14第十四章光的粒子性讲述.ppt

* 在人类即将跨入20世纪的时候， 了某些无法用经典理论解释的实验现象 —— 却发现 M－M实验“零结果” 和热辐射“紫外灾难”。 1900年，Kelvin在新千年的祝词中把此称为是 去寻找新的解决途径。 这些矛盾迫使人们跳出传统的物理学框架， 晴朗的物理学天空中出现的“两朵乌云”。 第十四章光的粒子性 1900年普朗克在确立黑体辐射定律的过程中提出能量量子化的假说，揭开了本世纪物理学革命的序幕，为物理学找到了一个新的概念基础。 1905年爱因斯坦提出了光量子假说，进一步发展了普朗克能量量子化的思想。 1913年玻尔创造性地把量子概念应用到卢瑟福的原子模型，建立了氢原子理论，说明了氢光谱线。 M－M实验 ? 相对论 黑体辐射 ? 量子论 §14-1热辐射 普朗克的量子假设 一、热辐射(heat radiation )现象 * 根据经典电磁理论，带电粒子的加速运动将 向外辐射电磁波。 * 一切物体都以电磁波的形式向外辐射能量。 * 在单位时间内从物体表面单位面积上辐射的能量，即单位面积上的辐射功率，称为该物体的 辐出度 (radiating power)。 * 物体的辐出度与其温度有关，故将这种辐射称为 热辐射 。 红外夜视图 红外照相机拍摄的人的头部的热图 热的地方显白色，冷的地方显黑色 低温物体（例如人体）也有热辐射，但辐射较弱，并且主要成分是波长较长的红外线。 运动时各部分温度的分布 * 这种电磁波形式的辐射能量按波长分布是不均匀的。 锶 Sr 铷 Rb 铜 Cu 单色辐出度 单色辐出度 辐出度 若在单位时间内从物体表面单位面积上辐射的、波长 λ → λ+dλ 范围内的能量为 ， * 物体辐射能量的同时，又吸收周围其它物体的辐射能量。当辐射能量等于吸收能量时，其温度不变 —— 平衡热辐射 * 一个好的吸收体，也一定是一个好的辐射体。 绝对黑体(black body; ideal radiator) 黑体模型 在任何温度下,对任何波长的辐射能能全部吸收，即无反射，吸收率为 1 . 二、黑体辐射的实验定律 总辐出度： 对应T温度的曲线下的面积 斯忒藩 — 波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律 黑体的辐出度与温度的四次方成正比。 斯忒藩常量: 2. 维恩(Wien)位移定律 维恩常量: 维恩位移定律指出: 当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值向短波方向移动。 T 例如：加热铁块， 温度?，铁块颜色由看 不出发光 ? 暗红 ? 橙色 ? 黄白色 例如：加热铁块， 温度?，铁块颜色由看 ? 橙色 ? 黄白色 三、经典理论的困难 1. 维恩公式 维恩线 实验点 2. 瑞利 — 金斯(Rayleigh-Jeans)公式 瑞利 — 金斯线 维恩线 紫外灾难 四、普朗克量子假说 1. 普朗克(Planck)公式: 瑞利 — 金斯线 维恩线 普朗克线 在长波情况下： 在短波情况下： 2. 普朗克的能量子假说 辐射体是由带电谐振子(如振动分子、原子都可看作带电谐振子)组成，它们振动时向外辐射电磁波并和周围电磁场交换能量。 这些谐振子只能处于某种特殊的状态，它的能量取值只能为某一最小能量( )的整数倍: n:正整数,叫量子数 (3)能量子 与振子的频率 成正比 “我当时打算将基本作用量子 h 归并到经典理论范畴中去，但这个常数对所有这种企图的回答都是无情的” 思考题 1. 黑体是否就是黑色物体？绝对黑体是否在 任何温度下都是黑色的？ 2. 人体热辐射的各种波长中，对应哪个波长的单色辐出度最大？ 3. 若一物体的绝对温度增加一倍，它的总辐射能增加到原来的多少倍？ §14-2 光电效应 爱因斯坦光子理论 一、光电效应 (Photo-electric effect) V A 光电效应是赫兹在1887年发现的 1896年汤姆逊发现了电子之后 勒纳德证明了光电效应中发出的是电子 光电效应: 光照射某些金属时能从表面释放出电子的效应 产生的电子称为光电子 １．入射光频率一定时，饱和光电流强度与入射光光强成正比 i U 0 入射光较弱 入射光较强 ２．遏止电势差　　 i U 0 入射光较弱 入射光较强 遏制电势差：反映光电子的初动能 3．遏制电势差与入射光频率成线性关系，与光强无关 光电子的初动能随频率线形增加，与入射光光强无关 Cs Ca Na 4、存在一个“截止频率”（ 红限频率 ?o ） 当入射光的频率小于红限频率时，无论光强多大，也不会产生光电效应。 几种纯金属的截止频率 金属 截止频率 4.545 5.50 8.065 11.53 铯 钠 锌