Q01 量子力学：第26章 波粒二象性-黑体辐射 量子假说 光电效应 光的波粒二象性 粒子的波动性

迈克尔逊实验 Æ 相对论 黑体辐射 Æ 量子理论
近现代物理的基础
量子力学的奠基者
Zhang Shihui
Planck 1878 1900, 黑体辐射 →提出能量子假说
Einstein 1905
Bohr 1885
De Brogile
1905，光电效应 百度文库913,原子的量子化模 1924, 德布罗意
→光量子假说
Zhang Shihui
¾黑体辐射：量子概念提出的背景
¾光电效应：光子概念引入的背景 ¾光的波粒二象性：光(量)子的提出 ¾康普顿散射：光(量)子概念的应用
实验 基础
实验 验证
光的波粒 二象性
拓展
¾粒子的波动性：量子理论最基础概念
¾概率波与概率幅：波粒二象性的诠释
理论 诠释
¾不确定关系：量子理论最重要的基础
平衡热辐射：同一时间内，物体 辐射的能量等于吸收的能量。
热辐射：温度↑¼发射能量↑
¼电磁波短波(高频ν )成分↑
2）光谱辐射出射度(Mν) 单位时间内从物体单位表面发出
的频率在 ν 附近单位频率间隔内 的电磁波的能量。Mν为ν的函数。
Zhang Shihui
2. Black Body and the rule of the radiation of Black Body
型→氢原子光谱 →物质的波粒二象性
Schrödinger
Max Born
薛定谔方程，量子波 量子矩阵力学 动力学，薛定谔猫 波函数的统计诠释
Heisenberg
Dirac
量子矩阵力学 自旋，量子数学，量子 量子不确定关系 辐射，相对论量子力学
第26章 波粒二象性
Zhang Shihui
第26章 波粒二象性
Zhang Shihui
量子力学 Quantum Mechanics
经典物理的完善
Zhang Shihui
19世纪末，经典物理已经建立了比较完整 的理论体系, 并取得了极大的成功。
力 学：牛顿定律→分析力学 →动力学分析和应用
热力学：统计的系综理论→分析各种热运动和热现象
电磁学： 电/磁场和电磁感应→电磁分析和应用 麦克斯韦方程组 →预言电磁波，得到证实
4.普朗克的能量子假说
1) 普朗克公式
Mν
=
2π h
c2
ν3
e hν / kT − 1
全波段与实验结果惊人符合！ Planck 1878 1858~1947
普朗克假定
2）普朗克能量子假说(1900年) 组成腔壁的带电谐振子和腔内辐射交换 能量而达到热平衡。 物体以能量子发射或吸收电磁辐射:
E = nhν n＝0, 1, 2, 3, …
Zhang Shihui
1.爱因斯坦的光量子论
1）爱因斯坦光量子假设(1905)
• 电磁辐射由以光速c运动的, 局限于 空间某一小范围的光量子(光子)组成
Zhang Shihui
6000K 4500K
M 黑体全部辐射出射度。
3000K
维恩位移定律
ν
光谱辐射出射
ν m
=
Cν T
Cν = 5.880 ×1010 Hz / K
度最大的光
温度为T的黑体辐射中, 光谱辐射出 射度最大的光, 频率随温度的变化。
第2节 光电效应
§ 26.2 光电效应
1.光电效应的实验规律
1 2
mvm2
=
eKν
−
eU0
当
1 2
m
vm2＝0时
，eKν
0
−
eU0
=
0
4.0 6.0 8.0 10.0 ν (1014Hz)
只有当入射光频率v 大于一定的频率v0, 才 会产生光电效应
ν
0
=
U0 K
ν 0截止频率
或红限频率
¾光电效应是瞬时发生的 驰豫时间不超过10-9s
经典物理解释的困难
Zhang Shihui
26.1 Radiation of Black Body 1. Basic Concepts
Zhang Shihui
§ 26.1 黑体辐射和普朗克能量子假说
26.1 Radiation of Black Body 1. Basic Concepts
1.热辐射
Hot Emission
热辐射：分子的热运动使物体向 外辐射电磁波。
普朗克常数 h= 6.626×10 -34 J·s
E = hν 能量的基本单元
“量子”概念的提出
获1918年诺贝尔物理学奖
Zhang Shihui
1858~1947
能量 经典 量子
斯玻和维恩定律
3）由普朗克公式可导出两条实验定律
斯特藩-玻尔兹曼定律
M
=
∫∞
0
Mν
dν
= σT 4
Mν
σ = 5.67×10-8 W/m2K4
光学统一于电磁学, 声学统一于力学
乌云门
Zhang Shihui
物理学的大厦已经建成, 未来的物理学家 只需做些修修补补的工作就行了。只是明 朗的天空中还有两朵乌云, 一朵与迈克尔 逊实验有关, 另一朵与黑体辐射有关。
——开尔文爵士 于1900年元旦, 英国皇家学会新年庆祝会
这两朵乌云, 带来两场伟大的物理学革命。
2.经典物理学所遇到的困难
按照光的经 典电磁理论
¾光波的强度与频率无关, 电子吸收的 能量也与频率无关, 更不存在截止频率！
¾光波的能量分布在波面上，阴极电子 积累能量需要一段时间，光电效应不可 能瞬时发生！
经典物理学在这遇到很大的难题
光电门
原有的经典理论物理理论被证伪
怎么办？
第3节 光的波粒二象性§（12. 光6量.3子论光） 的波粒二象性
1）光电效应 光→金属→发射电子 2）实验装置
im2 im1
-Uc
Zhang Shihui
光电子
Uc : 截至电压
1 2
mvM2
= eU C
光电效应实验规律
Zhang Shihui
3）实验规律
Uc(V)
¾截止电压只与入射频率有关 2.0
Cs
Na Ca
Uc=Kν -U0
1.0
光电子的最大初动能为
0.0
2. Black Body and the rule of the radiation of Black Body
Zhang Shihui
3) 维恩黑体辐射公式
Mν
Mν = αν 3e−βν /T
高频符合 实验结果
瑞利－金斯公式
4) 瑞利-金斯公式
Mν
=
2πν
c2
2
kT
低频符合 实验结果
维恩公式
ν
2.黑体辐射
完全吸收各种波长电磁波而无反射的 物体，此即黑体。 辐射出射度Mν 最大，且只与温度有关， 而和材料及表面状态无关。 3.经典物理对黑体辐射的解释
1）能量连续的振子热辐射平衡理论
维恩
• 黑体内表面Æ能量连续振子
组成腔壁的带电谐振子和腔内辐射交 换能量达到热平衡。
Zhang Shihui 瑞利 金斯