量子物理第1讲——热辐射的量子性 光的二象性.ppt

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1、量子物理第1讲——热辐射的量子性光的二象性主要内容一、热辐射的量子性二、光的二象性一、热辐射的量子性在任一时间间隔内，物体向外发射的电磁波能量与它从外界吸收的电磁波能量相等。量子物理1、热辐射宏观物体由大量微观粒子（原子、分子或离子）构成，这些微小的带电谐振子系统向外辐射各种波长的电磁波，电磁波的能量及其按波长的分布都与物体的温度有关。与物体的温度有关的电磁辐射称为热辐射。a)平衡热辐射物体的温度保持不变。b)单色辐出度和辐射出射度单色辐出度：单位时间内，温度为的物体单位面积发射的波长为~的辐射能与之比：辐射出射度：单位时间

2、内，温度为的物体,单位面积发射的各种波长的总辐射能（简称辐出度）：与黑体的组成材料无关。c)黑体任何温度下能完全吸收任何波长的电磁波，而不反射或透射。所有黑体的辐射规律相同：(i)仅是和的函数；(ii)仅是的函数.其中2、黑体辐射的实验定律a)斯特藩—玻耳兹曼定律斯特藩常量：b)维恩位移定律在温度为时，有一最大值，对应的波长与满足：低频部分符合较好，紫波段严重偏离实验3、黑体辐射公式普朗克量子假说a)维恩公式维恩(1893)分析实验数据得出经验公式：高频部分符合较好，长波段偏离明显。b)瑞利—金斯公式瑞利和金斯(1900)根

3、据经典电磁理论和统计物理学得出理论公式：(紫外灾难)。实验结果维恩瑞利－金斯(Nobel,1911)则得到黑体平衡热辐射公式：c)普朗克公式普朗克(1900)：瑞利–金斯公式+维恩经验公式+实验曲线与当时最精确的实验数据符合得非常好的经验公式：Why???d)普朗克量子假说假设：(1)谐振子的能量取值只可能是某一最小能量单元的整数倍，即：(2)频率为的谐振子，最小能量单元为：(Nobel,1918)量子假说是人类认识的又一次飞跃，开创了物理学及许多学科研究的新局面。大小为：只能取不连续值的现象称为能量量子化；称为量子数；称为

4、能量子(量子)；称为普朗克常量，该公式完全符合实验，时导出维恩公式，时导出瑞利—金斯公式。是量子性的表征，只有在微观领域才存在不连续性，但许多宏观现象必须由微观过程的不连续性给出最终解释。二、光的二象性1、光电效应T：真空玻璃管K：阴极A：阳极光电效应：当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象。光电子、光电流、金属的逸出功-+KAT......-+GVRK1K2........饱和电流随电压的增大，保持稳定而不再增大时的光电流。光电流为零时所加的反向电压。表明逸出阴极的光电子有初动能。遏止电压设电子从阴极逸出时的最大速率

5、为则光电效应的实验规律：(1)与入射光强成正比。(2)存在当时，随的增大而线性增大，与光强无关；当时，不可能产生光电流。称为红限频率或截止频率。(3)只要光电子几乎与光照的同时发生，滞后不超过与光强无关。(3)入射光很弱时，电子必须经较长时间吸收和积累足够的电磁波能量才能逸出。2、经典理论的困难(1)饱和光电流与入射光强成正比，可解释。哈！哈！哈！根据经典理论分析：(2)随光强增大而增大，不受频率的限制。哈？哈？哈？唉…唉……唉！3、爱因斯坦光量子假说Einstein(1905)：光是一种在真空中以速度运动的粒子流(这种粒子

6、称作光量子，简称光子)。每个光子的能量：光子的质量：静止质量：运动质量：光子动量：光子入射金属时，一个光子的能量被一个电子一次性地全部吸收，一部分用来克服电子的束缚作功另一部分就是光电子的初动即(Nobel,1921)爱因斯坦光电效应方程：光电效应主要用于光电管和光电倍增管。解释光电效应：饱和电流大。(1)光强大，单位时间照射阴极的光子多，产生的光电子多，(2)一定的金属有一定的存在当时，随的增加而线性增加；当时,光再强、时间再长,也不会产生光电子。(3)一旦即使一个光子照射，被一个电子吸收即可立即逸出。勿需强光照射，也勿需

7、长时间照射。4、康普顿效应萨德勒和米香(1912)：X射线被轻原子物质散射后，波长增大。康普顿(1923)：单色X光经石墨散射，散射X光波长改变量与散射角有关。经典理论：莫名其妙！频率为的X射线使石墨中带电粒子以频率受迫振动，形成频率相同的散射线。康普顿：X射线光子与自由电子的弹性碰撞。入射光准直系统石墨散射体探测器散射光(Nobel,1927)入射光散射光电子碰前：光子动量电子静止；光子能量电子能量碰后：光子动量电子动量光子能量电子能量动量守恒定律：即与实验结果完全符合的康普顿公式：能量守恒定律：电子的相对论质量：表明能量

8、守恒定律和动量守恒定律在微观世界也成立。证实了光子概念及其能量和动量公式、相对论质量表达式；5、光的二象性波动性：粒子性：单位时间内，第二块板左、右两侧单位面积净获得的辐射热量分别为：例1：真空中有四块完全相同且彼此靠近的大金属板平行放置，表面涂黑可以看作绝对黑体。最外侧两块板的热力学温度