1885-1947),调和了经典理论和实验观察的理论 NP in 1919 Einstein进一步发展了光量子理论,Hertz (1888): 注意到了效应，但未跟进,证实光是电磁波的实验同时暗示了这不是故事的全部,光电效应（photoelectric Effect）的发现,光电效应的实验现象,存在功函数(work function) : 材料对电子的最小束缚能，与材料性质有关 光强度越大，发射电子的能量越大 光强度很弱，作用时间足够长，仍可有电子发射 如：对于钠( =2.3eV)，在强度为10-8 W/m2的入射光照射下，光电子需14年从金属

7、表面发射！,光电效应的经典描述,光电效应的实验现象,入射光频率越高，光电子能量越大。 当频率低于特定临界值（与金属材料有关）时，无光电子发射。,光电效应的实验现象,同样频率的一束亮光比一束暗光能产生更多的光电子，但电子的能量是相同的 当频率高于临界值，电子发射与光照同时发生，没有时间滞后,光电效应的量子解释,爱因斯坦(1905)：电磁场本身是量子化的， 光量子或光子photon 光子能量：E=h 光子动量：p=E/c=h /c 波长与动量：=h/p 光子将其整个能量 hv 传给一个电子 爱因斯坦方程：,不同材料的功函数,光电效应的量子解释,光强光子数电子数 功函数截止频率(Cutoff fre

8、quency)： 最大动能截止电压(Stopping voltage)：,反向电压=最大动能,斜率=h/e 测量h 截距=-/e 测量,光电效应的量子解释,截止频率,光电效应的应用,自动门开关装置Door openers 烟雾检测器Smoke detectors,爱因斯坦的贡献,1905年Albert Einstein发表了3篇不朽的文章 光电效应：“A Heuristic Point of View About the Generation and Transformation of Light” 布朗运动：“On the Motion of Particles Suspended in L

9、iquids as Required by the Molecular-Kinetic Theory of Heat” 狭义相对论：“On the Electrodynamics of Moving Bodies” Nobel Prize in 1922 (with Niels Bohr) “for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect”,康普顿效应 (Compton Effect),康普顿1922年发现 光子模型的进一步确证 NP in 1927,石墨,康普顿效应的实验结果,康普顿效应的实验结果,散射谱中双峰的起源？ 波长位移(Compton shift) 无法用经典理论解释 为何 与材料无关？,康普顿效应的实验结果,康普顿效应的量子解释,考虑一个光子与一个静止自由电子的碰撞,康普顿效应的量子解释,动量守恒 x-direction: y-direction:,能量守恒,康普顿效应的量子解释,康普顿波长,S,位于0.0709nm处的波峰来自与原子内壳层紧束缚电子的散射,为何与材料无关？ 波长为0.0709nm的X光子能量,work function,康普顿效应的