15-1黑体辐射 普朗克能量子假说 15-2 光电效应2.ppt

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1、大学物理学电子教案大学物理学电子教案长江大学教学课件长江大学教学课件量子物理（量子物理（1）15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假说普朗克能量子假说黑体辐射及其规律黑体辐射及其规律普朗克假说普朗克假说 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式黑体辐射的应用黑体辐射的应用15-2 光电效应光电效应 光的波粒二象性光的波粒二象性光电效应的实验规律光电效应的实验规律光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程光电效应的应用光电效应的应用第十五章第十五章量子物理量子物理1、经典物理学的发展过程、经典物理学的发展过程物理学物理学经典物理经典物理现代物理现代物理力学力学热学热学电磁学电磁学光学光学相对论相对论量子论

2、量子论非线性非线性2、近年来的发展、近年来的发展粒子物理：粒子物理：量子电动力学、重整化方法量子电动力学、重整化方法天体物理天体物理：太阳中微子短缺问题太阳中微子短缺问题引力波存在的问题引力波存在的问题物体的速度能否超过光速的物体的速度能否超过光速的问题问题生物物理生物物理有机体遗传程序的研究（须运有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计物理、用量子力学、统计物理、X射线、射线、电子能谱电子能谱 和核磁共振和核磁共振技术等）。技术等）。非平衡热力学及统计物理非平衡热力学及统计物理3、物理学发展的趋向、物理学发展的趋向学科之间的大综合学科之间的大综合相互渗透结合成边缘学科相互渗透结合成边缘学科

3、4、从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题1887年的迈克耳孙年的迈克耳孙莫雷实验否定了绝对参考系的存在；莫雷实验否定了绝对参考系的存在；1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所谓谓“紫外灾难紫外灾难”；1897年年J.J.汤姆孙发现电子，说明原子不是物质的基本单元，原子是可分汤姆孙发现电子，说明原子不是物质的基本单元，原子是可分的。的。原子是构成物质的原子是构成物质的基本单元；基本单元；能量是连续变化的。能量是连续变化的。15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假

4、说普朗克能量子假说一、黑体一、黑体 黑体辐射黑体辐射1、热辐射、热辐射热辐射现象：热辐射现象：任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少，以及电磁波按波长电磁波能量的多少，以及电磁波按波长(频率频率)的分布都与的分布都与温度有关，故称为温度有关，故称为热辐射热辐射。头头部部热热辐辐射射像像头部各部分温度不同，因此头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异，这它们的热辐射存在差异，这种差异可通过热象仪转换成种差异可通过热象仪转换成可见光图象。可见光图象。辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再

5、变化，此时物体的热辐射称为热辐射称为平衡热辐射平衡热辐射。物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射本领越物体辐射本领越大，其吸收本领也越大。大，其吸收本领也越大。室温室温高温高温吸收吸收辐射辐射白底黑花瓷片白底黑花瓷片2、黑体、黑体定义：定义：如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝对黑体绝对黑体，简，简称称黑体黑体。说明：说明：(1)黑体是个理想化的模型。黑体是个理想化的模型。(2)对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同

6、的。对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。(3)与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射本领最强与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射本领最强3、与热辐射有关的物理量、与热辐射有关的物理量单色辐出度单色辐出度从热力学温度为从热力学温度为T 的黑体的单位面积上、单位时间内、的黑体的单位面积上、单位时间内、在单位波长（频率）范围内所辐射的电磁波能量，称在单位波长（频率）范围内所辐射的电磁波能量，称为单色辐射出射度，简称为单色辐射出射度，简称单色辐出度，单色辐出度，用用M(T T)、M(T)表示表示。辐射出射度辐射出射度在单位时间内，从热力学温度为在单位时间内，从热力学温度为T的黑体的单位面积

7、的黑体的单位面积上、所辐射的各种波长（频率）范围的电磁波的能量上、所辐射的各种波长（频率）范围的电磁波的能量总和，称为总和，称为辐射出射度辐射出射度，简称，简称辐出度辐出度。会聚透镜会聚透镜空腔空腔小孔小孔平行光管平行光管棱镜棱镜热电偶热电偶二、斯特藩二、斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律1、测量黑体辐射的实验装置、测量黑体辐射的实验装置2、斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律黑体的辐出度与黑体的热力学温度的四次方成正比，这就黑体的辐出度与黑体的热力学温度的四次方成正比，这就是是斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律。玻耳兹曼定律。s s=5.6710-8W m-2 K-4 为为斯

8、特藩斯特藩-玻耳兹曼玻耳兹曼常量常量1700k1500k1300k0 1000 20001.00.5 3000K3000K6000K6000K0 1000 20001.00.5 可可见见光光区区3000K3000K6000K6000K常量常量峰值波长峰值波长当黑体的热力学温度升高时，与单当黑体的热力学温度升高时，与单色辐出度峰值相对应的波长色辐出度峰值相对应的波长 m 向短向短波方向移动，这就是波方向移动，这就是维恩位移定律维恩位移定律。3、维恩位移定律、维恩位移定律1700k1500k1300k4、M(T)与与M(T)关系关系测量温度：测量温度：通过测量星体的谱线分布来确定其热力学温度通过测

9、量星体的谱线分布来确定其热力学温度热象图：热象图：通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确定物体表面的温度分布；定物体表面的温度分布；消失线高温计：消失线高温计：测量炉温测量炉温4、黑体辐射的应用、黑体辐射的应用 例例1 1（1 1）温度为室温温度为室温 的黑体，其单色辐的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？出度的峰值所对应的波长是多少？（2 2）若使一黑体若使一黑体单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，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？其温度应为多少？（3 3）以上两辐出度之比为多少？以上两辐出度之比为多

10、少？解解（2 2）取取（1 1）由维恩位移定律由维恩位移定律（3 3）由由斯特藩斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 例例2 2 太阳的单色辐出度的峰值波长太阳的单色辐出度的峰值波长 ，试由此估算太阳表面的温度试由此估算太阳表面的温度.解解由维恩位移定律由维恩位移定律 对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法进行推测这种方法进行推测太阳不是黑体，所以按黑体计算出的太阳不是黑体，所以按黑体计算出的 Ts 低于太阳的实际温度。低于太阳的实际温度。说明说明三、黑体辐射的瑞利三、黑体辐射的瑞利金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难1、目的：、目的：探求单色辐出

11、度的数学表达式探求单色辐出度的数学表达式2、瑞利、瑞利金斯公式金斯公式利用能量均分定理和电磁理利用能量均分定理和电磁理论得出：论得出：3、经典物理的困难、经典物理的困难在低频（长波）部分与实验曲线相符合，在高频（短波）则完在低频（长波）部分与实验曲线相符合，在高频（短波）则完全不能适用。全不能适用。在高频部分，黑体辐射的单色辐出度将随着频率的增高而趋于在高频部分，黑体辐射的单色辐出度将随着频率的增高而趋于“无限大无限大”“紫外灾难紫外灾难”。0 1 2 3 62 4瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式实验曲线实验曲线*T=2 000 K四、普朗克假说四、普朗克假说 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式

12、普朗克普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,18581947)德国物理学家，量子物理学的开创者和奠德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。基人。普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，1900年年12月月14日他在德国物理学会上，宣日他在德国物理学会上，宣读了以读了以关于正常光谱中能量分布定律的关于正常光谱中能量分布定律的理论理论为题的论文，提出了能量的量子化为题的论文，提出了能量的量子化假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结这是物理学史上的一次巨大变革。

13、从此结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为这一天为“量子论的诞生日量子论的诞生日”。1918年普朗克由于创立了量子理论而获得年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。了诺贝尔奖金。普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为一维普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过去经谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过去经典物理认为的那样可以连续的吸收或发射能量，而是以典物理认为的那样可以连续的吸收或发射能量，而是以与振子的频率成正比的能量子与振子的频率成正比的能量子 为单元来吸收为单元来吸收或发射能量或发

14、射能量.空腔壁上的带电空腔壁上的带电谐振子谐振子吸收或发射能量应为吸收或发射能量应为 1、普朗克假说普朗克假说谐振子的能量可取值只能是某一最小能量单元谐振子的能量可取值只能是某一最小能量单元 的整数倍，的整数倍，即：即：E=n,n=1,2,3,.叫能量子，简称量子，叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数为量子数，它只取正整数能量量子化。能量量子化。对于频率为对于频率为n n 的谐振子，最小能量为：的谐振子，最小能量为：=hn n 其中其中h=6.626 10-34 Js为普郎克常数为普郎克常数结论：谐振子吸收或辐射的能量只能是结论：谐振子吸收或辐射的能量只能是=hn n的整数倍。的整数倍

15、。2、普朗克公式普朗克公式0 1 2 3 6瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式123 45普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线实验值实验值*3、说明说明普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，还解释了普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，还解释了固体的比热问题等。它成为现代理论的重要组成部分。固体的比热问题等。它成为现代理论的重要组成部分。从普朗克公式可导出从普朗克公式可导出斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律，维恩公式，维恩公式，瑞瑞利利金斯公式金斯公式维恩位移定律维恩位移定律斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律瑞利瑞利金斯公式金斯公式4、普朗克假说普朗克假说意义意义普朗克抛

16、弃了经典物理中的能量可连续变化的旧观点，普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧观点，提出了能提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点的新观点。这不仅。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。例例3 3 设有一音叉尖端的质量为设有一音叉尖端的质量为0.050kg，将其将

17、其频率调到频率调到 ，振幅，振幅 .求求 （2）当量子数由当量子数由 增加到增加到 时，振幅的变时，振幅的变化是多少？化是多少？（1）尖端振动的量子数；尖端振动的量子数；解（解（1）基元能量基元能量（2）在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明显的，在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明显的，即宏观物体的能量完全可视作是连续的即宏观物体的能量完全可视作是连续的.15-2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律1、光电效应的基本概念光电效应的基本概念当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫光

18、电效应光电效应，所逸出的电子叫所逸出的电子叫光电子光电子，由光电子形成的电流叫，由光电子形成的电流叫光电流光电流，使电子，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的逸出功逸出功。2、实验装置实验装置单色光通过石英窗照射金属板单色光通过石英窗照射金属板阴极上有光电子产生。阴极上有光电子产生。UGKA如将如将K接正极、接正极、A接接负极，则光电子离开负极，则光电子离开K后，将受到电场的阻碍作用。当后，将受到电场的阻碍作用。当K、A之间之间的反向电势差等于的反向电势差等于U0时，从时，从K逸出的逸出的动能最大的电子刚好不能到达动能最大的电子刚好不能到达A，电路

19、中电路中没有电流，没有电流，U0叫叫遏止电压遏止电压。3、实验现象、实验现象(2)存在截止频率：存在截止频率：对某一种金属来说，只有对某一种金属来说，只有当入射光的频率大于某一频率当入射光的频率大于某一频率n n0时，电子才能时，电子才能从金属表面逸出，电路中才有光电流，这个频从金属表面逸出，电路中才有光电流，这个频率率n n0叫做截止频率叫做截止频率红限红限.(3)线性性：线性性：用不同频率的光照射金属用不同频率的光照射金属K的表的表面时，只要入射光的频率大于截止频率，遏面时，只要入射光的频率大于截止频率，遏止电势差与入射光频率具有线性关系。止电势差与入射光频率具有线性关系。(1)饱和光电流

20、：饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比。饱和光电流强度与入射光强度成正比。NaCaO2.01.06.08.010.00102|US|(4)瞬时性：瞬时性：无论入射光的强度如无论入射光的强度如何，只要其频率大于截止频率，何，只要其频率大于截止频率，则当光照射到金属表面时，几乎则当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电流逸出（延迟时间立即就有光电流逸出（延迟时间约为约为10-9s）(1)经典认为经典认为光强越大，饱和电流应该大，光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动光电子的初动能也该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频能也该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能

21、也与频率有关。率有关，光电子初动能也与频率有关。4、经典理论的困难、经典理论的困难(2)只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为只要强度足够大，就能使电子逸出金属，有无光电效应只要强度足够大，就能使电子逸出金属，有无光电效应不应与频率有关。不应与频率有关。(3)瞬时性。瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。要时间，即需能量的积累过程。二、二、光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程1、

22、爱因斯坦光子假说、爱因斯坦光子假说1905年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为光年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为光束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子流叫做束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子流叫做光光量子量子，简称简称光子光子。在真空中，光子以光速。在真空中，光子以光速c 运动。一个运动。一个频率为频率为n n的光子具有能量的光子具有能量e=e=hn n2、光电效应的爱因斯坦方程、光电效应的爱因斯坦方程3、光电效应解释、光电效应解释(1)饱和光电流强度与光强成正比饱和光电流强度与光强成正比：对于给定频率的光束来说，光的强度越大，表示光对于给定频率的光束来说，光的强度越

23、大，表示光子的数目越多，光电子越多，光电流越大。子的数目越多，光电子越多，光电流越大。(2)红限频率的存在红限频率的存在：当入射光频率低于红限频率当入射光频率低于红限频率n n0，hn nW/h），），以致每个光子的能以致每个光子的能量足够大，电子才能克服逸出功而逸出金属表面。所以红量足够大，电子才能克服逸出功而逸出金属表面。所以红限频率限频率n n=W/h；(3)截止电压与频率成线性关系截止电压与频率成线性关系(4)光电效应的瞬时性光电效应的瞬时性：当电子一次性地吸收了一个光子当电子一次性地吸收了一个光子后，便获得了后，便获得了 hn n 的能量而立刻从的能量而立刻从金属表面逸出，没有明显的

24、时间金属表面逸出，没有明显的时间滞后。滞后。三、光电效应的应用三、光电效应的应用光电管和固态光电探测器光电管和固态光电探测器光电倍增管光电倍增管光控继电器光控继电器光电导摄像管光电导摄像管光敏电阻光敏电阻放大器放大器接控制机构接控制机构光光光控继电器示意图光控继电器示意图光电倍增管光电倍增管四、光的波粒二象性四、光的波粒二象性密立根密立根1916年的实验，证实了光子论的正确性，并求得年的实验，证实了光子论的正确性，并求得h=6.57 10-34 焦耳焦耳秒。光的波动性（秒。光的波动性（）和粒子性（）和粒子性（p）是通过普朗克常数联系在一起的。是通过普朗克常数联系在一起的。相对论质能关系：相对论

25、质能关系：光子的质量：光子的质量：因为因为：光子的动量：光子的动量：光既具有粒子性，又具有波动性，即具有波粒二象性光既具有粒子性，又具有波动性，即具有波粒二象性小小 结结黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假说普朗克能量子假说黑体黑体 黑体辐射黑体辐射斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律黑体辐射的瑞利黑体辐射的瑞利金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难普朗克假说普朗克假说 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式黑体辐射的应用黑体辐射的应用光电效应光电效应 光的波粒二象性光的波粒二象性光电效应的实验规律光电效应的实验规律 光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程光电效应的应用光电效应的应用 光的波粒二象性光的波粒二象性作作 业业大学物理习题集练习大学物理习题集练习