高二物理竞赛课件：量子力学之黑体辐射

1、黑体辐射黑体辐射实验表明：一切物体都以电磁波的形式向外辐射能量。辐射的能量与温度有关，称之为热辐射。辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡。此时温度恒定不变。单色辐出度单位时间、单位表面积上所辐射出的、单位波长间隔中的能量。辐射出射度 经典物理遇到的困难 瑞利和琼斯用 能量均分定理 电磁理论得出：只适于长波，有所谓的“紫外灾难”。实验瑞利-琼斯线维恩线T=1646k 维恩根据经典热力学得出：实验瑞利-琼斯线维恩线T=1646k普朗克线普朗克的拟合结果* 辐射物体中包含大量谐振子，它们的能量取分立值 * 存在着能量的最小单元（能量子=h)* 振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量从理论上推出：

2、分别是玻尔兹曼常数和光速。 h=6.62610-34焦耳。 光电效应的实验规律及经典理论的困难UG 饱和光电流强度与入射光强度成正比。或者说：单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光强成正比U0312UIIS0相同频率，不同入射光强度U03U02U01312UIIS0相同入射光强度，不同频率 光电子的初动能与入射光强度 无关，而与入射光的频率有关。截止电压的大小反映光电子初动能的大小截止电压与入射光频率有线性关系红限频率 * 经典认为光强越大，饱和电流应该越大，光电子的 初动能也越大。但实验上光电子的初动能仅与频率 有关而与光强无关。经典理论的困难：* 只要频率高于红限，既使光强很弱也有光

3、电流； 频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。 而经典认为有无光电效应不应与频率有关。 * 瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收 能量要时间，即需能量的积累过程。 当采用了光量子概念后，光电效应问题迎刃而解。当光量子射到金属表面时，一个光子的能量可能立即被一个电子吸收。但只当入射光频率足够大，即每一个光子的能量足够大时，电子才可能克服脱出功而逸出金属表面。逸出表面后，电子的动能为：A 称为逸出功。只与金属性质有关。与光的频率无关。（4） 当 （临界频率）时，电子无法克服金属表面的引力而从金属中逸出，因而没有光电子发出。 Einstein还进一步把能量不连续的概念用到固体中原子的振动上去

4、，成功地解决了固体比热在温度T0K是趋于0的现象。这时，P lank的光量子能量不连续性概念才引起很多人的注意。(1)光的量子性干涉、衍射现象：光是波赫兹：光是电磁波黑体辐射、光电效应：光的量子性:电磁辐射的能量是被一份一份 地发射和吸收的。(2)Plank-Einstein关系 Einstein在光子能量量子化的基础上提出光子概念： 即认为辐射场由光量子组成，每一个光量子的能量与辐射场的频率的关系是： 并根据狭义相对论以及光子以光速C运动的事实，得出光子的动量P波长的关系： Compton散射曾经被认为是光子概念以及Plank-Einstein关系的判定性实验。 早在1912年，C.Sadler 和A.Meshan就发现X射线被轻原子量的物质散射后，波长有变长的现象，Compton把这种现象看成X射线的光子与电子碰撞而产生的。成功地解释了实验结果。康普顿散射的实验规律：1、散射线波长的改变量 随散射角 增加而增加。2、在同一散射角下 相同 , 与散射物质和入射光波长无关。3、原子量较小的物质,康普顿散射较强。入射X光散射X光散射角 Compton认为X射线的光子与电子碰撞而发生散射。假设在碰撞过程中能量与动量是守恒的，由于反冲，电子带走一部分能量与动量，因而散射出去的光子的能量与动量都相应减小，即X射线频率变小而波长增大。 相对于X射线束中的