《大学物理》教学资料：14第十四章光的粒子性.pptVIP

* 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。 微观世界，更本质一点…！ §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 。 * 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 斯忒潘 — 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1 （1）温度为室温 的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？（2）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，其温度应为多少？（3）以上两辐出度之比为多少？ 解 （2）取 （1）由维恩位移定律 （3）由斯特藩—玻尔兹曼定律 例2 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. 解 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 这种方法进行推测 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 为什么在宏观世界中, 观察不到能量分离的现象? 量子假说的含义及其与宏观现象的关系 例：设想一质量为 m=1g 的小珠子悬挂在一个小轻弹簧下面作振幅 A=1mm的谐振动。弹簧的劲度系数 k=0.1N/m。按量子理论计算，此弹簧振子的能级间隔多大？减少一个能量子时,振动能量的相对变化是多少？ 量子论是不附属于经典物理 的全新的理论，适用范围更广。 能量 经典 光量子 ? = h? 能量子 能量 能级间隔 振子现有能量 相对能量变化 【解】弹簧振子的频率 这样小的相对能量变化在现在的技术条件下还不可能测量出来。现在能达到的最高的能量分辨率为： 所以宏观的能量变化看起来 都是连续的。 “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 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 饱和光电流时，光电子全部被阳极收集。注意到，在正向电压为零时，光电流不为零，表示出射的光电子有一定的初动能。 ２．遏制电势差与入射光频率成线性关系，与光强无关 遏制电势差： 反映光电子的初动能 经典理论认为光电子的初动能应决定于入射光的光强，而不决定于光的频率。 C