14黑体辐射的实验规律

第十五章量子物理安宏20.2.23本次课教学基本要求了解热辐射、光电效应的实验规律理解普朗克量子假设理解爱因斯坦光量子假设掌握爱因斯坦方程第十五章量子物理安宏20.2.23第十五章量子物理基础热辐射普朗克的量子假设光电效应爱因斯坦的光子理论康普顿效应波尔氢原子理论实物粒子的波粒二象性不确定关系波函数薛定谔方程一维定态问题２１３４第十五章量子物理安宏20.2.23量子理论的三大先驱玻尔爱因斯坦普朗克1905年1913年1900年量子概念第十五章量子物理安宏20.2.23？热辐射实验量子概念的诞生问题：第十五章量子物理安宏20.2.23何谓热辐射物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的λ连续的电磁波。第十五章量子物理安宏20.2.23何谓热辐射物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的λ连续的电磁波。0.6mm～760nm之间的电磁波称为红外线760nm～400nm之间的电磁波称为可见光（可见光在整个电磁波谱中所占的波段最窄）400nm～5nm之间的电磁波称为紫外线它们都是由原子的外层电子自发辐射产生的．第十五章量子物理安宏20.2.23何谓热辐射火炉600度1000度400度因辐射与温度有关，故称热辐射固体在温度升高时颜色的变化1400K800K1000K1200K第十五章量子物理安宏20.2.23辐射能量与T、λ有规律吗？成为19世纪末炼钢、电灯照明急待解决的课题第十五章量子物理安宏20.2.23不能一个物体一个物体分别来研究辐射能量与T、λ的规律绝对黑体基尔霍夫——理想模型：绝对黑体在任何温度、对于任何波长的外来辐射的吸收率均为1的物体。第十五章量子物理安宏20.2.23绝对黑体注意：一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成理想的黑体。一般物体——吸收反射透射绝对黑体——吸收辐射第十五章量子物理安宏20.2.23好的吸收体也是好的辐射体绝对黑体如远处不点灯的建筑物若室内点灯（自身辐射较强）注意：黑体当其自身的热辐射很弱时，看上去是黑洞洞的。第十五章量子物理安宏20.2.23绝对黑体注意：一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成理想的黑体。一般物体——吸收反射透射绝对黑体——吸收辐射整个热辐射研究可简化为黑体辐射的研究第十五章量子物理安宏20.2.231000度热辐射的实验规律火炉2000度800度炉火纯青2200K2000K1800K1600K热辐射的实验曲线)(TM1.02.03.04.05.0203010405060第十五章量子物理安宏20.2.23实验规律——找到了实验曲线——画出来了下一步要上升到理论：从理论上找到符合实验曲线的函数式热辐射规律的理论解释第十五章量子物理安宏20.2.23热辐射的理论解释当时经典物理占统治地位，人们自然用经典学理论来解释热辐射并建立了两个公式：1）维恩公式（Wien’sformula）1896年德国维恩（Wien）从热力学普遍理论出发导出1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(T)M维恩公式在长波方面与实验不符热辐射规律的理论解释第十五章量子物理安宏20.2.231.02.03.04.05.06.07.08.09.0)(TM2）瑞利--金斯公式（Rayleigh-jean’sformula）1900.6年瑞利--金斯利从电动力学和统计力学出发导出公式在短波区域明显与实验不符，而理论上却找不出错误紫外灾难热辐射规律的理论解释第十五章量子物理安宏20.2.23新实验经典物理尖锐矛盾紫外灾难0结果量子论相对论第十五章量子物理安宏20.2.23普朗克公式（Planck’sformula）1900.10.19年德国物理学家普朗克根据实验数据拼凑了一个公式：“普朗克公式”该公式与实验数据符合得很好！)(TM1.02.03.04.05.06.07.08.09.0普朗克公式曲线量子概念的诞生普朗克第十五章量子物理安宏20.2.23能量不连续，只能取某一最小能量的整数倍!!!!!普朗克量子假说νh1900年12月14日量子概念的诞生nEn3.2.1n量子数h=6.6310-34J·s称为普朗克恒量第十五章量子物理安宏20.2.23量子理论带来了出人意料的科学上技术上社会上哲学上的多种多样的新鲜成果也逐渐成了20世纪物理学中的“唯一思想模式”量子概念的诞生揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。νh第十五章量子物理安宏20.2.23量子概念的诞生普朗克诞辰100周年德国发行的2马克面值的纪念硬币哥庭根市公墓：h=6.6310-34J·s“这一发现成为20世纪整个物理研究的基础，从那时起，几乎完全决定了物理学的发展”。——爱因斯坦νh事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，1918年因此而获得诺贝尔奖。第十五章量子物理安宏20.2.23“我试图将h纳入经典理论的范围，但一切这样的尝试都失败了，这个量非常顽固”。后来他又说：“在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将作用量子引入到经典理论中去。我的一些同事把这看成是悲剧，但我有自已的看法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处，起初我只是倾向于认为，而现在是确切地知道作用量子将在物理中发挥出巨大作用”。量子概念的诞生注意：普朗克这一思想是完全背离经典物理，并受到当时许多人的怀疑和反对，包括当时的物理学泰斗---洛仑兹。乃至当时普朗克自已也想以某种方式来消除hnEn这一关系式。它写道：第十五章量子物理安宏20.2.23量子论这个精灵蹦跳在时代的最前缘，它需要最有锐气的头脑和最富有创见的思想来激活它的灵气。20世纪初，物理学的天空中已是黑云压城，每一升空气似乎都在激烈地对流和振荡。一个伟大的时代需要伟大的人物，有史以来最出色和最富激情的“黄金一代”物理学家便在这乱世的前夕成长起来。量子概念的诞生νh第十五章量子物理安宏20.2.23量子理论的三大先驱玻尔15爱因斯坦21普朗克421905年1900年量子概念第十五章量子物理安宏20.2.23问题：2.什么是光电效应？第十五章量子物理安宏20.2.231.存在红限频率。2.光照到金属表面光电流立即产生。3.光的最大动能只与光的频率有关，与光强无关。4.存在饱和光电流。金属光电子爱因斯坦————光量子理论1905年光电效应——光的微粒说——爱因斯坦第十五章量子物理安宏20.2.23•爱因斯坦光量子假说(1905)1）光束——粒子流——光子（光量子）流2）光子的能量νh3）单色光的强度hνNI•爱因斯坦光电效应方程WmVhν2m21逸出功光电效应——光的微粒说——爱因斯坦第十五章量子物理安宏20.2.23但他研究的初衷不是去证明爱因斯坦的光电效应公式，而是要推翻爱因斯坦的公式。1916年，密立根的实验结果完全肯定了爱因斯坦的光电效应方程，并且测出当时最好的普朗克常数h的值。密立根WmVhν2m211923年获诺贝尔物理学奖，以表彰他对基本电荷和光电效应的工作。1923光电效应——光的微粒说——爱因斯坦第十五章量子物理安宏20.2.23光的本性是什么？粒子？！——牛顿波粒二象性！——爱因斯坦问题：反射、折射、干涉、衍射、偏振波？！——第十五章量子物理安宏20.2.23•光的“波粒二象性”1)光在传播过程中——波动性2)光在与物质相互作用时——粒子性光具有“波粒二象性”爱因斯坦1921年诺贝尔物理奖。•光子的能量、质量与动量hν2mchp2chνm光子第十五章量子物理安宏20.2.23康普顿正在操纵X射线光谱仪康普顿研究了X射线经物质散射的实验进一步证实了爱因斯坦的光子概念。1923年—康普顿效应——光的微粒说第十五章量子物理安宏20.2.23康普顿效应——光的微粒说第十五章量子物理安宏20.2.23自由电子0(1)入射光子与外层电子弹性碰撞外层电子受原子核束缚较弱,近似自由.碰撞时光子损失能量，波长改变.康普顿效应的量子解释康普顿效应的量子解释:能量、动量守恒第十五章量子物理安宏20.2.23光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。00内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。原子康普顿效应的量子解释(2)入射光子与内层电子弹性碰撞康普顿效应的量子解释:能量、动量守恒第十五章量子物理安宏20.2.23光子和电子作弹性碰撞的结果1、若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,光子的能量减少，因此频率变小，波长变长。2、若光子和内层电子相碰撞时，碰撞前后光子能量几乎不变，故波长有不变的成分。3、因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。康普顿效应的量子解释康普顿效应的量子解释:能量、动量守恒波长不变的散射线波长变大的散射线光子外层电子内层电子第十五章量子物理安宏20.2.23康普顿的X射线实验室对证实康普顿效应作出了重要贡献在康普顿的一本著作中曾19处提到吴有训吴有训1927康普顿效应——光的微粒说第十五章量子物理安宏20.2.23光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程，对此，在以下几种理解中，正确的是()(A)两种效应中电子与光子两者组成的系统都服从动量守恒定律和能量守恒定律．(B)两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程．(C)两种效应都属于电子吸收光子的过程．(D)光电效应是吸收光子的过程，而康普顿效应则相当于光子和电子的弹性碰撞过程．例第十五章量子物理安宏20.2.23作业本P29一.1、2、3二.1、7三.1、2、5第十五章量子物理安宏20.2.23量子理论的三大先驱玻尔15爱因斯坦21普朗克421905年1913年1900年量子概念第十五章量子物理安宏20.2.23何谓热辐射物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的λ连续的电磁波。物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的λ连续的电磁波。第十五章量子物理安宏20.2.23作者姓名：安宏工作单位：大连大学物理科学与技术学院联系方式：电话-0411-82989323邮箱[e-mail]素材来源教学大纲教学日历教师简介使用教材教辅资料第十五章量子物理安宏20.2.23德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，1918年诺贝尔物理学奖金的获得者。普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，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。1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常数h。量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。普朗克MaxKarlErnstLudwigPlanck(1858―1947)第十五章量子物理安宏20.2.23二、黑体辐射实验定律单色反射率——对一定波长的波，单位时间、单位面积上反射能与入射能之比)T(r单色吸收率——对一定波长的波，单位时间、单位面积上吸收能与入射能之比)T(a绝对黑体（黑体）——在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收率恒为1的物体。黑体模型不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。第十五章量子物理安宏20.2.231、斯忒藩——玻耳兹曼定律：一定温度下,黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比，即2、维恩位移公式：黑体辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动。bTmb为常数40dT)T(M)T(MBBσ为常数三、普朗克量子假设黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。第十五章量子物理安宏20.2.231900年普朗克为得到与实验曲线相符的公式，提出（1）黑体腔壁中的电子的振动可看作是一维谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。（2）这些谐振子只能处于某些分立