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第13章 量子力学基础 （1） 《普通物理学》下册 §13.1 黑体辐射和普朗克的能量子假说 §13.2 光电效应和爱因斯坦的光量子论 §13.3 康普顿散射效应 §13.4 德布罗意波 微观粒子的波粒二象性 §13.5 不确定性关系 内 容 量子理论的诞生 引言 §13.1 黑体辐射和普朗克的能量子假说 一、热辐射 定义 分子的热运动使物体辐射电磁波 基本性质 温度??发射的能量??电磁波 的短波成分? 例如：加热铁块 由于物体辐射能量及能量按波长（频率）分布都决定于温度，所以称为 热辐射。 平衡热辐射 物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量。 二、基尔霍夫辐射定律 单位时间内从物体表面单位面积上发出的波长在λ 到λ+ dλ范围内的辐射能。 1.单色辐出度 ——辐射能量按波长的分布 2. 辅出度 单位时间内从物体表面单位面积上所发射的各种波长的总辐射能 辐出度只是物体温度的函数 3.单色吸收比和单色反射比 若物体在任何温度下,对任何波长的辐射能的吸收比都等于1,则称该物体为绝对黑体,简称黑体。 4. 黑体（理想模型） 5. 基尔霍夫辐射定律 黑体模型 好的吸收体也是好的辐射体 用不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。 三、黑体辐射实验定律 在同样的温度下,各种不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收比之比值都相等,并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐出度。 1700K 1500K 1300K 1100K 黑体的单色辐出度按波长的分布曲线 实验曲线 黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比 1. 斯特藩-玻耳兹曼定律 黑体辐射实验定律 斯特藩常量 2. 维恩位移定律 维恩常量 维恩经验公式 如何从理论上找到符合实验曲线的函数式 在波长较短处与实验曲线符合得很好 四、普朗克的能量子假设 瑞利--金斯经验公式 在波长较长处与实验曲线比较相近 维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不符。明显地暴露了经典物理学的缺陷。 黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。 普朗克利用内插法提出了一个新的公式 普朗克常量 普朗克公式在全波段与实验结果惊人符合 但用经典理论解释不通上式 经典物理学遇到了困难 0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 T=2000K 瑞利 — 金斯公式 维恩公式 黑体辐射的理论和实验结果的比较 物体----------振子 经典理论：振子的能量取“连续值” 1．“振子”的概念（1900年以前) 普朗克的能量子假设 2. 普朗克假定（1900） 经典 能量 物体发射或吸收电磁辐射: 量子 3. 普朗克的能量子假说 （1） 辐射体本身的原子可看成一个个带电谐振子，它可以与周围电磁场交换能量（辐射、吸收）。 （2）谐振子本身的能量不是连续的，只能是某一最小能量的整数倍。（能量量子化） （3）谐振子向外辐射或吸收能量前后，其能量也只能是上述诸状态之一。 4. 由普朗克公式得出 斯特潘——玻耳兹曼定律 维恩位移定律 普朗克在1918年获得诺贝尔物理学奖 作业: 13.1 13.2 13.3 §13.2 光电效应和爱因斯坦的光子理论 一、光电效应的实验规律 1．光电效应现象 光电子 光电效应 当光照射到金属表面上时， 电子会从金属表面逸出。 2．实验装置 （1）饱和电流im. 3. 实验规律 饱和电流 im 与入射光强 I 成正比. （2）遏止(截止)电势差Uc . 逸出的光电子具有初动能 此时光电子初动能用来克服静电阻力作功 实验还表明：截止电压Uc与入射光频率成正比与入射光强度无关 （3）遏止频率v0 只有当入射光频率大于一定的频率时，才会产生光电效应。 （4） 弛豫时间 弛豫时间不超过 10-9 s 光电效应是瞬时发生的 二、经典物理学所遇到的困难 按照光的经典电磁理论： 光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，更不存在截止频率！ · 只要光强足够大，就能产生光电效应。 光电子逸出金属表面所需的能量，是直接吸收照射到金属表面上的光的能量。当入射光的强度很微弱时，阴极电子需要一定的时间来积累能量克服逸出功。光电效应不可能瞬时发生！ 1.普朗克假定是不协调的 三、爱因斯坦的光子理论 只涉及发射或吸收,未涉及辐射在空间的传播。 光量子具有“整体性” 电磁辐射由以光速c运动的局限于空间某一小范围的光量子（光子）组成，其能量 2.爱因斯坦光量子假设(1905) 3. 对光电效应的解释 1.此式说明了光电子的初动能与入射光频率的线性关系；（说明（2）） 2.入射光的强度增加，使光子数目增多（但每个光子的能量不变），单位时间内吸