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文档简介
量子物理初步1/15(3)绝对黑体——只吸收辐射能而不反射物体,理想模型。自然界中吸收能力最强煤烟和黑色珐琅质吸收能力为:99%。黑体模型:见图,小孔可视为黑体表面。测量小孔辐射能量规律,即为黑体辐射规律。测量装置:黑体平行光管棱镜热电偶2/15一.量子物理建立1.晴朗天空中另一朵乌云——黑体辐射规律(1)热辐射现象物体辐射电磁波解释:物体内分子或原子可视为带电线性谐振子,振动时将辐射电磁波。谐振子振动频率各不相同,辐射电磁波中含有各种波长,同一频率谐振子个数不一样,不一样波长辐射能量也不一样。(2)描述辐射物理量单色辐出度Mλ(T)——在λ—λ+dλ范围内物体单位面积上辐射功率。辐出度M(T)——物体单位面积上辐射功率辐出度与温度及物体相关。3/15热电偶在不一样方位可测出波长不一样电磁波对应能量。试验曲线以下:Mλλ对此试验曲线,1893年维恩用类比法(将黑体能谱分布假设与麦克斯威速率分布一致)得到一理论公式,但仅在短波处吻合。19瑞利(LordRayleigh)与金斯(J.HJeans)用能均分定理(每个谐振子能量均为kT)导出另一公式,但仅在长波处相近,在短波处Mλ→∞,物理学史上称为紫外灾难。4/152.普朗克假说普朗克:1858年生于德国基尔,著名物理学家,量子理论创始人。19普朗克在维恩与瑞利公式启发下,尝试在二人公式之间建立一个内插式公式,使它在长波方面靠近瑞利公式,短波方面靠近维恩公式,经过努力取得成功,并以《论维恩位移公式改进》为题于1900.10.19公布在德国物理学会年会上。发表当晚,德国试验物理学家鲁本斯就将此公式与其拥有试验数据进行比较,结果发觉准确相符。原来普朗克是将试验数据与两个不正确公式凑出一个半经验公式,从理论上得不到任何解释。普朗克曾说:“即使这个新辐射公式竟然证实是绝对正确,不过假如把它仅仅看作是一个侥幸揣测出来内插式公式,那么它5/15价值也是有限。”在有了试验支持后,普朗克开始了两个月担心工作,他认为这两个月是他一生中最困难时期,他发觉,要想合了解释自己提出新公式,只有冒天下之大不违,提出一个假说,物体在发射或吸收辐射时能量是不连续,机械镇子能量值是分离,只能是某一最小能量整倍数。ε,2ε,3ε,4ε,…振动频率为ν谐振子最小能量为1900.12.14普朗克以《正常光谱中能量分布理论》为题宣告了自己大胆假设及由此而推导公式简便方法。这一天后被视为量子理论及原子物理6/15诞生日。与经典理论冲突:从十七世纪牛顿力学创建以来,以及微积分建立,一切自然过程都被理所当然视为连续。法国大数学家莱布尼兹曾说:“现在把未来抱在怀中,任何一个给定状态只能用紧接在前面那个状态来解释,假如对这一点提出疑问,那么世界将会展现许多间隙,而这些间隙就会将这条含有充分理由普遍规律推翻,结果迫使我们不得不乞求于奇迹或纯粹机遇来解释自然现象了。”他还说:“自然界无跳跃”普朗克理论遭遇:因为经典理论辉煌成就,普朗克理论在发表7/15十年里一直极少受人重视。在19出版《自然科学和技术史手册》上详细列举了19全世界120项发觉与创造,未提及普朗克发觉。因为外界反应冷淡,及本身传统观念束缚,普朗克对自己理论正确性也产生了怀疑,他说他理论“纯粹是一个形式上假设”。他告诫自己与他人“在将作用量子h引入理论时,应该尽可能保守从事,除非证实绝对必要,不然不要改变现有理论”。在爱因斯坦提出光量子理论时,首先反正确是普朗克,他说爱因斯坦“在思变中走太远了,迷失了方向”。在19,他开始对他量子概念在条件上加以限制,认为黑体只有在发射电磁波时才是不连续,19以后,他甚至认为,只有再做一些努力,他就能够用经典理论得出他公式,到19他完全8/15放弃了量子理论,今后他对量子理论再未起任何作用。对自己后退行为,普朗克曾做过自我评价,他说:“企图使基本作用量子与经典理论调和起来这种徒劳无益打算,我连续了很多年(直到19),它使我付出了巨大精力。我许多同僚们认为这近乎一个悲剧,不过我对此有不一样看法。因为我由此而取得透彻启示是更有价值。”为表彰普朗克对量子理论开创所做出不朽贡献,19他取得了诺贝尔物理学奖。3.光子理论提出(1)光电效应试验现象:光照射金属表面使其逸出电子现象。9/15试验结果:存在红线频率——使电子逸出金属表面频率下限。驰豫时间:光照射金属表面电子逸出时间。不论光强大小,电子逸出时间几乎使瞬时,10-9s。波动学说无法解释:红线频率:波动理论,光能量正比与光强,只要光强足够大,时间足够长,电子总能够吸收足够能量克服金属表面束缚,不应有红限频率。驰豫时间:波动理论,电子吸收能量需要时间,时间长短与光强相关。爱因斯坦从普朗克能量子假设中受到启发,他认为谐振子在发射与吸收时是量子化,辐射能10/15本身也是量子化,他把光想象成一束以光速运动粒子流,粒子被称为光量子,现称光子。光子能量:光子动量:光电效应方程:光子理论能够很好解释光电效应,但在19,这种提法被大多数物理学家视为数学上技巧,他们认为光实质是电磁波这是不容置疑,即使他们知道光子学说能够有效解释光与物质相互作用现象。19爱因斯坦所以取得诺贝尔物理学奖。11/15(2)康普顿X射线试验试验装置X源散射物质晶体探测器晶体与探测器组成摄谱仪,可测量散射光线波长。康普顿发觉散射光谱中除有原波长外,还有射线,此称为康普顿效应。试验规律:散射波长改变与散射物质无关,仅与散射角相关。原子量小物质康普顿效应强。12/15波动学说无法解释:按光波动理论,当电磁波入射媒质,媒质原子中电偶极子将作受迫振动,振动频率为入射电磁波频率,所发出电磁波频率应与入射电磁波频率相同。光子说解释:光子与电子相撞,失去部分能量,光子与原子实(原子核与内层电子结合体)相撞,能量基本无损失,波长不变。重原子内层电子较多,效应不显著,轻原子则反之。波长改变量仅与散射角相关,可由光子与电子碰撞时恪守能量守恒与动量守恒推导出来。13/15以上三个试验均证实了光粒子性,即光在发射、传输、接收过程中含有显著
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