黑体辐射、 普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应.ppt

1、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,经典力学,现代物理的理论基础,量子力学相 对 论,量子力学,实验 规律,旧理论 解释的 困难,新理论,基本流程,（1）热辐射 实验证明不同温度下物体能发出 不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同 的电磁辐射叫做热辐射.,（2）单色辐射出射度 单位时间内从物体单位表面积发出的频率在 附近单位频率区间（或波长在 附近单位波长区间）的电磁波的能量 .,单色辐射出射度

2、单位：,单色辐射出射度 单位：,1、黑体、黑体辐射,一、 黑体辐射和普朗克能量子假设,（3）辐射出射度 （辐出度）,物体表面单位时间、单位面积上所辐射出的各种波长的电磁波的能量总和.,单色辐射出射度,实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.,（4）黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体 .（黑体是理想模型）,测量黑体辐射出射度实验装置,黑体辐射规律,（1）斯特藩玻尔兹曼定律,斯特藩玻尔兹曼常量,曲线下的总面积就是辅出度,斯特藩 玻尔兹曼定律 维恩位移定律,（2）维恩位移定律,常量,峰值波长,曲线的极大值对应于波长 表示这种波长的电磁波能量比例最大,当绝对黑体的温

3、度升高时，单色辐射出射度最大值向短波方向移动。,（2）取,（1）由维恩位移定律,（3）由斯特藩玻尔兹曼定律,由维恩位移定律,对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用 这种方法进行推测,2、黑体辐射的瑞利金斯公式 经典物理的困难,瑞利 - 金斯公式,3、普朗克能量子假设 （1900 年）,普朗克常量,普朗克黑体辐射公式,(1)黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波，并和周围的电磁场交换能量。 (2) 这些谐振子能量不能连续变化,只能取一些分立值,是最小能量 的整数倍,这个最小能量称为能量子。,M.V.普朗克 研究辐射的量子理论,发现基本量子，提出能量量子化的假设,1918诺贝尔物理学奖,普朗克

4、（1858-1947）,普朗克量子假说（1900年12月14日，柏林，德意志科学院）,1、光电效应实验的规律,（1）实验装置,二、光电效应、光的波粒二象性,光电效应 光照射到金属表面时，有电子从金属表面逸出的现象。,光电子 逸出的电子。,光电子由K飞向A，回路中形成光电流。,1）单位时间内从阴极逸出的光电子数与入射光的强度成正比。,2）存在截止电压，说明光电子具有初动能，且遏止电势差与入射光频率具有线性关系,（2）实验规律,.,光电子初动能和入射光频率成正比，与入射光光强无关,遏止电势差与入射光频率具有线性关系,4) 光电效应瞬时响应性质,实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光 电子出现不超

5、过 的时间。,光电效应的产生几乎无需时间的累积,3）对于给定的金属，当照射光频率小于金属的红限频率，则无论光的强度如何，都不会产生光电效应。,几种纯金属的截止频率,截止频率与材料有关与光强无关,按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止.与实验结果不符 .,2、经典理论遇到的困难,红限问题,瞬时性问题,按经典理论，光电子的初动能应决定于入射光的光强，而不决定于光的频率。无论何种频率的入射光,只要其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属 .与实验结果不符.,光子的能量,因为：,由于光子速度恒为 c ，所以光子的“静止质量”为零.,光是以

6、光速 c 运动的微粒流，称为光量子（光子）。,3、爱因斯坦光子假说,光子的质量,光子的静质量,光子的动量,光的波粒二象性,光子 爱因斯坦方程,（1） “光量子”假设,光子的能量为,（2） 解释实验,逸出功与材料有关,对同一种金属， 一定， ，与光强无关,逸出功,光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电 子数目越多，光电流越大.（ 时）,光子射至金属表面，一个光子携带的能量 将一 次性被一个电子吸收，若 ，电子立即逸出， 无需时间积累（瞬时性）.,（3） 的测定,爱因斯坦方程,例 在铝中移出一个电子需要4.2eV的能量，波长为 200nm的光射到其表面，求： 1、光电子的最大动能 2、遏制电

7、压 3、铝的截止波长,解：,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,A.爱因斯坦 对现物理方面的贡献，特别是阐明光电效应的定律,1921诺贝尔物理学奖,爱因斯坦提出光量子概念 （1905年）,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了的成分.,（1）实验装置,调节A的方位，可使不同方向的散射光进入光谱仪。,三、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了的成分.,实验装置,经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率 . 经典理论无法解释波长变

8、化 .,（2）实验结果,在散射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 .,2、经典理论的困难,电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理.,（1）物理模型,入射光子（ X 射线或 射线）能量大 .,固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子.,3、量子解释,电子热运动能量 ，可近似为静止电子.,范围为：,（2）理论分析,能量守恒,动量守恒,康普顿波长,康普顿公式,散射光波长的改变量 仅与 有关,散射光子能量减小,（3）结论,（4）讨论,（5）物理意义,若 则 ,可见光观察不到康普顿效应.,光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性 .,微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律.,

9、1927诺贝尔物理学奖,A.H.康普顿 发现了X射线通过物质散射时，波长发生变化的现象,X射线经过金属、石墨 等物质，发生波长改变的 散射称康普顿效应。康普顿效应是说明光的粒子性的另一个重要的实验。,康 普 顿 散 射 实 验,【课外】 我国科学家吴有训 博士在这项工作中 作出过杰出贡献。,康普顿实验指出,改变波长的散射,康普顿散射,康普顿效应,散射光中除了和入射光波长 相同的射线之外，还出现一种波长 大于 的新的射线,【课外】 我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还发现：,原子量小的物质康普顿散射较强，原子量大的物质康普顿散射较弱；,当散射角增加时，波长改变也随着增加；在同一散射角下，所有

10、散射物质的波长改变都相同。,石 墨 的 康 普 顿 效 应,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,(a),(b),(c),(d), (埃),0.700,0.750,康普顿理论的意义,1、验证了光的粒子说的正确性；,2、验证了在光与电子的相互作用过程中， 能量守恒与动量守恒仍是正确的；,3、进一步