大学物理第五版ch15.1-15.3

15.1热辐射普朗克能量子假设

15.2光电效应爱因斯坦光子假说15.3

康普顿效应15.4氢原子光谱玻尔的氢原子理论15.6波函数一维定态薛定谔方程第15章量子物理基础本章内容：15.5微观粒子的波粒二象性不确定关系15.7氢原子的量子力学描述电子自旋量子概念是1900年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到20世纪30年代，就建立了一套完整的量子力学理论.量子力学宏观领域经典力学现代物理的理论基础量子力学相对论量子力学微观世界的理论起源于对波粒二相性的认识量子物理基础15.1

热辐射普朗克能量子假设

1.

热辐射的基本概念说明：(1)任何物体在任何时候都存在着发射和吸收电磁辐射的过程。

(2)不同物体在某一频率范围内发射和吸收电磁辐射的能力是不同的。

(3)同一物体在某频率范围内发射电磁波的能力强，吸收的能力也强。1）热辐射：由温度决定的物体的电磁辐射。15.1.1热辐射

2）平衡热辐射：辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化而处于热平衡的状态。例：头部热辐射像头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异，这种差异可通过热象仪转换成可见光图象。

15.1热辐射普朗克能量子假设运动身体时各部分温度的分布

15.1热辐射普朗克能量子假设表示：或单位：4）辐出度：3）单色辐出度：

在一定温度T下，物体在单位时间内从单位表面积发出的电磁波的辐射能量。表示：关系：

在一定温度T下，物体在单位时间内从单位表面积发出的单位波长区间的(波长在附近)电磁波的辐射能量。

15.1热辐射普朗克能量子假设热辐射的特点:(1)

连续。(2)

温度越高,辐射越强。(3)辐射频谱分布（波长或频率）随温度变化。(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。

2.黑体辐射黑体(绝对黑体)：能够全部吸收各种波长的辐射且不反射和透射的物体。

煤烟约99%黑体模型

15.1热辐射普朗克能量子假设黑体辐射的特点：

与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射本领最强。黑体热辐射温度材料性质辐出度和单色辐出度表示为：

15.1热辐射普朗克能量子假设1.斯特藩—玻尔兹曼定律斯特藩—玻尔兹曼常量2.维恩位移定律常量峰值波长0100020001.00.5

可见光区3000K6000K15.1.2斯特藩—玻尔兹曼定律维恩位移定律

15.1热辐射普朗克能量子假设应用：测高温物体温度。0123

6123

45瑞利-金斯公式曲线实验曲线****************瑞利-金斯公式紫外灾难3.黑体辐射的瑞利—金斯公式经典物理的困难

15.1热辐射普朗克能量子假设4.普朗克能量子假设

(1)黑体腔壁是由无数带电谐振子组成。这些谐振子不断吸收和辐射电磁波与腔内辐射场交换能量。—能量子(2)这些谐振子具有的能量是分立的，它们只能取0，，当振子与腔内辐射场交换能量时，能量改变值只能是的整数倍。即：量子数——普朗克常量意义：首次提出微观粒子的能量是量子化的，打破了经典物理学中能量连续的观念,打开了人们认识微观世界的大门。0123

6123

45普朗克黑体辐射公式普朗克公式曲线实验值****************瑞利-金斯公式曲线

15.1热辐射普朗克能量子假设一、概念热辐射、平衡热辐射、单色辐出度、黑体辐射三、普朗克能量子假设

小结1.斯特藩—玻尔兹曼定律

二、两个定律2.维恩位移定律—能量子量子数——普朗克常量解（1）基元能量（2）当量子数由增加到时，振幅的变化是多少？（1）尖端振动的能量量子数和能量子；例1

设有一音叉尖端的质量为0.050kg

，将其频率调到，振幅。求在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明显的，即宏观物体的能量完全可视作是连续的.

15.1热辐射普朗克能量子假设（2）当量子数由增加到时，振幅的变化是多少？两边同乘得

15.1热辐射普朗克能量子假设15.2.1光电效应的实验规律(1)饱和光电流iS

(2)遏止电压Ua

（I,v)AKU15.2

光电效应爱因斯坦光子假说iS1iS2I1I2-UaiI1>I2>I3nUa遏止电压与频率关系曲线和v成线性关系i(实验装置示意图)光电子最大初动能和n

成线性关系(3)截止频率n0(4)即时发射:迟滞时间不超过

10-9

秒A光强I∝iS光电子光电流i光子阴极阳极光电管-+光电子什么是光电效应？

经典物理与实验规律的矛盾

1.电子在电磁波作用下作受迫振动,直到获得足够能量(与光强

I有关)逸出,不应存在截止

n0。3.当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累。不一定完全存在即时发射。3.只有光的频率

n

³

n0

时，才会产生光电效应。1.逸出光电子的多少取决于光强

I

。4.光电子即时发射，滞后时间不超过

10–9

秒。光电效应实验规律归纳2.光电子最大初动能与光n

成线性关系,与I无关。

2.光电子最大初动能取决于光强，和光n

无关。

15.2光电效应爱因斯坦光子假说15.2.2爱因斯坦光子假说和光电效应方程

光子假说:光是一束光子流,每一光子能量为

hn。（A为逸出功）单位时间到达单位垂直面积的光子数为N，则光强

（I=Nhn

）

越强,到阴极的光子越多,则逸出的光电子越多。

电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。

光频率n>A/h时，电子吸收一个光子即可克服逸出功

A

逸出

(n

o=A/h)

。结论

光电子最大初动能和光

n

成线性关系。逸出功:电子脱离金属表面时,克服表面阻力所做的功。解释2.解释3.解释1.解释4.电子吸收一个光子光子动量15.2.3光（电磁辐射）的波粒二象性光子能量光子质量粒子性波动性15.2.4光电效应的应用

光电管:光电开关,红外成像仪等光电倍增管:(微光)夜视仪

15.2光电效应爱因斯坦光子假说光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.光电倍增管放大器接控件机构光光控继电器示意图

15.2光电效应爱因斯坦光子假说测量波长在200~1200nm极微弱光的功率光电倍增管

15.2光电效应爱因斯坦光子假说一、概念光电效应、光子、光电子、截止频率、逸出功二、爱因斯坦光子假说三、光电效应（爱因斯坦）方程光是光子流,每一光子能量为

hn.小结光子动量四、光的波粒二象性光子能量光子质量n

o=A/h例

波长为450nm的单色光射到纯钠的表面上.求(1)这种光的光子能量和动量；

(2)光电子逸出钠表面时的动能；

(3)若光子的能量为2.40eV，其波长为多少？解（1）（2）（3）查表

15.2光电效应爱因斯坦光子假说15.3

康普顿效应15.3.1康普顿效应1920年，美国物理学家康普顿在观察X射线被物质散射时，发现散射线中含有波长发生变化(变长)了的成分.λ

0llθl0探测器l0X光管光阑散射物体(实验装置示意图）散射角D

l=0实验装置实验结果

散射线中有两种波长

l0、l

，随散射角q的增大而增大,q=0时。在散射的X射线中除有与入射波长相同的射线外，还有波长比入射波长更长的射线。（相对强度）（波长）随散射角q

的增大而增大。实验曲线

15.3康普顿效应如何解释实验结论?即的产生?或的产生?经典理论的解释

经典理论只能解释波长不变的散射，不能解释波长变化的散射。电子受迫振动同频率散射线发射单色电磁波θ受迫振动v0照射散射物体

15.3康普顿效应能量守恒、动量守恒(1)X

射线入射的光子与外层电子进行弹性碰撞

外层电子受原子核束缚较弱动能＜＜光子能量近似自由近似静止静止自由电子θ15.3.2光子理论的解释反冲电子光子

15.3康普顿效应原子光子（电子的康普顿波长）其中可见增加增加

15.3康普顿效应定性解释为一个电子吸收一个光子的部分能量(2)

X射线的光子和原子内层电子相互作用光子质量远小于原子质量，碰撞时光子不损失能量，波长不变。内层电子被束缚得很紧,光子相当于和整个原子发生碰撞。光子内层电子外层电子波长变大的散射线波长不变的散射线说明:00(1)

原子

15.3康普顿效应光子光子

(2)强度变化弱强重物质（多数电子处于强束缚状态）强弱轻物质（多数电子处于弱束缚状态）

l

l0

波长吴有训实验结果

15.3康普顿效应康普顿效应的光子理论解释(1)

散射光波长变长解释入射光子与外层电子弹性碰撞，动量守恒，能量守恒。(2)

散射光波长不变解释

入射光子和原子内层电子相互作用，相当于光子和整个原子发生碰撞。光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。

小结（康普顿波长）例λ0=0.02nm的X