华东理工大学大物下期末辅助ppt 第十七章量子物理

第十七章量子物理基础量子论的形成：量子论的发展：1924年：德布罗意——物质波1926年：量子力学诞生1900年：普郎克——能量子假说普朗克1918年诺贝尔物理奖1905年：爱因斯坦——光子学说爱因斯坦1921年诺贝尔物理奖1912年：玻尔——氢原子理论玻尔1922年诺贝尔物理奖§17.1热辐射——普郎克能量子假说*热辐射：任何物体、在任何温度下，都会以电磁波的形式向外辐射能量。由于这种辐射的能量以及能量按波长分布的情况都与该物体的温度有关，所以这种辐射称为热辐射。固体在温度升高时颜色的变化：一、基尔霍夫定律：1）单色辐射本领：:,Te单位时间、物体表面单位表面积上所辐射出的单位波长间隔中的能量。),(TeT=1700kT=1500kdTedE),(),(TdE:单位时间，物体表面单位面积上发射的在波长范围的辐射能d~dEd2）总辐射本领：物体在单位时间、从单位表面积上所辐射出的各种波长电磁波的能量总和。00),(dTedETE3）吸收本领：入射能量吸收能量,Ta*平衡热辐射：物体发射的辐射能=同一时间内吸收的辐射能此时温度恒定——热辐射达到平衡空腔黑体：不透明材料带小孔空腔（黑体模型）绝对黑体（黑体）在任意温度下对任意波长的入射能量吸收本领恒等于1*•阳光进入房间后经多次反射全被吸收•这是一个近似的绝对黑体模型•打开的窗户从外面观察是黑色的热辐射：1）单色辐射本领：:,Te单位时间、物体表面单位表面积上所辐射出的单位波长间隔中的能量。),(TeT=1700kT=1500kdTedE),(),(TdE:单位时间，物体表面单位面积上发射的在波长范围的辐射能d~dEd2）总辐射本领：物体在单位时间、从单位表面积上所辐射出的各种波长电磁波的能量总和。00),(dTedETE3）吸收本领：入射能量吸收能量,Ta绝对黑体（黑体）在任意温度下对任意波长的入射能量吸收本领恒等于1*TeTaTeTaTeTaTe,,,......,,,,00022112）好的吸收体，一定也是好的辐射体基尔霍夫定律：1）由黑体辐射本领可以了解一般物体的辐射本领说明：1.斯特藩定律:4TTE42810670.5kmW其中：2.维恩位移定律:bTmkmbm310898.2　　　热辐射的峰值波长—其中：二、黑体辐射定律),(TeT=1700kT=1500kT=1900k思考题:1.常温下物体呈现的颜色是否是该物体辐射所致?2.绝对黑体是否一定是黑的?解:1.由维恩位移公式:bTm)5775000)(9600300:　（可见光　　高温　远红外　　常温　得nmkTnmkTmm2.基尔霍夫定律知:好的吸收体也是好的辐射体.绝对黑体自身要向外界辐射能量，它的颜色是由它自身辐射的频率所决定。例1：从太阳向地球表面的辐射能太阳到地球距离太阳半径21/1400msJEkmR8105.1kmr5109.6，太阳看成黑体。求：太阳的表面温度KTTE5841400E半径为R球面上总能量：214REER太阳表面(半径r)总能量：204rEEr解太阳表面辐射本领rREE三、普朗克量子假设1.经典理论解释黑体辐射的困难长波区符合较好短波区：),(0Te“紫外灾难”T=1646k实验),(0Te）的具体形式，（的函数符从理论上导出与实验相Te0短波区符合较好维恩公式：TCeCTe2510),(维恩理论值*辐射按波长的分布类似于麦克斯韦分子速率分布，得到：瑞利-琼斯公式:瑞利-琼斯KTCTe402),(*将能量按自由度均分原理引用到电磁辐射中，得到：2.普朗克公式（1900年10月19日）112,520TkhcehcTec:光速k:玻尔兹曼常数h:普朗克常数SJh341063.6TkhcehcTeTkhc5202),(1很小时：当维恩公式TckhcTkhcTeTkhceTkhcTkhc4520)2(2),(:11则　　很大时：当瑞利-琼斯公式经典物理中能量是连续的观点普朗克公式由普朗克量子假设导出普朗克公式参见北大普通物理p570黑体由许多带电的线性谐振子组成谐振子的能量不能连续变化，只能取一些分裂的值，它们是某一最小能量hv的整数倍,即hv,2hv,3hv,…,nhvn:量子数hv:能量子物体只能以hv为单位地发射或吸收电磁辐射。即物体发射或吸收电磁辐射只能以“量子”方式进行，每个量子的能量为hv。普朗克量子假设:提出了一个大胆的假设，并引入一个神秘的常数普朗克量子假设的科学意义:1.第一次冲击了经典物理学的传统观念,宣告了经典理论中能量总是连续的观点是错误的，为量子物理的发展奠定了基础。2.第一次揭示了微观运动规律的基本特征,标志着人类对自然的认识从宏观领域进入微观领域。为此普朗克荣获1918年诺贝尔物理学奖。§17.2光电效应一、光电效应：光照到金属表面时，电子从金属表面逸出的现象，发射出来的电子叫做光电子。二、光电效应的实验规律1、光电流与入射光强度的关系入射光频率确定时饱和光电流im和入射光强度I成正比。-UcUI1I20I2I11mi2miiVGGDKA截止电压：使光电流为零的反向电压cmeUmv2212、光电子的初动能和入射光频率之间的关系即：光电子逸出时的最大初动能随入射光的频率增大而线性增大，与入射光的强度无关。2012meUvkvmecmeUmv2210UkvUc截止电压与入射光频率的关系0UkvUck是直线的斜率,-U0是截距U0：对不同金属不同，对同一金属为常量：与材料无关的普通恒量k)(VUC)10(14Hz0.01.02.04.06.08.010.0CsNaCa截止电压与频率的关系4、光电效应和时间的关系产生光电子时间不超过10-9s。3、光电效应的红限频率0221eUekvmvm红限频率00Uνk0才发生光电效应05.010.00Uc讨论经典理论解释的困难:1、光波的能量与振幅的平方成正比212mmv2、只要光强足够，不同频率的光都可以0不存在红限st4103、电子吸收光子的能量，需要有时间的积累光强三、爱因斯坦光子理论,光子1、爱因斯坦光子假定：一束光是一粒一粒以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子，简称光子。每一光子的能量是：光照射金属时，一个光子的能量立即被一个电子吸收，不需要积累能量的时间。.h光强：NhI其中：N——单位时间，单位面积的光子数2、爱因斯坦光电效应方程：AmVhm2212:1:2mAmV逸出功电子动能mmmVAhmV222121).2(　　　　(1).光强NhIminNI05.010.00Uc3、成功解释光电效应-UcUI1I20I2I11mi2mii　　　0221hhmVm0212mmV产生光电效应必须　　0——存在红限频率　　　AhmVm2210hAkeh　２１　　　)().3(02ekeUmVcm爱因斯坦因光量子理论荣获1921年诺贝尔物理学奖。例1：从铝中移出一个电子需4.2ev的能量，现有的光照射铝表面，求：1）出射光电子的nm200?kE2）截止电压?cU3）红限波长?0解:(1)JeVA19191072.6106.12.42.4AhEAEhkk)1072.6(19hc(2)eEUeUEkcck(3)hAAh00截止频率Ahcc00红限波长:一定时频率Iimnneim逸出光电子数饱和电流N入射光子数11hNI光强：22hNIckeUAhE21例2：分别以频率为，光强I相等的两束单色光照射某一光电管。若（均大于红限频率），则产生光电子的最大初动能E1E2；为阻止光电子到达阳极，所加截止电压；所产生的饱和光电流im1im2。21,1cU2cU21而　21相同，而　A2121,ccUUEE　　21NNNim21mmii§17-3康普顿效应(1923年）光阑X射线管探测器石墨体(散射物质)0散射波长j一、实验规律散射光中出现0的现象特点：1.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长2.新波长随散射角的增大而增大3.当散射角增大时原波长的谱线强度降低而新波长的谱线强度升高=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj................................................................................0.0700.075（nm）λ波长.......00强度二、经典理论解释的困难带电粒子受迫振动散射物质（电磁波）射线入射0x发射次极电磁波00三、康普顿解释光子假说+光子与自由电子作完全弹性碰撞yex电子静止0h0myx散射光子反冲电子h2mc（1）定性解释000　　hheVhx410~很大）　射线（eVEk10~均动能轻物质中电子热运动平电子可以视为静止（2）定量解释hmccmh2200能量守恒：（1）jjsinsin0coscos0mVhmVhh水平方向:垂直方向:（2）（3））　　　（又：　4122cVmmo散射光子动量守恒:VmPP00PPjeP反冲电子hmcEmcP2＝＝光光hchP　　＝光)cos100j（cmh（1）（2）（3）（4）j,康普顿解释成功的意义：（1）证明光子假说的正确（2）E守恒P守恒适用于微观粒子相互作用的过程中为此，康普顿获1927年诺贝尔物理奖h根据光子理论，一个光子的能量为：根据相对论的质能关系：2mc光子的质量：chchm2光子的静止质量：)1(220cmm00m光子的动量：hpmcphph四、光的波粒二象性光既具有波动性，也具有粒子性。二者通过普朗克常数相联系。光的波动性：用光波的波长和频率描述光的粒子性：用光子的质量、能量和动量描述，光在传播过程中主要表现为波动性(光的干涉、衍射)光与物质相互作用时主要表现为粒子性(光电效应、康普顿散射)“光子雨”：雨雾茫茫，宛如烟波；雨珠点点，恰似颗粒。一、热辐射——普郎克能量子假说1.热辐射实验定律：4TTEbTm2.普朗克公式：112,520TkhcehcTe3.普朗克量子假设:物体发射或吸收电磁辐射只能以“量子”方式进行，每个量子的能量为hv。4.普朗克量子假设的科学意义:第一次冲击了经典物理学的传统观念。第一次揭示了微观运动规律的基本特征。),(TeT=1700kT=1500kT=1900k二、光电效应——爱因斯坦光子论Iim光强1）入射光频率确定时，饱和电流2）无关，与入射光强IeUmVam2213）存在截止频率（红限）04）光电效应瞬时性：st9101.光电效应实验规律：2.爱因斯坦光子论1).光子假设一束光是粒子流（光子流）,每个光量子能量h光照射金属时，一个光子的能量立即被一个电子吸收。2).爱因斯坦方程AmUhm2213).科学意义:揭示了光具有粒子性康普顿效应)cos100（cmh（1）证明光子假说的正确（2）E守恒P守恒适用于微观粒子相互作用的过程中光具有波粒二象性:hph　　例：波长nm02.00的x射线在石蜡上产生康普顿散射，射角的方向去观察散射辐现从与