从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题
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•经典: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. 实验:瞬时性.
三.爱因斯坦的光子学说(1905)
光不仅在与物质相互作用时(发射和吸收),具有粒子性,而且,在 传播过程中也具有粒子性.
•一个频率为 的光子具有能量 h •能流密度：S nh ,不仅取决于单位面积上的光子数n，
还取决于频率.
U
与入射光的频率成正比.
eVg
1 mv 2 2
I
3.对每一种金属存在
Im
一最低频率－红限频率
Vg
3 2
1
I
Im
31 2
0
V0 红限频率
Vg 0
V
相同频率，
不同入射光强度
Vg3 Vg2 Vg1 0
V
相同入射光强度，
不同频率
截止电压与入射光频率有线性关系:
4.瞬时性:10-9秒.
Vg
K
V0
,
1 2
mv
2
从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题
• 黑体辐射问题. “紫外灾难”;•光电效应、康普顿效应;
•原子的稳定性和大小
§8-1.2.3 黑体辐射 普朗克能量子假说
实验表明:一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量.
辐射的能量与温度有关:热辐射
辐射和吸收的能量恰相等时:热平衡.(温度恒定不变)
1.单色辐出度:
由此可解释:
Im
饱和光电流强度与光强成正比;
31
截止电压与频率成线性关系;
2
红限频率的存在.
Vg3 Vg2 Vg1 0
3 2 1
V
V
四.光子的能量、动量和质量
h
相对论质能关系： h mc 2
光子质量：m
h
c2
h
c
m
m0 1 v2 /c 2
所以,光子的静止质量为零.
光子的动量: p mc h
I
•散射角确定时,波长的增量
波长变长的散射 与散射物质的性质无关.
=90o
称为康普顿散射 •康普顿散射的强度与散射
I 0
正常散射
=135o
物质有关. 原子量小的散射物质， 康普顿散射较强, 即正常峰较低.反之相反.
E( ,T ) f ( ,T ). 若：A( ,T ) 1， E( ,T ) f ( ,T ) A( ,T )
E( ,T ) f ( ,T ). 若：A( ,T ) 1， E( ,T ) f ( ,T ) A( ,T )
6.绝对黑体的热辐射规律
绝对黑体:对于任意温度、波长，吸收比恒为1的物体. 不透明材料的空心容器,壁上开一小孔. 小孔的行为:绝对黑体 黑体辐射:空腔辐射
2ckT 4
ε 但： “紫外灾难”
(,T)
实验 瑞利-琼斯
维恩理论值
7.普朗克公式 能量子
•普朗克能量子假说 辐射物体中包含大量谐振子，能量取特定的分立值，
能量子: = i = ih , i=0,1,2,
h=6.62610-34焦耳 振子只能一份份地按不连续方式辐射或吸收能量
(,T ) 2hc 2 5
1
hc
e kT 1 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.成为现代理论的重要组成部分.
§8-4.5 光电效应 一.光电效应的实验规律
1.饱和光电流强度与入射光强度成正比. •单位时间内从金属表面逸出的
G
光电子数与入射光强成正比:Im=ne
2.的困难: •经典:光强大,饱和电流也应大,光电子的初动能也应大.
实验:饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关,光电子初动能 也与频率有关.
•经典:照射时间足够长即可积蓄能量,光电效应与频率无关. 实验: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.
d''( ,T ) d''( ,T ) d( ,T ) E( ,T )d
•非透明物体:A( ,T ) B( ,T ) 1
温度为T 的物体,若吸收多,则反射少,自身辐射强;反之则反.
夏天的烈日下,穿白(黑)衣凉快？夏天在室内,穿白(黑)衣凉快？
5.基尔霍夫定律
热平衡下,E(,T)/A (,T)是频率和温度的普适函数,与物体性质无关.
密立根1916年的实验,证实了光子论的正确性, 并求得:h=6.5710-34 焦耳•秒.
光的波动性()和粒子性(p) 通过普朗克常数联系在一起.
§8-6 康普顿效应(1923)
一.实验事实 I
=0o
I
X射线7.1nm S
石墨晶体 A1 A2
W
C1C2
探测器
B 散射角
准直系统
=45o
实验: •波长的增加量与散射角有关
光通量Φ=S·s=Nhν
由能量守恒: h 1 mv 2 w. w逸: 出功
2 一个电子逸出金属表面后的最大动能:
Vg
1 mv 2 2
eVg
eK
eV0 h
w,
0
V0 红限频率
V0
w ,K e
h, e
0
V0 K
w, h
I Im
逸出功只与金属性质有关与光的频率无关.
Vg
h w .
e
Vg 0 I
E(,T )
d(,T ) d
从温度为T 的物体单位表面积、 单位频率间隔中辐射的功率.
•反映物体在不同温度下辐射能按频率(波长)的分布.
2.总辐射出射度(辐出度): 0(T )
E(,T )d
0
单位表面积辐射的各波长电磁波的功率之和.
•相同温度下,不同物体的辐出度不同.
3.吸收比: 照射到温度为T 的物体单位面积,单位频率间隔的能量,
被吸收的百分比.
A( ,T
)
T时,单位面积上 内吸收的能量 T时,入射于单位面积 内的能量
d'(,T ) d(,T )
d'(,T ) E(,T )d
0 A(,T ) 1
物体的吸收比在不同温度下、对不同的频率范围及表面是不同的.
4.反射比
B( ,T
)
T时,从单位面积反射的 内的能量 T时, 内入射于单位面积的能 量
好的吸收体也是好的辐射体 黑体辐射的实验规律:
E(,T ) (,T ) f (,T ) ?
(,T)
6000K
•斯忒藩(1879)玻耳兹曼(1884)定律
总辐射出射度:Φ0(T )
E(,T )d
0
T 4
5.67 108W /（m2 K4）
E(,T ) (,T ) f (,T ) ?
5000K 4000K
•维恩(1893)位移定律
实验:当绝对黑体的温度升高时,单色辐出度最大值m向短波方
向移动.温度高－兰白色,温度低－暗红色.
•维恩位移定律
b
2.897 103m K
由热力学理论导出, 长波段不吻合.
•“紫外灾难”:瑞利琼斯(1900)
能均分定理＋电磁理论得：
ε(,T )
长波段吻合很好，
三.爱因斯坦的光子学说(1905)
光不仅在与物质相互作用时(发射和吸收),具有粒子性,而且,在 传播过程中也具有粒子性.
•一个频率为 的光子具有能量 h •能流密度：S nh ,不仅取决于单位面积上的光子数n，
还取决于频率.
U
与入射光的频率成正比.
eVg
1 mv 2 2
I
3.对每一种金属存在
Im
一最低频率－红限频率
Vg
3 2
1
I
Im
31 2
0
V0 红限频率
Vg 0
V
相同频率，
不同入射光强度
Vg3 Vg2 Vg1 0
V
相同入射光强度，
不同频率
截止电压与入射光频率有线性关系:
4.瞬时性:10-9秒.
Vg
K
V0
,
1 2
mv
2
从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题
• 黑体辐射问题. “紫外灾难”;•光电效应、康普顿效应;
•原子的稳定性和大小
§8-1.2.3 黑体辐射 普朗克能量子假说
实验表明:一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量.
辐射的能量与温度有关:热辐射
辐射和吸收的能量恰相等时:热平衡.(温度恒定不变)
1.单色辐出度:
由此可解释:
Im
饱和光电流强度与光强成正比;
31
截止电压与频率成线性关系;
2
红限频率的存在.
Vg3 Vg2 Vg1 0
3 2 1
V
V
四.光子的能量、动量和质量
h
相对论质能关系： h mc 2
光子质量：m
h
c2
h
c
m
m0 1 v2 /c 2
所以,光子的静止质量为零.
光子的动量: p mc h
I
•散射角确定时,波长的增量
波长变长的散射 与散射物质的性质无关.
=90o
称为康普顿散射 •康普顿散射的强度与散射
I 0
正常散射
=135o
物质有关. 原子量小的散射物质， 康普顿散射较强, 即正常峰较低.反之相反.
E( ,T ) f ( ,T ). 若：A( ,T ) 1， E( ,T ) f ( ,T ) A( ,T )
E( ,T ) f ( ,T ). 若：A( ,T ) 1， E( ,T ) f ( ,T ) A( ,T )
6.绝对黑体的热辐射规律
绝对黑体:对于任意温度、波长，吸收比恒为1的物体. 不透明材料的空心容器,壁上开一小孔. 小孔的行为:绝对黑体 黑体辐射:空腔辐射
2ckT 4
ε 但： “紫外灾难”
(,T)
实验 瑞利-琼斯
维恩理论值
7.普朗克公式 能量子
•普朗克能量子假说 辐射物体中包含大量谐振子，能量取特定的分立值，
能量子: = i = ih , i=0,1,2,
h=6.62610-34焦耳 振子只能一份份地按不连续方式辐射或吸收能量
(,T ) 2hc 2 5
1
hc
e kT 1 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.成为现代理论的重要组成部分.
§8-4.5 光电效应 一.光电效应的实验规律
1.饱和光电流强度与入射光强度成正比. •单位时间内从金属表面逸出的
G
光电子数与入射光强成正比:Im=ne
2.的困难: •经典:光强大,饱和电流也应大,光电子的初动能也应大.
实验:饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关,光电子初动能 也与频率有关.
•经典:照射时间足够长即可积蓄能量,光电效应与频率无关. 实验: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.
d''( ,T ) d''( ,T ) d( ,T ) E( ,T )d
•非透明物体:A( ,T ) B( ,T ) 1
温度为T 的物体,若吸收多,则反射少,自身辐射强;反之则反.
夏天的烈日下,穿白(黑)衣凉快？夏天在室内,穿白(黑)衣凉快？
5.基尔霍夫定律
热平衡下,E(,T)/A (,T)是频率和温度的普适函数,与物体性质无关.
密立根1916年的实验,证实了光子论的正确性, 并求得:h=6.5710-34 焦耳•秒.
光的波动性()和粒子性(p) 通过普朗克常数联系在一起.
§8-6 康普顿效应(1923)
一.实验事实 I
=0o
I
X射线7.1nm S
石墨晶体 A1 A2
W
C1C2
探测器
B 散射角
准直系统
=45o
实验: •波长的增加量与散射角有关
光通量Φ=S·s=Nhν
由能量守恒: h 1 mv 2 w. w逸: 出功
2 一个电子逸出金属表面后的最大动能:
Vg
1 mv 2 2
eVg
eK
eV0 h
w,
0
V0 红限频率
V0
w ,K e
h, e
0
V0 K
w, h
I Im
逸出功只与金属性质有关与光的频率无关.
Vg
h w .
e
Vg 0 I
E(,T )
d(,T ) d
从温度为T 的物体单位表面积、 单位频率间隔中辐射的功率.
•反映物体在不同温度下辐射能按频率(波长)的分布.
2.总辐射出射度(辐出度): 0(T )
E(,T )d
0
单位表面积辐射的各波长电磁波的功率之和.
•相同温度下,不同物体的辐出度不同.
3.吸收比: 照射到温度为T 的物体单位面积,单位频率间隔的能量,
被吸收的百分比.
A( ,T
)
T时,单位面积上 内吸收的能量 T时,入射于单位面积 内的能量
d'(,T ) d(,T )
d'(,T ) E(,T )d
0 A(,T ) 1
物体的吸收比在不同温度下、对不同的频率范围及表面是不同的.
4.反射比
B( ,T
)
T时,从单位面积反射的 内的能量 T时, 内入射于单位面积的能 量
好的吸收体也是好的辐射体 黑体辐射的实验规律:
E(,T ) (,T ) f (,T ) ?
(,T)
6000K
•斯忒藩(1879)玻耳兹曼(1884)定律
总辐射出射度:Φ0(T )
E(,T )d
0
T 4
5.67 108W /（m2 K4）
E(,T ) (,T ) f (,T ) ?
5000K 4000K
•维恩(1893)位移定律
实验:当绝对黑体的温度升高时,单色辐出度最大值m向短波方
向移动.温度高－兰白色,温度低－暗红色.
•维恩位移定律
b
2.897 103m K
由热力学理论导出, 长波段不吻合.
•“紫外灾难”:瑞利琼斯(1900)
能均分定理＋电磁理论得：
ε(,T )
长波段吻合很好，