量子物理1

3、维恩位移定律 、
λ
M (T ) = σT
σ=5.67×10-8W· × m-2·
当黑体的热力学温度升高时， 当黑体的热力学温度升高时， 与单色辐出度峰值相对应的 波长λ 向短波方向移动， 波长λm 向短波方向移动，这 就是维恩位移定律 维恩位移定律。 就是维恩位移定律。
4
K-4
λmT = b
b = 2.898 × 10 m ⋅ K
五、黑体辐射的应用
测量温度：通过测量星体的谱线分布来确定其热力学温度 测量温度： 热象图： 热象图：通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确 定物体表面的温度分布； 定物体表面的温度分布； 3K背景辐射：对来自外界空间的辐射，可用 背景辐射： 背景辐射 对来自外界空间的辐射，可用wein位移公式 位移公式 来估算 消失线高温计：测量炉温 消失线高温计：
G
A
U
K
Ek max = eU a
3、实验现象 、
(1)饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比。 饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比。 饱和光电流 (2)存在截止频率：对某一种金属来说，只有 存在截止频率：对某一种金属来说， 存在截止频率 当入射光的频率大于某一频率ν0时，电子才能 从金属表面逸出，电路中才有光电流， 从金属表面逸出，电路中才有光电流，这个频 叫做截止频率——红限 红限. 率ν0叫做截止频率 红限 (3)线性性：用不同频率的光照射金属K的表 线性性：用不同频率的光照射金属 的表 线性性 面时，只要入射光的频率大于截止频率， 面时，只要入射光的频率大于截止频率，遏 止电势差与入射光频率具有线性关系。 止电势差与入射光频率具有线性关系。 U0 |US| U I IS 2 1 0 Na Ca U 3
•生物物理 生物物理
•有机体遗传程序的研究（须运 有机体遗传程序的研究（ 有机体遗传程序的研究 用量子力学、统计物理、 射线 射线、 用量子力学、统计物理、X射线、 和核磁共振技术等 技术等）。 电子能谱 和核磁共振技术等）。 •非平衡热力学及统计物理 非平衡热力学及统计物理
3、物理学发展的趋向 、
M λ (T )
瑞利-琼斯 瑞利 琼斯
普朗克理论值
T=1646k
M λ (T )dλ = σT 4 ∫
∞
dM λ (T ) =0 dλ
λ
维恩位移定律 斯特藩 玻耳兹曼定律 斯特藩-玻耳兹曼定律 维恩公式 瑞利—金斯公式 瑞利 金斯公式
λ →0
λ →∞
0
4、普朗克假说意义 、普朗克假说意义
普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧观点，提出 普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧观点， 了能量子、 了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的 方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题， 方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题， 而且开创物理学研究新局面， 而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识 已经从从宏观领域进入微观领域， 已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了 基础。 基础。
第十四章
早期量子论
1、物理学的发展过程 、
经典物理 物理学 现代物理 相对论 量子论 非线性 力学 热学 电磁学 光学
2、近年来的发展 、
•粒子物理： 粒子物理： 粒子物理 •量子电动力学、重整化方法 量子电动力学、 量子电动力学 •天体物理： 天体物理： 天体物理
•太阳中微子短缺问题 太阳中微子短缺问题 •引力波存在的问题 引力波存在的问题 •物体的速度能否超过光速的 物体的速度能否超过光速的 问题
1、普朗克假说 、
•谐振子的能量可取值只能是某一最小能量单元ε 的整数倍，即： 谐振子的能量可取值只能是某一最小能量单元ε 的整数倍， 谐振子的能量可取值只能是某一最小能量单元
E = nε , n=1, 2, 3, .... ε
为量子数， ε叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数 叫能量子，简称量子， 为量子数 它只取正整数——能量量 能量量 子化。 子化。 •对于频率为ν 的谐振子，最小能量为： 对于频率为ν 对于频率为 的谐振子，最小能量为：
辐射出射度
在单位时间内，从热力学温度为 的黑体的单位面积 在单位时间内，从热力学温度为T的黑体的单位面积 所辐射的各种波长范围的电磁波的能量总和， 上、所辐射的各种波长范围的电磁波的能量总和，称 辐射出射度，简称辐出度 辐出度。 为辐射出射度，简称辐出度。 单位： 单位：Ｗ·m-2
M(T ) = ∫ Mλ (T )dλ
3、与热辐射有关的物理量 、 单色辐出度
从热力学温度为T 的黑体的单位面积上、单位时间内、 从热力学温度为 的黑体的单位面积上、单位时间内、 在单位波长范围内所辐射的电磁波能量， 在单位波长范围内所辐射的电磁波能量，称为单色辐射 出射度，简称单色辐出度，用Mλ(T)表示。 出射度，简称单色辐出度， 表示。 单色辐出度 单位： 单位：Ｗ·m-3
−3
玻耳兹曼常量 为斯特藩-玻耳兹曼常量 斯特藩 玻耳兹曼
三、黑体辐射的瑞利—金斯公式 经典物理的困难 黑体辐射的瑞利 金斯公式
1、目的： 、目的：
实验 探求单色辐出度的数学表达式
来自百度文库
2、瑞利—金斯公式 、瑞利 金斯公式
利用能量均分定理和电磁理 论得出： 论得出：
M λ (T )
瑞利-琼斯 瑞利 琼斯
其中
h=6.626×10-34 J · s ×
ε= h ν
为普郎克常数
结论：谐振子吸收或辐射的能量只能是ε ν的整数倍。 结论：谐振子吸收或辐射的能量只能是ε=hν的整数倍。
2、普朗克公式 、
M λ (T ) d λ =
2 π hc
2
dλ e
hc kλ T
λ5
−1
3、说明 、
实验 •普朗克假说不仅圆满地解释 普朗克假说不仅圆满地解释 了绝对黑体的辐射问题， 了绝对黑体的辐射问题，还解 释了固体的比热问题等。 释了固体的比热问题等。它成 为现代理论的重要组成部分。 为现代理论的重要组成部分。 •从普朗克公式可导出斯特 从普朗克公式可导出斯特 从普朗克公式可导出 玻耳兹曼定律， 藩-玻耳兹曼定律，维恩 玻耳兹曼定律 公式，瑞利—金斯公式 公式，瑞利 金斯公式
2π v M ν (T ) d ν = kTd ν 2 c 2π c M λ (T ) d λ = 4 kTd λ
2
T=1646k
λ
λ
3、经典物理的困难 、
在低频（长波）部分与实验曲线相符合，在高频（短波） 在低频（长波）部分与实验曲线相符合，在高频（短波）则完 全不能适用。 全不能适用。 在高频部分， 在高频部分，黑体辐射的单色辐出度将随着频率的增高而趋于 紫外灾难” 无限大” 紫外灾难 “无限大”——“紫外灾难”。
ν0
Ua
2.0
ν
红限频率
1.0
ν01 O
ν 6.0 8.0 10.0 × 104 Hz
ν02
(4)瞬时性：无论入射光的强度如何，只要其频率大 瞬时性：无论入射光的强度如何，
于截止频率，则当光照射到金属表面时， 于截止频率，则当光照射到金属表面时，几乎立即就 有光电流逸出（延迟时间越为10-9s） 有光电流逸出（延迟时间越为 ）
普朗克量子 量子假设 § 14 - 1 黑体辐射 普朗克量子假设
一、 热辐射及其描述
1、热辐射 、
热辐射现象：任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。 热辐射现象：任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电 磁波能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与温度有关， 磁波能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与温度有关，故 称为热辐射 热辐射。 称为热辐射。 热平衡现象：辐射和吸收的能量 热平衡现象： 恰相等时称为热平衡 热平衡。 恰相等时称为热平衡。此时温度 恒定不变。 恒定不变。
§ 14 - 2 光电效应 爱因斯坦光子理论
一、光电效应的实验规律
1、光电效应的基本概念 、 当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫光电效应，所逸 当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫光电效应， 光电效应 光电子， 光电流， 出的电子叫光电子 由光电子形成的电流叫光电流 出的电子叫光电子，由光电子形成的电流叫光电流，使电子逸出某种 金属表面所需的功称为该种金属的逸出功 逸出功。 金属表面所需的功称为该种金属的逸出功。
•学科之间的大综合 学科之间的大综合 •相互渗透结合成边缘学科 相互渗透结合成边缘学科
原子是构成物质的基本单元； 原子是构成物质的基本单元； 能量是连续变化的。 能量是连续变化的。
4、从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题 、
•1887年的迈克耳孙 莫雷实验否定了绝对参考系的存在； 年的迈克耳孙—莫雷实验否定了绝对参考系的存在 年的迈克耳孙 莫雷实验否定了绝对参考系的存在； •1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所 年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题， 年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题 紫外灾难” 谓“紫外灾难”； •1896年贝克勒尔发现放射性现象，说明原子不是物质的基本单元，原子 年贝克勒尔发现放射性现象， 年贝克勒尔发现放射性现象 说明原子不是物质的基本单元， 是可分的。 是可分的。
2、黑体 、
定义：如果一个物体在任何温度下， 定义：如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全 吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝对黑体 简称黑体 绝对黑体， 黑体。 吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。 说明： 黑体是个理想化的模型 黑体是个理想化的模型。 说明：(1)黑体是个理想化的模型。 (2)对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。 对于黑体， 对于黑体 在相同温度下的辐射规律是相同的。
0
∞
二、黑体辐射实验定律 黑体辐射实验定律
1、测量黑体辐射的实验原理图 、
M λ (T )
1700k 1500k 1300k
2、斯特藩-玻耳兹曼定律 、斯特藩 玻耳兹曼定律
黑体的辐出度与黑体的热力学 温度的四次方成正比， 温度的四次方成正比，这就是 斯特藩 玻耳兹曼定律 玻耳兹曼定律。 斯特藩-玻耳兹曼定律。
四、普朗克假说 普朗克黑体辐射公式 普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858―1947) 普朗克
德国物理学家， 德国物理学家，量子物理学的开创者和奠 基人。 基人。 普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论， 普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论， 1900年12月14日他在德国物理学会上，宣 日他在德国物理学会上， 年 月 日他在德国物理学会上 读了以《 读了以《关于正常光谱中能量分布定律的 理论》为题的论文， 理论》为题的论文，提出了能量的量子化 假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。 假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。 这是物理学史上的一次巨大变革。 这是物理学史上的一次巨大变革。从此结 束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称 束了经典物理学一统天下的局面。 这一天为“量子论的诞生日” 这一天为“量子论的诞生日”。 1918年普朗克由于创立了量子理论而获得 年普朗克由于创立了量子理论而获得 了诺贝尔奖金。 了诺贝尔奖金。
4、经典理论的困难 、
(1)经典物理认为光强越大，饱和电流应该大，光电子的 经典物理认为光强越大，饱和电流应该大， 经典物理认为光强越大 初动能也该大。 初动能也该大。但实验上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。 与频率有关，光电子初动能也与频率有关。 (2)只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率 只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流； 只要频率高于红限 低于红限时，无论光强再大也没有光电流。 低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为 有无光电效应不应与频率有关。 有无光电效应不应与频率有关。 (3)瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量 瞬时性。经典认为光能量分布在波面上， 瞬时性 要时间，即需能量的积累过程。 要时间，即需能量的积累过程。
2、实验装置
单色光通过石英窗照射金属板， 单色光通过石英窗照射金属板，阴极上有光 电子产生。 电子产生。 如将K接正极、 接负极 则光电子离开K后 接负极， 如将 接正极、A接负极，则光电子离开 后， 接正极 将受到电场的阻碍作用。 将受到电场的阻碍作用。当K、A之间的反向 、 之间的反向 电势差等于U 电势差等于 a时，从K逸出的动能最大的电 逸出的动能最大的电 子刚好不能到达A，电路中没有电流， 子刚好不能到达 ，电路中没有电流， Ua叫 遏止电压。 遏止电压。