基础物理(一)量子现象量子现象8-1量子论的开端(一.DOCVIP

第八章 量子現象 8-1 量子論的開端 (一)黑體輻射： 熱輻射： 物體的溫度不論高低，只要大於絕對零度，都會發出熱輻射。 西元1893年，實驗發現，輻射的電磁波具有最大能量強度時所對應的波長()，和絕對溫度(T)成反比，即 。 黑體輻射的溫度愈高，所發出輻射強度愈強，涵蓋波長的範圍也愈寬廣。 物質有溫度時，內部的粒子即具有能量，溫度愈高能量愈大，粒子間碰撞愈激烈，因此造成速度改變，而產生了加速度。 依電磁波理論，當帶電質點有加速度時，會輻射電磁波，使得能量減少，此種電磁輻射，是由於熱所造成的現象，稱為熱輻射。 當溫度愈高時，電磁輻射的能量愈大，輻射的波長愈短，頻率愈高。 宇宙間的溫度為絕對溫度3K(－270)，此時電磁輻射為無線電波(或微波)。【註】：3K的電磁輻射應為『微波』，87年推甄試題選項中答案為『無線電波』，視為廣義之解釋。 水沸騰時溫度為373K(100)，釋放之電磁輻射為紅外線。 白熾燈(鎢絲燈)的溫度約為2300K，電磁輻射的可見光強度較弱，大部分為紅外線。 太陽表面約為6000K，產生的電磁輻射大部分為可見光，同時有一部份的紫外線及紅外線。 傳統的電磁學以波動形式，無法完美地解釋黑體輻射的實驗結果。 (二)量子論： 德國物理學家普朗克研究黑體輻射時，發現傳統的電磁輻射無法解釋實驗結果，必須將物體帶電質點振動時所具有的能量視為某最小單位的整數倍，則所得結論與實驗結果能完全吻合。而此帶電質點所具有的最小能量E與帶電質點的振動頻率成正比，因此得到 其中h：普朗克常數＝6.63×10－34 Js  ：帶電質點的振動頻率＝電磁輻射頻率(Hz) 如果物理量的值不是連續的任意值，而是只能存在某些特定情況的數值，此種現象稱為量子化。 量子： 物質的量子化：道耳吞提出『原子說』，主張原子是組成物質的最小單位，原子不能被分割，即物質是由整數個原子所組成，此為物質的量子化。 電量的量子化：密立坎以油滴實驗測定電荷電量，認為電荷電量有最小單位，即為1.6×10－19庫侖，帶電體的電量必為基本電荷的整數倍，稱為電量量子化。 能量的量子化：普朗克解釋黑體輻射，主張物體上帶電粒子振動時，所吸收或放出的能量為不連續的數值，且為E＝hf的整數倍，即輻射能量僅能為hf、2hf、3hf......，此種不連續的能量，稱為能量量子化。 普朗克的『能量子化』假設，恰能完全吻合黑體輻射的結果，開啟了二十世紀近代物理的研究。 8-2 光電效應 (一)光電效應： 光電效應的發現： 西元1887年德國人赫茲發現以紫外光照射線圈的電極時，發現會放電，產生火花。 西元1888年許多科學家加入研究，發現帶有負電荷的鋅金屬表面，不論數量多少，被紫外線照射，會快速地失去負電荷若電中性的鋅金屬被紫外線照射，則很快地變為帶正電荷 光電效應： 光線照射在金屬表面，使得電子逸出金屬表面的現象，稱為光電效應。 在光電效應中，逸出的電子稱為光電子；在電路中形成的電流，稱為光電流。 西元1902年，德國人雷納經一系列光電效應的研究，獲得許多重要的結論： 入射光需大於某一特定頻率，才能產生光電效應，此頻率稱為截止頻率，或是底限頻率。 若入射光的頻率小於截止頻率，則無法產生光電效應，和入射光的強度及照射時間的長度無關。 產生光電效應的截止頻率只和光電板的材質種類有關，和面積大小無關。 入射光若大於截止頻率，則照射瞬間即可產生光電效應，即使光的強度微弱，亦能瞬間產生光電效應。 古典物理遇光電效應的困境： 光的強度與振幅有關，強度愈大，則光波的振幅愈大，光波具有的能量愈大，因此強光應較容易產生光電效應，弱光則不易產生光電效應。 光照射金屬表面，將能量傳遞給金屬表面的電子，當電子獲得足夠的能量即應脫離金屬表面，不應有截止頻率的存在。 弱光照射金屬表面，經長時間累積，應仍可獲得足夠的能量，使電子脫離金屬表面。 (二)光子論： 西元1905年，愛因斯坦提出光子論，將電磁波視為具有能量包的顆粒，這些顆粒稱為光量子，簡稱光子，光子的能量與光波的頻率成正比， 決定，其中h為普朗克常數，為電磁波(光子)的頻率 入射光能量： 已知入射光頻率： 入射光頻率5×1014赫，含能量__________焦耳。 入射光波長為5000?，則含能量__________e.V。 得到公式： E＝hf＝ (三)光子論解釋光電效應： 游離能(功函數)：不同的金屬板，具有不同的游離能。 鋰金屬的電子脫離金屬表面，需吸收_______ eV的能量； 鈉金屬的電子脫離金屬表面，需吸收______ eV的能量； 鉀金屬的電子脫離金屬表面，需吸收_______ eV的能量； 光電子動能： 入射光400