第16章早期量子论优秀课件
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高三物理学史《早期量子论和量子力学的准备》课件
温度为T时，单位时间内从物体表面单位面积上所辐射出 来的，波长在λ附近，单位波长间隔内的电磁波能量。
1）辐射出射度 (辐出度) --- M
2) 单色辐射出射度（单色辐出度） （光谱辐射出射度） M
dM
M d
单位：W/(m2.Hz)
式中 dM 是频率在 ν ν +dν 范围内单位时间从物体表面单位
2. 光子与石墨中和原子核束缚很紧的内层电子 的碰撞，应看做是光子和整个原子的碰撞。
∵ m原子 m光子
∴ 弹性碰撞中，入射光子几乎不损失能量， 这时散射光子波长不变。
物理意义
光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性 . 微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律.
29
氢原子光谱 玻尔的氢原子理论
一、氢原子光谱规律
4861.3Å 蓝
4340.5Å 紫
氢原子光谱经验规律（1885~1908年）
巴尔末公式
B
n2 n2
4
(n 3, 4,5, )
里德堡 波数 1 R( 1 1 )
22 n2
式中R：里德堡常数 R 4 1.096776107 m1 B
32
氢光谱的其他线系:
33
能量 h
质量 动量
E
P
mc2
mc
m
h
h
c2
光具有波粒二象性
一些情况下 突出显示波动性，如光的干涉和衍射
一些情况下 突出显示粒子性，如光电效应等
基本关系式 粒子性：能量 波动性：波长
动量P 频率
h
p h
22
四、光电效应的应用
1）辐射出射度 (辐出度) --- M
2) 单色辐射出射度（单色辐出度） （光谱辐射出射度） M
dM
M d
单位：W/(m2.Hz)
式中 dM 是频率在 ν ν +dν 范围内单位时间从物体表面单位
2. 光子与石墨中和原子核束缚很紧的内层电子 的碰撞，应看做是光子和整个原子的碰撞。
∵ m原子 m光子
∴ 弹性碰撞中，入射光子几乎不损失能量， 这时散射光子波长不变。
物理意义
光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性 . 微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律.
29
氢原子光谱 玻尔的氢原子理论
一、氢原子光谱规律
4861.3Å 蓝
4340.5Å 紫
氢原子光谱经验规律（1885~1908年）
巴尔末公式
B
n2 n2
4
(n 3, 4,5, )
里德堡 波数 1 R( 1 1 )
22 n2
式中R：里德堡常数 R 4 1.096776107 m1 B
32
氢光谱的其他线系:
33
能量 h
质量 动量
E
P
mc2
mc
m
h
h
c2
光具有波粒二象性
一些情况下 突出显示波动性，如光的干涉和衍射
一些情况下 突出显示粒子性，如光电效应等
基本关系式 粒子性：能量 波动性：波长
动量P 频率
h
p h
22
四、光电效应的应用
《量子论初步》课件
THANK YOU
汇报人：PPT
量子密码学
量子密钥分发：利 用量子力学原理实 现密钥分发，确保 通信安全
量子加密通信：利 用量子密钥加密通 信，确保通信内容 不被窃听
量子安全认证：利 用量子密钥进行身 份认证，确保身份 真实性
量子安全存储：利 用量子密钥进行数 据存储，确保数据 安全
量子传感器和量子成像
量子传感器：利用量子效应进行高精度测量，如磁场、温度、压力等
1926年，薛定谔提出波动力学，量子论 得到进一步完善
1913年，玻尔提出原子模型，量子论开 始形成
1927年，狄拉克提出相对论量子力学， 量子论进入新阶段
量子论的发展历程
1900年，普朗克提出量子论的雏形，提出能量量子化概念 1913年，玻尔提出玻尔模型，解释氢原子光谱 1925年，海森堡提出不确定性原理，量子力学的基本原理之一 1926年，薛定谔提出薛定谔方程，量子力学的基本方程之一 1927年，玻尔提出互补原理，量子力学的基本原理之一 1930年，狄拉克提出狄拉克方程，描述电子的运动和自旋
量子论初步
汇报人：PPT
单击输入目录标题 量子论的背景和历史 量子论的基本概念 量子论的实验验证 量子论的应用前景 量子论的哲学思考
添加章节标题
量子论的背景和历史
量子论的起源
1900年，普朗克提出量子概念，量子论 开始萌芽
1925年，海森堡提出不确定性原理，量 子论进入成熟阶段
1905年，爱因斯坦提出光量子假说，量 子论得到进一步发展
量子成像：利用量子效应进行高分辨率成像，如医学成像、遥感成像等 量子通信：利用量子效应进行安全通信，如量子密钥分发、量子隐形传 态等 量子计算：利用量子效应进行高效计算，如量子模拟、量子优化等
《初期量子论》课件
电子衍射实验
通过电子衍射实验证实了电子具有波动性，证明了德布罗意理论 的正确性。
原子干涉实验
原子干涉实验进一步证实了物质波的存在，为量子力学的发展奠 定了基础。
意义
物质波理论为理解微观世界的本质提供了重要工具，推动了量子 力学的发展和应用。
THANKS
感谢观看
光量子理论的出现，打破了经典物理学中光的波动说，为量子力学的诞生奠定了 基础。
光子的能量和动量
根据爱因斯坦的光量子理论，每个光 子都具有能量和动量，其大小分别由 公式E=hν和p=h/λ给出。
VS
其中E是光子的能量，h是普朗克常数 ，ν是光子的频率，p是光子的动量， λ是光子的波长。
爱因斯坦的光电效应理论
物质波的波长和动量
波长公式
物质波的波长 $lambda$ 与其对应的动量 $p$ 满足 $lambda = frac{h}{p}$，其中 $h$ 是普朗克常数。
动量定义
动量是描述粒子运动状态的物理量，定义为质量与速 度的乘积。
波长意义
物质波的波长反映了粒子运动的特征，如衍射和干涉 等现象。
物质波理论的验证与意义
能量子假设的意义
打破了经典物理学中能量连续变化的观念，开启了量子力学的研究。
为解释黑体辐射等实验现象提供了理论支持，推动了物理学的发展。
普朗克公式与黑体辐射
普朗克式之 一。
该公式为解决黑体辐射问题提供了重 要的理论工具，对物理学和工程学等 领域产生了深远影响。
1905年，爱因斯坦在论文中提出了光电效应理论，解释了光照射在金属表面时，金属表面会释放出电 子的现象。
根据光电效应理论，当光照射在金属表面时，金属表面的电子吸收光子的能量后，能够克服金属的束缚 力而逸出金属表面。
通过电子衍射实验证实了电子具有波动性，证明了德布罗意理论 的正确性。
原子干涉实验
原子干涉实验进一步证实了物质波的存在，为量子力学的发展奠 定了基础。
意义
物质波理论为理解微观世界的本质提供了重要工具，推动了量子 力学的发展和应用。
THANKS
感谢观看
光量子理论的出现，打破了经典物理学中光的波动说，为量子力学的诞生奠定了 基础。
光子的能量和动量
根据爱因斯坦的光量子理论，每个光 子都具有能量和动量，其大小分别由 公式E=hν和p=h/λ给出。
VS
其中E是光子的能量，h是普朗克常数 ，ν是光子的频率，p是光子的动量， λ是光子的波长。
爱因斯坦的光电效应理论
物质波的波长和动量
波长公式
物质波的波长 $lambda$ 与其对应的动量 $p$ 满足 $lambda = frac{h}{p}$，其中 $h$ 是普朗克常数。
动量定义
动量是描述粒子运动状态的物理量，定义为质量与速 度的乘积。
波长意义
物质波的波长反映了粒子运动的特征，如衍射和干涉 等现象。
物质波理论的验证与意义
能量子假设的意义
打破了经典物理学中能量连续变化的观念，开启了量子力学的研究。
为解释黑体辐射等实验现象提供了理论支持，推动了物理学的发展。
普朗克公式与黑体辐射
普朗克式之 一。
该公式为解决黑体辐射问题提供了重 要的理论工具，对物理学和工程学等 领域产生了深远影响。
1905年，爱因斯坦在论文中提出了光电效应理论，解释了光照射在金属表面时，金属表面会释放出电 子的现象。
根据光电效应理论，当光照射在金属表面时，金属表面的电子吸收光子的能量后，能够克服金属的束缚 力而逸出金属表面。
第16章早期量子物理优秀课件
第16章 早期量子论
室
§1 黑体辐射和普朗克能量子假说
温
一、 热辐射
几
红外夜视图
千
单色辐射出射度
K
单位时间内，物体上单位面积发射的波长在
l~l+dl范围内的辐射能与波长间隔dl的比值 Ml(T) 。
Ml(T)dMdl(T)
单色辐射出射度亦称物体的单色辐射本领
Ml(T)dMdl(T)
Mν(T)dMdν(T)
(总)辐射出射度
M(T)0Ml(T)dl
M(T) 0
Mν(T)dν
单色吸收比
(l,T)
吸收的电磁波能量 入射的电磁波能量
物体的吸收本领
单色反射比
(l,T)
反射的电磁波能量 入射的电磁波能量
物体的反射本领
ν
(l,T )(l,T )1
平衡热辐射 一个好的吸收体也是一个好的发射体
真空 B1 B2 B3
第16章早期量子物理
量子物理
布埃
拉伦
格费
德 拜
斯 特
德
狄薛 拉定 克谔
康布
普 顿
罗意 泡利
海 森 堡
波
洛 伦 兹
爱 因 斯 坦
朗 之 万
威 尔 逊
量子力学的发展
A、 旧量子论的形成（冲破经典→量子假说）
1900年
1905年 1910年 1913年
普朗克
爱因斯坦 卢瑟福 波尔
§3 康普顿散射
1922-1923年，康普顿研究X射线的散射
一、实验装置
X 射线管
晶体
光阑 散射波 l
探
l0
q
测 器
石墨
X 射线谱仪
《早期量子论》幻灯片PPT
课本 pp217—250；练习册 第十八单元
“两朵乌云 〞
十九世纪末，经典物理已相当成熟，对物理现象本
质的认识似乎已经完成。“但是，在晴朗的天空中，还
有两朵小小的令人不安的乌云〞。
相对论
？热辐射的 紫外灾难
量子论
§19-1 黑体辐射 普朗克的能量子假说 一 黑体辐射的实验规律
热辐射 物体在任何温度下都向外辐射电磁波
散射X射线的波长为
' 0 .5 0 .01 0 .5 21 2 22
〔2〕由能量守恒，反冲电子所得动能为
E k h h c ' 6 c .6 1 3 3 0 4 3 .0 1 8 0 1 0 .1 5 0 0 0 1 .5 1 0 0 1 5e 2 8
§19-5 氢原子的波尔理论
0 A
h
光量子假设解释了光电效应的全部实验规律。但是，1910年 以前，并未被物理学界承受。
光电效应对于光的本质的认识和量子论的开展曾起过重要的 作用。
爱因斯坦为此获1921诺贝尔物理学奖。
光子的能量、质量和动量
光子能量： h
光子质量：
mc2
hc2
光子有动量？
pmch h
c
因为： m m0
1
Uc= K - U0
其中K 为斜率，普适常数U0 为截
距, 与材料有关直线与横坐标的
交点就是红限频率0
0
U0 K
〔4〕光电效应是瞬时发生的
1 2mm 2 veU cekeU 0
只要入射光频率>0，无
论光多微弱，从光照射阴极
到光电子逸出，驰豫时间不
超过10-9s
以上这些实验规律与经典 电磁波的概念完全不同，经 典波的能量是连续地分布在 空间的。
“两朵乌云 〞
十九世纪末，经典物理已相当成熟，对物理现象本
质的认识似乎已经完成。“但是，在晴朗的天空中，还
有两朵小小的令人不安的乌云〞。
相对论
？热辐射的 紫外灾难
量子论
§19-1 黑体辐射 普朗克的能量子假说 一 黑体辐射的实验规律
热辐射 物体在任何温度下都向外辐射电磁波
散射X射线的波长为
' 0 .5 0 .01 0 .5 21 2 22
〔2〕由能量守恒，反冲电子所得动能为
E k h h c ' 6 c .6 1 3 3 0 4 3 .0 1 8 0 1 0 .1 5 0 0 0 1 .5 1 0 0 1 5e 2 8
§19-5 氢原子的波尔理论
0 A
h
光量子假设解释了光电效应的全部实验规律。但是，1910年 以前，并未被物理学界承受。
光电效应对于光的本质的认识和量子论的开展曾起过重要的 作用。
爱因斯坦为此获1921诺贝尔物理学奖。
光子的能量、质量和动量
光子能量： h
光子质量：
mc2
hc2
光子有动量？
pmch h
c
因为： m m0
1
Uc= K - U0
其中K 为斜率，普适常数U0 为截
距, 与材料有关直线与横坐标的
交点就是红限频率0
0
U0 K
〔4〕光电效应是瞬时发生的
1 2mm 2 veU cekeU 0
只要入射光频率>0，无
论光多微弱，从光照射阴极
到光电子逸出，驰豫时间不
超过10-9s
以上这些实验规律与经典 电磁波的概念完全不同，经 典波的能量是连续地分布在 空间的。
早期量子论(全)
第六篇
开尔文在迎接20世纪的新年献词： “19世纪已将物理学大厦全部建成,今 后物理学家的任务就是修饰完善这所大 厦”
“在物理学晴朗的天空远处，还有两 朵小小的令人不安的乌云”
经典物理的理论遇到了困难和挑战！
相对论和量子力学构成近代物理的 两大基础.
第六篇
早期量子论
本章内容
第一节
18-1 黑 体 辐 射 ,普 朗克量 子假设
结论： （1）再多用一束绿光照射，是增大光强度，光子数增多；
在相同时间内逸出的光电子数目将增加
（2）电子的初动能将变大
以波长 300nm 的单色光分别照射铝棒和钠棒， 已知钠的红限波长为 0 540 nm 铝的红限波长为 0 296 nm
问：能产生光电效应的是铝棒还是钠棒？ 请给出分析过程。
1918年普朗克由于创立了量子理论而获得 了诺贝尔奖金。
世界上最黑的材料
最新黑体
美国赖斯大学的阿加延(右)手持一块世界上最黑的材料， 他的同行李杰西(左)在旁边看着。他们研制的这种最黑的材 料对光的吸收达到99.9%。
三种材料对比：美国国家标志与技术研究所的 反射标准样品(左)，新研制的最黑的材料样品(中) 一片玻璃碳(右)
美国赖斯大学的阿加延(右)手持一块世界上最黑的材料， 他的同行李杰西(左)在旁边看着。他们研制的这种最黑的材 料对光的吸收达到99.9%。
单色辐出度
黑体实验规律
例. 太阳光谱的单色幅出度的峰值对应的 Li2
波长λm=483nm,试估计太阳表面温度.
解:
T
b
m
2.898103 m K 483109 m
定义: 分子的热运动使物体辐射电磁波 可在任何温度下自发进行.
特点: 温度→发射的能量→电磁波 的短波成分 例如：加热铁块
开尔文在迎接20世纪的新年献词： “19世纪已将物理学大厦全部建成,今 后物理学家的任务就是修饰完善这所大 厦”
“在物理学晴朗的天空远处，还有两 朵小小的令人不安的乌云”
经典物理的理论遇到了困难和挑战！
相对论和量子力学构成近代物理的 两大基础.
第六篇
早期量子论
本章内容
第一节
18-1 黑 体 辐 射 ,普 朗克量 子假设
结论： （1）再多用一束绿光照射，是增大光强度，光子数增多；
在相同时间内逸出的光电子数目将增加
（2）电子的初动能将变大
以波长 300nm 的单色光分别照射铝棒和钠棒， 已知钠的红限波长为 0 540 nm 铝的红限波长为 0 296 nm
问：能产生光电效应的是铝棒还是钠棒？ 请给出分析过程。
1918年普朗克由于创立了量子理论而获得 了诺贝尔奖金。
世界上最黑的材料
最新黑体
美国赖斯大学的阿加延(右)手持一块世界上最黑的材料， 他的同行李杰西(左)在旁边看着。他们研制的这种最黑的材 料对光的吸收达到99.9%。
三种材料对比：美国国家标志与技术研究所的 反射标准样品(左)，新研制的最黑的材料样品(中) 一片玻璃碳(右)
美国赖斯大学的阿加延(右)手持一块世界上最黑的材料， 他的同行李杰西(左)在旁边看着。他们研制的这种最黑的材 料对光的吸收达到99.9%。
单色辐出度
黑体实验规律
例. 太阳光谱的单色幅出度的峰值对应的 Li2
波长λm=483nm,试估计太阳表面温度.
解:
T
b
m
2.898103 m K 483109 m
定义: 分子的热运动使物体辐射电磁波 可在任何温度下自发进行.
特点: 温度→发射的能量→电磁波 的短波成分 例如：加热铁块
大学物理量子物理课件
2
c
sin
2
θ
2
其= 中 λc h= / m0c 0.0024 nm（电子的康普顿波长）
∆λλ=λλ −
0=
2
c
sin
2
θ
2
= λc h= / m0c 0.0024 nm
结论： 1. 波长的改变量 ∆λ 与散射角θ有关，散
射角θ 越大， ∆λ 也越大。
2. 波长的改变量∆λ与入射光的波长无关。
问题：为什么在可见光的散射实验中我们没有看到 康普顿效应呢？用x射线是否能看到？
通有电流的电炉丝
热辐射频谱分布曲线 λ
总结：(热辐射的特点) (1) 连续； (2) 频谱分布随温度变化； (3) 温度越高,辐射越强； (4) 物体的辐射本领与温度、材料有关； 辐射本领越大，吸收本领也越大.
通有电流的灯丝 不同温度的铆钉
二、黑体和黑体辐射的基本规律
1. 黑体（绝对黑体） 能完全吸收各种频率的电磁波而无反射的物体,称为黑体。
§16.1 热辐射 普朗克能量子假设
主要内容：
1. 热辐射现象 2. 黑体辐射的规律 3. 普朗克公式和能量量子化假设
一、热辐射 物体内的分子、原子受到热激 发而发射电磁辐射的现象。
物体辐射总能量及能量按波长 分布都决定于温度
例如：加热铁块
（人头部热辐射像）
800K 1000K 1200K 1400K
I 越强 , 到阴极的光子越多, 则逸出的光电子越多.
光电子最大初动能和光频率 ν 成线性关系.
光频率ν > A/h 时，电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出 ( ν o= A/h) .
电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累.
早期量子论202-精品文档98页
5) 光敏电阻： 用光照改变半导体的导电性能制成。
光控继电器、自动控制、 自动计数、自动报警等.
光控继电器示意图 光
放大器 接控件机构
光的波粒二象性
粒子性
波动性
（具有能量） E
（具有频率）
h
（具有动量） P
（具有波长）
二者通过h来联系
E h
P E
/Chh C
I光强 Nh
N为单位时间垂直通过单位面积的光子数
由相对论动量能量关系式 E2p2c2m02c4
光子m0=0
p E h h c c
光子动量：
p h
h
爱因斯坦光电方程
1 2
mVm2
h
A
A
为电子逸出功，
1 2
m
V
2 m
为光电子的最大初动能。
解释光电效应
1）光强越大 光子数越多 光电子越多 饱和光电流越大 --- 入射频率一定时饱和光电流和入射光强成正比
例. 某金属红限波长为 λ0 ， 波长为λ(λ<λ0 )照射该金属， 金属释放出的电子(质量为 me )的动量？
相对能量变化 ΔE1.0 51 03321 026 E 51 08
24.2 光电效应与爱因斯坦理论
24.2.1 光电效应
光电效应 光电子
实验规律
1. 饱和电流 2. 遏止电压 3. 红限频率 4. 具有瞬时性
光电管
K
照射光
A.
OO
OO
OO
G
V
B
OO
1. 饱和电流
I
入射光频率一定时，饱和光电流强度 饱
U
Uc
Uc KU0
光控继电器、自动控制、 自动计数、自动报警等.
光控继电器示意图 光
放大器 接控件机构
光的波粒二象性
粒子性
波动性
（具有能量） E
（具有频率）
h
（具有动量） P
（具有波长）
二者通过h来联系
E h
P E
/Chh C
I光强 Nh
N为单位时间垂直通过单位面积的光子数
由相对论动量能量关系式 E2p2c2m02c4
光子m0=0
p E h h c c
光子动量：
p h
h
爱因斯坦光电方程
1 2
mVm2
h
A
A
为电子逸出功，
1 2
m
V
2 m
为光电子的最大初动能。
解释光电效应
1）光强越大 光子数越多 光电子越多 饱和光电流越大 --- 入射频率一定时饱和光电流和入射光强成正比
例. 某金属红限波长为 λ0 ， 波长为λ(λ<λ0 )照射该金属， 金属释放出的电子(质量为 me )的动量？
相对能量变化 ΔE1.0 51 03321 026 E 51 08
24.2 光电效应与爱因斯坦理论
24.2.1 光电效应
光电效应 光电子
实验规律
1. 饱和电流 2. 遏止电压 3. 红限频率 4. 具有瞬时性
光电管
K
照射光
A.
OO
OO
OO
G
V
B
OO
1. 饱和电流
I
入射光频率一定时，饱和光电流强度 饱
U
Uc
Uc KU0
初识量子论PPT教学课件
非电学量———传感器———电学量
好处：容易测量
5、火灾报警器
光———电流变化———控制电路通断 非电学量———传感器———电学量———控制电路通断
传感器的应用模式
容易控制 容易测量显示
4、自动排气扇，其中A为水汽传感器，当水 汽的浓度增大时，其内部电阻减小
水汽浓度———电流———控制电路通断
非电学量———传感器———电学量———控制电路通断
频率无关 ． 3、弱光照射时应有能量积累过程，不应瞬时发生．
光的波动理论在解释光电 效应时遇到了巨大的困难。后 来，爱因斯坦在普朗克量子化 理论的启发下，提出了光子学 说．
普朗克
爱因斯坦
E h
光子说
爱因斯坦在1905年提出，在空间中传播 的光也不是连续的，而是一份一份的，每一 份叫做一个光量子，简称光子．
化总表现为电磁波的辐射与吸收，不同频率的电磁波其能量 子的值不同，表达式为： E=hυ
其中，υ是电磁波的频率，h是一个普遍适用的常量，称 作普朗克常量。由实验测得h ＝6.63×10－34J·s。 4.能量的量子化
在微观领域里能量的不连续变化，即只能取分立值的现 象，叫做能量的量子化。
——普朗克的能量子假说不仅解决了黑体辐射的理论困 难，而且揭开了物理学上崭新的篇章。
5.3 初识量子论
一.黑体辐射：能量子假说的提出
1.黑体： 如果一个物体能够吸收照射到它上面的全部辐பைடு நூலகம்而无反
射，这种物体就叫做黑体。 2.黑体辐射：
黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括 可见光和不可见光)。
黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释。
3.能量子假说： 所谓能量子就是能量的最小单元。微观领域里能量的变
好处：容易测量
5、火灾报警器
光———电流变化———控制电路通断 非电学量———传感器———电学量———控制电路通断
传感器的应用模式
容易控制 容易测量显示
4、自动排气扇，其中A为水汽传感器，当水 汽的浓度增大时，其内部电阻减小
水汽浓度———电流———控制电路通断
非电学量———传感器———电学量———控制电路通断
频率无关 ． 3、弱光照射时应有能量积累过程，不应瞬时发生．
光的波动理论在解释光电 效应时遇到了巨大的困难。后 来，爱因斯坦在普朗克量子化 理论的启发下，提出了光子学 说．
普朗克
爱因斯坦
E h
光子说
爱因斯坦在1905年提出，在空间中传播 的光也不是连续的，而是一份一份的，每一 份叫做一个光量子，简称光子．
化总表现为电磁波的辐射与吸收，不同频率的电磁波其能量 子的值不同，表达式为： E=hυ
其中，υ是电磁波的频率，h是一个普遍适用的常量，称 作普朗克常量。由实验测得h ＝6.63×10－34J·s。 4.能量的量子化
在微观领域里能量的不连续变化，即只能取分立值的现 象，叫做能量的量子化。
——普朗克的能量子假说不仅解决了黑体辐射的理论困 难，而且揭开了物理学上崭新的篇章。
5.3 初识量子论
一.黑体辐射：能量子假说的提出
1.黑体： 如果一个物体能够吸收照射到它上面的全部辐பைடு நூலகம்而无反
射，这种物体就叫做黑体。 2.黑体辐射：
黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括 可见光和不可见光)。
黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释。
3.能量子假说： 所谓能量子就是能量的最小单元。微观领域里能量的变
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Mb(,T)
2πhc2
hc
5(ekBT 1)
式中: h6 .6 2 6 1 3 04 Js —— 普朗克常数
普朗克公式的得来,起初是半经验的,即利用内插法将适用 于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利—金斯公式衔接起来, 在得到了公式后,普朗克才设法从理论上去论证它.
2. 经典理论的基本观点
(1) 电磁辐射来源于带电粒子的振动，电磁波的频率与振动 频率相同.
普朗克引入了“能量子”的假设, 标志着量子物理学的 诞生, 具有划时代的意义. 但是由于这个假设对经典物理学致 命的打击, 所以他同时代的那些物理学家对这一观念都表示 疑惑不解, 甚至怀疑. 洛伦兹说：
“关于辐射量子问题的讨论使科学家们都陷在死胡同里了.”
普朗克本人也由于受传统的经典观念影响太深, 对自己 提出的 “能量子” 思想违反了经典的连续性概念而烦恼和 后悔. 并一直试图用连续性代替不连续性, 回到经典范畴. 经 过十多年徒劳的努力后, 他才相信能量子假设是正确的, 作 用量子 h 反映了新理论的本质.
1900年12月24日，普朗克在法国物 理学会的圣诞会上宣读了题为《关于正 常光谱的能量分布定律》的论文，提出 了与经典物理学格格不入的能量量子化 假设：
h
普朗克获1918年度诺贝尔物理学奖.
意义： 普朗克假说不仅圆满地解释了黑体辐射问题, 还解释了
固体的比热等问题, 成为现代量子理论的重要组成部分.
16.2 光电效应和光的量子性
16.2.1 光电效应
背景:
1887年赫兹在做火 花放电的实验时，发现 加有高电压的金属板被 光照射时，附近的空气 会变成导电的.
《紫外光对放电的影响》
1. 实验装置
光电管 K
照射光
.
A
O
O
O
O
O
O
G
V
B
O
O
金属在光照射下发射电子, 这个现象称为光电效应； 从金属表面逸出的电子称为光电子； 光电子运动形成光电流.
m
m
2.898103 483109
6000K
斯忒ห้องสมุดไป่ตู้-玻耳兹曼定律的应用: Mb(T)T4
测定了物体热辐射总能量，就可确定物体的温度.
红外测温仪
5. 经典物理解释黑体辐射的困难
(1) 瑞利-金斯根据经典电动力学和统计物理导出了瑞利-金斯 公式：
Mb,T2πc4kT
此式在λ较大时能与实验很好符合，而λ小时则不对.
吸收比= 吸收能量 入射总能量
当辐射从外界入射到温度为T
的物体表面时, 在 到+d 的波段
内, 吸收能量与入射总能量之比.
说明
(1) 任何物体，在任何温度下都要辐射电磁波； (2) 物体在辐射电磁波的同时，也吸收电磁波； (3) 基尔霍夫定律: 在同样的温度下, 不同的物体或不同表面
性质的物体, 其单色辐出度与单色吸收率之比是一恒量.
(2) 振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续的，辐射能量 也是连续的.
(3) 温度升高，振子振动加强，辐射能增大.
3. 普朗克量子假设
对于频率为 的振子, 振子辐射的能量不是连续的, 而是 分立的, 它的取值是某一最小能量h 的整数倍.
n nh （n =1，2，3…）
4. 量子观念在“非难”中得到发展
所辐射出各种波长的电磁波的能量的总和.
M (T)0 M λ(T)d 单位：W·m-2
(2) 单色辐出度(单色辐射出射度) Mλ(,T) 单位时间内, 从温度为 T 的物体表面的单位面积上,
所辐射出波长在λ---λ+dλ范围内的电磁波的能量.
Mλ(,T)dM d(T) 单位：W·m-3
(3) 单色吸收率 (, T)
不辐射可见 光时，黑花 吸收大，反 射少所以暗
室温
高温
辐射可见光 时，黑花吸 收大，辐射 大所以变亮
吸收
辐射
白底黑花瓷片
辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化， 此时物体的热辐射称为平衡热辐射.
2. 描述热辐射的物理量
(1) 辐出度(辐射出射度) M(T) 单位时间内，从温度为 T 的物体表面的单位面积上，
M 1 1 (( ,,T T ))M 2 2 (( ,,T T )) M 0(,T )
一个好的辐射体一定是一个好的吸收体，物体对某
一波长不吸收，那么对这个波长也不辐射.
3. 黑体辐射
黑体: 对于任何温度, 单色吸收率恒等于1的物体.
思考: 黑色的物体是黑体吗？
煤烟
约95% 黑体辐射的特点:
黑体模型
(2) 维恩根据实验结果给出了一个经验公式:
Mb,TA5 eBT
此式在λ较小时与实验符合很好，而λ大时则不好.
瑞利—金斯公式
Mb
(1900年)
长波范围与实验符合, 而在短波范围内不符
合——“紫外灾难”
短波范围与实验符合, 在长波范围内不符合
维恩公式 (1896年)
实验曲线
16.1.2 普朗克量子假设 1. 普朗克公式
6000K
M b(T)0 M bλ(,T) dT4
0.5
式中： 5 .6 7 1 80 0m W 2K 4
5000K
斯特藩-玻耳兹曼常数
0 500
4000K 3000K
1000
1500
(nm)
2000
(2) 维恩位移定律 1.0 Mb (1014×W/m3)
6000K
当黑体的热力学温度升 高时,与单色辐出度的峰值相 对应的波长向短波方向移动.
质点运动学
第16章早期量子论
P.1/55
16.1 黑体辐射和普朗克量子假设
16.1.1 黑体辐射及其基本规律 1. 热辐射
物体中的分子、原子受到热 激发而发射电磁波的现象.
头部各部分温度不同, 因此它 们的热辐射存在差异, 这种差异可 通过热像仪转换成可见光图像.
头部热辐射像
物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波. 物体辐射本领越大，其吸收本领也越大.
峰值波长 m 与温度 T 成反比
0.5
mT b
5000K
b2.8918 0 3m K
4000K
3000K
(nm)
0
500
1000
1500
2000
例: 从太阳光谱的实验观测中，测知单色辐出度
的峰值所对应的波长m约为483nm，
试估算太阳表面的温度.
解: 太阳表面的温度为：
T b 2.898103
一个密闭的空腔上开 一个小孔，则此小孔就 可近似地看成为黑体. 只吸收，不反射.
——理想模型
温度
黑体热辐射
材料性质
与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射本领最强.
4. 黑体辐射基本定律
(1) 斯忒藩-玻耳兹曼定律
黑体的辐出度与黑
Mb(, T )(1014×W/m3)
1.0
体的热力学温度的四次 方成正比.