01热辐射.ppt

1、量子物理,学习方法, 演绎和归纳 注意要接受新的观点 学习归纳法培养创造性思维, 形象和抽象 注意培养抽象思维能力, 温故而知新 注意复习学过的数学,具有划时代意义的量子论,-产生了半导体学科和技术,-改变了人类的生活水平,-出现了我们这些专业。,-引起了科学界的一场大革命,第 1 章 波粒二象性,引言,十九世纪末，经典物理已相当成熟， 对物理现象本质的认识似乎已经完成。,但在喜悦的气氛中，还有两朵 小小的令人不安的乌云：,跳出传统的物理学框架！,1.1 黑体辐射,分子(含有带电粒子)的热运动使物体辐射 电磁波。这种与温度有关的辐射称为热辐射 (heat radiation)。,热辐射的电磁波

2、能量对频率有一个分布。,温度不同，热辐射的电磁波能量不同， 频率分布也不同。,例如加热铁块，随着温度的升高: 开始不发光,同一个黑白花盘子的两张照片,室温下，反射光,1100K，自身辐射光,（与温度有关、热辐射）,温度为T 时,单位时间内从物体单位表面发出的 频率 在 附近单位频率区间内的电磁波的能量, 称为光谱辐出度M(T),1.光谱辐(射)出(射)度,一.描述热辐射的物理量,M单位-W/(m2Hz),dE 温度为T 时,单位时间内从物体单位表面 发出的频率在 +d 间隔内的电磁波的能量。,M(T) 描述热辐射能量按频率的分布。,2.总辐出度,M 的单位为W/m2,3.光谱吸收比,以上这些物

3、理量均与 物体种类及其表面情况有关。, （T）温度为T 时,（单位时间内）入射 到物体（单位表面）的,频率在 +d 间隔 内的电磁波的能量被物体吸收的百分比。,平衡热辐射,此时物体具有固定的温度。,我们下面只讨论平衡热辐射的情况。,物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收 的能量时，热辐射过程达到热平衡，称为 平衡热辐射。,在热平衡下，任何物体的单色辐出度与单色吸收比的比值与物体的性质无关，对于所有物体，这个比值是波长和温度的普适函数。,好的吸收体也是好的辐射体。,基尔霍夫定律,辐出度较大的物体，其吸收本领一定也较大；辐出度较小的物体，其吸收本领也一定较小。,1. 黑体,二.黑体和黑体辐射的基本规

4、律,维恩设计的黑体：,黑体,这小孔（黑体）能 吸收各种频率 的电磁波。,黑体的光谱吸收比 (T) =1-理想模型。,为不透明材料的空腔 开的一个小孔。,能完全吸收照射到它上面的各种 频率电磁波的物体，称为黑体。,根据基尔霍夫定律，黑体既是完全的吸收体，也是理想的发射体。,2. 研究黑体辐射的实验装置示意图,黑体,热电偶(测 M(T ),光栅光谱仪 （或棱镜光谱仪）,测得的黑体辐射实验曲线和两个实验定律：,可以利用光栅分光的本领； 也可以利用棱镜分光的本领。,3斯特藩玻耳兹曼定律（实验定律）, =5.6710- 8 W/（m2K4）,黑体辐射光谱中辐射 最强的频率m与黑体温 度T 之间满足正比关

5、系,C= 5.881010 Hz/K,总辐出度M(T)与黑体温度 的四次方成正比,4维恩位移定律 （实验定律）,例。若视太阳为黑体，,测得,可得,斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移律是测量高温、 遥感和红外追踪等技术的物理基础。,辐射最强的波长m与黑体温度T 之间满足 反比关系,b = 2.89810-3mK,三. 经典物理学所遇到的困难 - 如何解释黑体辐射实验曲线？,空腔壁产生的热辐射，想象 成空腔壁内有许多以壁为 节点的电磁驻波。,其中最典型的是维恩公式 和瑞利金斯公式：,黑体内的驻波,但是， 由经典理论导出的M(T ) 公式都与实验结果不符合！,（1）维恩公式（非前面的维恩位移定律） 他假定

6、驻波能量按频率的分布类似于 （经典的）麦克斯韦速度分布率。得,（2）瑞利金斯公式 瑞利假定驻波的平均能量为 kT （经典的能量均分定理），得,在高频段好；低频段明显偏离实验曲线！,在低频段尚好；高频段 (紫外区)与实验明显不符， 短波极限为无限大“紫外灾难”！,黑体热辐射的理论与实验结果的比较,M,瑞利金斯公式,维恩公式,实验值点,四.普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式,1.普朗克假设（1900年）,普朗克(1858-1947年)与鲁本斯。,即物体发射或吸收电磁辐射 只能以“量子”方式进行。,普朗克认为空腔黑体的热平衡状态，是组成腔壁 的带电谐振子不断发射和吸收电磁波的平衡状态。,他认为谐振子

7、的能量 E 只能是离散值（不连续！）,他把每个E值都称为能量子。,2.普朗克公式,1900.12.14.-量子论诞生日。,普朗克在德国物理学会上报告了与全波段实验 结果极为符合的普朗克公式：,h 称为普朗克常数。,普朗克当时根据黑体辐射实验得出 h = 6.358 10-34 Js, 玻尔对普朗克量子论的评价：,“在科学史上很难找到其它发现能象普朗克的,产生如此非凡的结果。,基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里,这个发现将人类的观念,不仅是有关经典科学的观念，而且是有关通,普朗克本人在若干年内也有过很多的困惑和彷徨,能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的！,常思维方式的观念的基础砸得粉碎

8、， ”,“在科学的殿堂里有各种各样的人：有人爱科学是,普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。,以伟大的创造性观念造福于世界的人。”,为了满足智力上的快感；有人是为了纯粹功利的,目的，而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那,些普遍的基本规律， 他成了一个,在普朗克获博士学位 五十周年纪念会上， 普朗克向爱因斯坦颁发 普朗克奖章,例：设有一音叉尖端的质量为 0.050kg，将其频率调到 =480Hz，振幅 A=1.0nm。求：尖端振动的量子数。,解：振动能量为：,由,叶企孙先生 （18981977）,中国科学院学部委员（常务）,清华大学 首任物理系主任（1926） 首任理学院院长（1929）,1921

9、 叶企孙 与 W.Duane， H.H.Palmer 用 X射线方法测得：,1986推荐值：,1998推荐值：,一般取：,石英窗,当光线照射金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。,光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出-光电子。,光电效应实验,当 K、A 间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值UC时，光电流恰为零。 UC称反向遏止电压。,截止电压的大小反映光电子初动能的大小。,1.2 光电效应,1.光电效应,1.爱因斯坦的光量子假设,光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为 的光是由大量能量为 =h

10、光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。,在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子的动能 Ek0 。,2.爱因斯坦光电效应方程,式中：A为电子逸出金属表面所需作的功，称为逸出功； 为光电子的最大初动能。,2.爱因斯坦的光量子假设,初动能及反向遏止电压与 成正比，而与光强无关。,（2）遏止电压,3.光电效应的应用,（1）截止频率0,当入射光频率 0 时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。,不同金属具有不同的截止频率。,由相对论光子的质能关系,光子的质量,由相对论质速关系,有,光子的静止质量为零。,光子的能量就是动能。,由狭义相对论

11、能量和动量的关系式,光子的能量和动量的关系式为：,光子的动量：,例：求波长为20 nm 紫外线光子的能量、动量及质量。,解：,能量,动量,质量,光子的能量：,光子的质量：,光子的动量：,光有二象性,描写光的粒子性的 、p，与 描写光的波动性的 、 通过 = h ； 相联系, = h,波长大或障碍物小波动性突出,波长小或障碍物大粒子性突出,两者怎么能统一呢？,光作为电磁波是弥散在空间而连续的；,光作为粒子在空间中是集中而分立的；,两者统一于概率波理论（见后）。,1.康普顿效应,在 X 射线通过物质散射时，散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更大的射线，其波长的改变量与散射角有关

12、，而与入射线波长0和散射物质都无关。,引言：爱因斯坦断言光是由光子组成，但真正证明光 是由光子组成的是康普顿效应实验。,波长的改变量满足如下关系：,式中： 称为康普顿波长，它表示散射角为90o时，散射波长改变的值。,这种改变波长的散射称为康普顿效应。,1.4 康普顿散射,X 射线是由一些能量为 =h 的光子组成，并且这些光子与自由电子发生完全弹性碰撞，,2.康普顿效应的光量子理论解释,在轻原子中，原子核对电子的束缚较弱，可以把电子看作是静止的自由电子。,碰撞前：光子能量为ho，动量为ho/c；电子的能量为moc2，动量为零。,碰撞后：光子散射角为，光子能量为h，动量为h/c；电子飞出的方向与入射光子的夹角为，它的能量为 ，动量为 。,碰撞过程能量守恒,动量守恒,联立以上三式，可以解得：,其中：,散射波长改变量：,康普顿效应中，发生波长改变的原因是：当一个光子与散射物质中的一个自由电子碰撞后，电子获得一部分能量，同时光子将沿某一方向散射，散射的光子能量减小，频率减小，波长变长。,为康普顿波长,注意几点:,.散射波长改变量 的数量级为 10-12m，对于可见光波长 10-7m，所