第七部分量子物理基础 概述 黑体辐射实验光电效应实验康普顿效应实验 光(电磁波)有波粒二象性实物粒子也有波粒二象性 矩阵力学 波动力学 物质波 包容了经典物理 解释了 不同于经典物理的概念光谱实验规律 经过了实验验证不同于经典物理的结论元素周期律 取得了巨大的技术成果 电子显微镜;…晶体管…;激光;核磁共振;
取得了巨大的技术成果 黑体辐射实验 光电效应实验 康普顿效应实验 概述 电子显微镜; …晶体管…; 激光; 核磁共振;… 光(电磁波)有波粒二象性 实物粒子也有波粒二象性 矩阵力学 波动力学 物质波 不同于经典物理的概念 不同于经典物理的结论 包容了经典物理 经过了实验验证 解释了 光谱实验规律; 元素周期律;… 第七部分 量子物理基础
第一章波粒二象性 s11物体的热辐射问题 关于热辐射的基本概念 原因:分子的热运动 (一)热辐射一所有物体都要辐射电磁波 加热铁块 定性规律:温度个→热辐射的短波成分↑,看不见光暗红色 平衡热辐射:同一段时间内,吸=E射温度不变 (二)热辐射的定量描述 1单色辐出度 附近单位波长间隔内的辐射能2=,E1 单位时间单位表面积发出的在M, dr·d·a 2总辐出度 单位时间单位表面积 的总辐射能 M(T)=∫M4.MsdE dt·ds
一.关于热辐射的基本概念 (一)热辐射 第一章 波粒二象性 §1.1 物体的热辐射问题 (二)热辐射的定量描述 单位时间单位表面积发出的在 附近单位波长间隔内的辐射能 dt ds d dE M T 1.单色辐出度 ( , ) = 单位时间单位表面积 的总辐射能 dt ds dE M T M T d = = 0 2.总辐出度 ( ) (, ) 所有物体都要辐射电磁波 原因:分子的热运动 定性规律:温度→热辐射的短波成分 加热铁块: 看不见光→暗红色 →橙色→黄白色 平衡热辐射:同一段时间内,Q吸=E射,温度不变
黑体辐射的实验规律 理想物体 (-)维恩位移定律:m=b/T ①对各种况完全吸收而无反射; b=2.897756×103mK ②M2最大;F维恩黑体 二)斯特藩-玻耳兹曼定律: M(T) ③M2只与 =5.67×10-8w/m2K T有关; 应用:测高温遥感红外追踪, ④M2与材料及表面形状无关; 经典理论解释的困难 2200K 辐射理论的“振子”模型 面积=M(T 2000K 微观运动→谐振子;热辐射→大量跳动谐振子 加热光照→振子吸收能量→振动加强 1800K 振动趋弱←振子辐射能量 1600k 在长波段与实验不符←M=B小W线 ①经典理论(理气麦氏分布)→维恩公式 实验 Y Rayleigh ②经典理论(电动力学+能量均分定理)→ Jeans线 瑞利一金斯公式M,=2mckT/4 Wie线 “紫外灾难”←∞0x-M2
理想物体 ①对各种完全吸收而无反射; ③M只与 T 有关; 二.黑体辐射的实验规律 ②M最大; ④M 与材料及表面形状无关; 维恩黑体 (二)斯特藩-玻耳兹曼定律: 4 M(T) = T 8 2 4 5.67 10 w/ m K − = (一)维恩位移定律: m = b/T b mK 3 2.897756 10− = (三)经典理论解释的困难 ①经典理论(理气麦氏分布)→维恩公式 在长波段与实验不符← / 5 / A T M Be− = M 0 2200K 2000K 1800K 1600K m 面积 = M(T) Wien线 Jeans线 Rayleigh − M 实验曲线 • • • • • • 0 辐射理论的“振子”模型 微观运动→谐振子;热辐射→大量跳动谐振子. 加热,光照 →振动加强 振动趋弱← →振子吸收能量 振子辐射能量 应用:测高温,遥感,红外追踪,… ②经典理论(电动力学+能量均分定理)→ 瑞利—金斯公式 “紫外灾难”← 4 M = 2ckT / ⎯⎯⎯ M 0
Planck的黑体辐射公式 经典理论(1900年以前) 振子吸收和辐射的能量取任意连续值 inch hc/(akT) 普朗克能量子假设 1900提出,1918获诺贝尔奖) ①组成物体的“振子”,只 与实验结果惊人的符合 能以能量“量子”为单位辐 射或吸收电磁波 M2实验曲线 ②对频率为v的电磁波每个 Rayleigh 量子的能量为g=hv;谐经典量子 振子能量状态E=mhv能量能量 Planck线 Jeans线 Wie线 普朗克常数h=6.6260755×10-34Js ③ Planck用能量子理论改进了维恩公式 ①在短波区:h>>kT,回到维恩公式MA2sehe/kr 2rc ②波长很大时:hc/kT<<1, ec/kr=1+hc/kT+ 2. 回到瑞利金斯公式MA=-n4kT
M 实验曲线 • • • • • • 0 Wien线 Jeans线 Rayleigh 线 − Planck 三. Planck的黑体辐射公式 经典理论（1900年以前） 振子吸收和辐射的能量取任意连续值 经典 能量 量子 能量 1 2 1 5 / ( ) 2 − = hc kT e c h M 与实验结果惊人的符合 普朗克常数h = 6.6260755×10 -34 J·s ①组成物体的“振子”,只 能以能量“量子”为单位辐 射或吸收电磁波. ②对频率为的电磁波,每个 量子的能量为 = h ；谐 振子能量状态En= nh 普朗克能量子假设 (1900提出, 1918获诺贝尔奖) hc kT hc / kT e hc M − = 5 2 2 ①在短波区： ，回到维恩公式 hc / kT 1, e = + hc / kT + hc / kT ②波长很大时： 1 ③ Planck用能量子理论改进了维恩公式 回到瑞利-金斯公式 kT c M 4 2 =
s12光的波粒二象性 光电效应00=mn2/2 光 (一)实验规律 GD 光电子有最大初动能 U=0:i≠0」 光电子 U=-U:i=0「截止电压 (cutoffvoltage 与入射光强Ⅰ无关 饱和光电流强度 max Uc=Kv-Uoiiekv-elo=mumar/2 红限(截止频率 光电效应实验装置 若v≤v=UK 没有光电效应 m光强l 2.0 驰豫时间10.0c5NaCa 光强1 (12>h1) V(1014HZ 几乎瞬时发生:4.06.08.010.0 C
§1.2 光的波粒二象性 (一)实验规律 一.光电效应 光 光电子 V G + _ K A GD 光电效应实验装置 − Uc m2 i m1 i 1 光强 I U = 0 :i 0 ( ) 2 1 I I 2 光强 I U = −U :i = 0 c 截止电压(cutoff voltage) 光电子有最大初动能 与入射光强I 无关 Uc = K −U0 / 2 2 mumax eUc = i 4.0 6.0 8.0 10.0 o U (1014Hz) 1.0 2.0 Uc (V) Cs Na Ca 若 , 没有光电效应 0 = U0 / K 红限(截止)频率 i I 饱和光电流强度 max 驰豫时间<10-9 s 几乎瞬时发生 2 2 0 eK − eU = mumax /