实验验证之一:光谱

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赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。
1887年,赫兹研究了紫外光对火花放电的影响,发现了 光电效应,即在光的照射下物体会释放出电子的现象。 这一发现,后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。
量子假说根据之二 光电效应
1888年,霍尔瓦西斯发现清洁而绝缘的锌板在紫外 光照射下获得正电荷,而带负电荷的板在光照射下失掉 负电荷。
量子假说根据之一源自文库体辐射
19世纪末,人们已经认识到热辐射和光辐射都是电 磁波,并对辐射能量在不同频率范围内的分布问题,特 别是黑体辐射,进行了较深入的理论和实验研究。维恩 和拉梅尔发明了第一个实用黑体——空腔发射体,为他 们的实验研究提供了所需的“完全辐射”。维恩在前人 研究的基础上于1893年提出了理想黑体辐射的位移定律: λmaxT=2.898×10-3mK。
量子假说根据之三 光谱
激光有很高的亮度和单色性,与物质相互 作用将产生各种非线性现象比如饱和吸收、双 光子和多光子吸收和受激散射等,利用这些光 学现象可以显著地提高光谱分辨率。这就是光 谱技术的新分支-激光高分辨率光谱。它主要 包括饱和吸收光谱、双光子吸收光谱、偏振光 谱、能级交叉光谱等。利用上述几种光谱技术 排除了一阶多普勒效应的干扰,提高了光谱的 分辨率。采用激光冷却原子的方法将气体的温 度降到尽可能低的温度,同时消除一阶和二阶 多普勒宽度,可以得到完全没有多普勒展宽的 谱线。
E(v,T ) 8 hv3
c3
d
hv
e kT 1
h 就是著名的普朗克常量,其曲线与实验值完全吻
合,而这一公式是普朗克根据实验数据猜出来的。由此
公式当v->0和v->∞时分别都可得到与瑞利--金斯和维
恩公式相同的形式。
此公式虽然符合实验事实但其在公布时仍没有理论 根据,就在普朗克公式公布当天,另一位物理学家鲁本 斯将普朗克的结果与他的最新测量数据进行核对,发现 两者以惊人的精确性相符合。
黑体辐射实验
麦克尔逊--莫雷实验
量子论的诞生
相对论的诞生
量子假说根据之一黑体辐射
若物体在任何温度下,能吸收一切外来的电磁辐射(对 什么光都吸收而无反射),则称此物体为黑体(绝对黑体)
黑体是理想模型
所有物体都能发射热辐射,而热辐射与光辐射一样,都是 一定频率范围内的电磁波。炼钢的好坏常取决于炉内的温 度,温度可以从颜色中反应。在天文学中,人们靠辐射的 强度分布来判断星体表面的温度。
量子假说根据之一黑体辐射
第二天鲁本斯就把这一喜讯告诉了普朗克,从而使 普朗克决心:“不惜一切代价,找到一个理论解释。”
经过近二个月的努力,普朗克在同年12月14日的 一次德国物理学会议上提出:
黑体中的分子、原子的振动可看作谐振子,这些 谐振子的能量状态是分立的,相应的能量是某一最小 能量的整数倍, 即 ,2 ,3 , … n , 称为能 量子,n 为量子数.
4.对特定的表面,遏止电压依赖与光的频率而与光强无关。
1916年,美国物理学家密立根通过实验,证 实了光电效应中能量满足关系式正确性,并精确 测定了普朗克常数h;但他还是认为:"尽管爱 因斯坦的公式是成功的,但其物理理论是完全站 不住脚."
1913年包括普朗克在内的德国最著名的物理学家 也都认为,爱因斯坦的光量子理论是他在思辩中" 迷失了方向".
例1 波长为450nm的单色光射到纯钠的表面上. (1)这种光的光子能量和动量; (2)光电子逸出钠表面时的动能; (3)若光子的能量为2.40eV,其波长为多少?
解 (1) E h hc 4.421019 J 2.76eV
p h E 1.471027 kg m s1 2.76eV / c
它在长波部分和实验
瑞利 - 金斯公式
结果符合的较好,但在短
6
波部分给出了太大的数值.
* * 实验曲线
就这样经典物理遭遇到难
4 2
**
以克服的困难.
* *
* ** T = 2 000 K
*
*
* 0 12
*
3
*
**
/
1014
Hz
紫外灾难
量子假说根据之一黑体辐射
1900年10月19日,德国物理学家普朗克(Planck)在一次 物理学会议上提出了一个黑体辐射能量密度的公式:
量子假说根据之三 光谱
2005年
• 霍尔、格劳贝尔和亨施 在精
密激光光谱学和光学频梳的 贡献
2001年
• 康奈尔、·维曼和克特勒,发 现了玻色-爱因斯坦凝聚
4.对特定的表面,遏止电压依赖与光的频率而与光强无关。
经典理论遇到的困难
红限几问种题金属逸出功的近瞬似时性值问(题eV)
按经典理论,无论何
按经典理论,电子逸出
种度足频够率大的钠,入就射能光使铝,只电要子逸强 锌 金定铜属的所时需间的来能积银量累,, 需与铂要实有验一结
出金属.2.与46实验4结.0果8 不符4..31 果4不.7符0. 4.73 6.35
因发现热辐射规律——维恩位移 定律和建立黑体辐射的维恩公式,维 恩 ( Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien 1864-1928)(左 图)获得了1911年度诺贝尔物理学奖。
1893年,维恩发现黑体辐射的位移率,实验测得黑体 辐射本领R(λ,T)在不同温度下,随λ的变化规律。
第二章:原子的量子态:玻尔模型
第一节 背景知识 第二节 玻尔模型 第三节 光 谱 第四节 夫兰克--赫兹实验 第五节 玻尔理论的推广
第二章:原子的量子态:玻尔模型
第一节 背景知识 第二节 玻尔模型 第三节 光 谱 第四节 夫兰克--赫兹实验 第五节 玻尔理论的推广
第一节 背景知识
十九世纪中期,物理学理论在当时看来已经发展 到了相当完善的阶段,那时,一般的物理现象都可以 用相应的理论加以解释。
=nhv(n=1,2,3,……)
这一概念严重偏离了经典物理;因此,这一假设提 出后的5年时间内,没有引起人的注意,并且在这以后 的十多年时间里,普朗克很后悔当时的提法,在很多场 合他还极力的掩饰这种不连续性是“假设量子论”。
量子假说根据之二 光电效应
赫兹,(1857-1894) 德国物理学家,生 于汉堡。早在少年时代就被光学和力学 实验所吸引。十九岁入德累斯顿工学院 学工程,由于对自然科学的爱好,次年 转入柏林大学,在物理学教授亥姆霍兹 指导下学习。1885年任卡尔鲁厄大学物 理学教授。1889年,接替克劳修斯担任 波恩大学物理学教授,直到逝世。
R(λ,T)表示单位时间从黑 体的单位面积所辐射出去的 波长在λ附近范围内的能量 大小。它的最大值所对应的 波长λm与黑体的热力学温度 成反比的。
λmaxT=2.898×10-3mK。
维恩位移公式
量子假说根据之一黑体辐射
R( ,T ) c E( ,T )
4
腔内热平衡时的辐 射场的能量密度
1896年,维恩以经典物理为基础,认为能量的吸收和
可见一个新的理论要被人们所接受是何等的 困难。然而,历史很快作出了判断,1922年, 爱因斯坦因光电效应获诺贝尔物理奖。
K A
光电倍增管
它的管内有一个阴极K和一个阳极A外, 还有若干个倍增电极K1、K2、K3、K4、 K5 等 。 使 用 时 不 但 要 在 阴 极 和 阳 极 之 间加上电压,各倍增电极也要加上电压, 使阴极电势最低,各个倍增电极的电势 依次升高,阳极电势最高,这样,相邻 两个电极之间都有加速电场,当阴极受 到光的照射时,就发射光电子,并在加 速电场的作用下,以较大的动能撞击到 第一个倍增电极上,光电子能从这个倍 增电极上激发出较多的电子,这些电子 在电场的作用下,又撞击到第二个倍增 电极上,从而激发出更多的电子,这样, 激发出的电子数不断增加,最后后阳极 收集到的电子数将比最初从阴极发射的 电子数增加了很多倍(一般为105~108 倍)。因而,这种管子只要受到很微弱 的光照, 就能产生很大电流。
基尔霍夫在光学理论方面的贡献是给出了惠更斯-菲 涅耳原理的更严格的数学形式。
热辐射方面的研究成就:1859年,基尔霍夫证明, 黑体辐射与热辐射达到平衡时,辐射能量密度随频率变 化的曲线与位置只与黑体的热力学温度有关,而与空腔 的形式和组成物质无关。利用黑体可撇开材料的具体性 质来普遍研究热辐射本身的规律
hv
Tmax
W逸出
1 2
mvmax 2
W逸出
T
1.当光的强度与频率一定时, 当光照在金属表面时,电流几 乎同时产生。(<1 ns)
2.当减速势和光频率固定时, 光电流与光强成正比,即单位 时间内逸出的电子数目正比于 光的强度。
3.当光的强度和频率固定时,光电流随减速势增加而减 小,说明光电子的最大能量和光强无关。
c
(2)Ek E W (2.76 2.28)eV 0.48eV (3) hc 5.18107 m 518nm
E
量子假说根据之三 光谱
α粒子的大角度散射,肯定了原子核的存在,但核外电 子的分布及运动情况仍然是个迷,而光谱是原子结构的反 映,因此研究原子光谱是揭示这个迷的必由之路。
. 1666年,牛顿观察到太阳的光谱 . 17世纪,基尔霍夫和本生发现元素的特征谱
直接度量。
eV
eV0
1 2
mvm2
就没有一个电子能够到达负极,电流 为零,这个电压为遏止电压。
1.当光的强度与频率一定时,当光照在金属表面时,电流几 乎同时产生。(<1 ns)
2.当减速势和光频率固定时,光电流与光强成正比,即单位 时间内逸出的电子数目正比于光的强度。
3.当光的强度和频率固定时,光电流随减速势增加而减小, 频率一定时,对于不同的光强,有相同的遏止电压。说明光电 子的最大能量和光强无关。
发射都是连续的,导出频率在(v,v+dv)之间的辐射能
量密度:
E
(
,
T
)
C1
e3
C2 T
d
T是平衡时的温度,这个公式在短波部分与实验结果 符合的很好,但是长波(低频)部分有显著偏差.
1900-1905年,瑞利-琼斯在经典物理和统计物理学的基础
上导出:
E( ,T )d
8
c3
kT 2d
E( ,T )
物体的宏观机械运动,准确地遵从牛顿力学规律; 电磁现象被总结为麦克斯韦方程; 热现象有完整的热力学及统计物理学;……;
物理学的上空可谓晴空万里,在这种情况下,有许 多人认为物理学的基本规律已完全被揭示,剩下的工作 只是把已有的规律应用到各种具体的问题上,进行一些 计算而已。
第一节 背景知识
到了十九世纪末期,物理学晴朗的天空出现了几 朵令人不安的“乌云”,在物理学中出现了一系列令 人费解的实验现象。物理学遇到了严重的困难,其中 两朵最黑的云分别是:
1905年,爱因斯坦(Einstein)发展了普朗克(Planck) 的量子说,指出光以粒子的形式-光子—存在和传播。一个 光子的能量为E=hυ,因此,光电效应中能量满足关系式 :
hv
Tmax
W逸出
1 2
mvmax 2
W逸出
T
表明:对于给定的金属(φ给定),T 与ν成线性关系。直线的 斜率就是 h ,所以对不同的靶来说,这条线的斜率是相同的。
1900年,林纳实验证明,金属在紫外光的照射下发 射电子,后来,他进一步发现,光电效应的实验规律不 能用波动说解释。
1905年,爱因斯坦提出了光量子假说,并用此解释光 电效应。获得了1921年度的诺贝尔物理奖。
1. 单色光投射到作为正极的金属表面,引起光电子逸出。
2. 另一端电极加负电压(减速势),它的大小是电子能量的
量子假说根据之一黑体辐射
德国物理学家。1824年3月12 日生 于普鲁士的柯尼斯堡(今为俄罗斯加里 宁格勒)。电路设计方面的研究成就: 1845年,21岁时他发表了第一篇论文, 提出了稳恒电路网络中电流、电压、电 阻关系的两条电路定律, 解决了电器设 计中电路方面的难题。
化学研究方面的成就:在海德堡大学期间,他与化 学家本生合作创立了光谱化学分析法。
激光未出现之前 . 原子的精细结构、超精细结构
. 拉比利用原子束磁共振技术精确测量铯超精细结构
. 卡斯特勒发展了光学共振技术
量子假说根据之三 光谱
高强度、高单色性激光的问世给传 统光谱学赋予了新的生命力,特别是可 调谐激光的出现和发展,使光谱学发生 了革命性的变化,由于激光具有极高的 单色性和相干性、极好的方向性、极高 的单色功率密度、可快速调谐和可调制 性的特点,使光谱分析的极限探测灵敏 度、光谱分辨率、时间分辨率、空间分 辨率都提高了好几个数量级,从而发展 成了崭新的激光光谱学学科。
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