高二物理競賽課件：量子力學(xué)之黑體輻射

1、黑體輻射黑體輻射實驗表明：一切物體都以電磁波的形式向外輻射能量。輻射的能量與溫度有關(guān)，稱之為熱輻射。輻射和吸收的能量恰相等時稱為熱平衡。此時溫度恒定不變。單色輻出度單位時間、單位表面積上所輻射出的、單位波長間隔中的能量。輻射出射度 經(jīng)典物理遇到的困難 瑞利和瓊斯用 能量均分定理 電磁理論得出：只適于長波，有所謂的“紫外災(zāi)難”。實驗瑞利-瓊斯線維恩線T=1646k 維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出：實驗瑞利-瓊斯線維恩線T=1646k普朗克線普朗克的擬合結(jié)果* 輻射物體中包含大量諧振子，它們的能量取分立值 * 存在著能量的最小單元（能量子=h)* 振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量從理論上推出：

2、分別是玻爾茲曼常數(shù)和光速。 h=6.62610-34焦耳。 光電效應(yīng)的實驗規(guī)律及經(jīng)典理論的困難UG 飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。或者說：單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目與入射光強(qiáng)成正比U0312UIIS0相同頻率，不同入射光強(qiáng)度U03U02U01312UIIS0相同入射光強(qiáng)度，不同頻率 光電子的初動能與入射光強(qiáng)度 無關(guān)，而與入射光的頻率有關(guān)。截止電壓的大小反映光電子初動能的大小截止電壓與入射光頻率有線性關(guān)系紅限頻率 * 經(jīng)典認(rèn)為光強(qiáng)越大，飽和電流應(yīng)該越大，光電子的 初動能也越大。但實驗上光電子的初動能僅與頻率 有關(guān)而與光強(qiáng)無關(guān)。經(jīng)典理論的困難：* 只要頻率高于紅限，既使光強(qiáng)很弱也有光

3、電流； 頻率低于紅限時，無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。 而經(jīng)典認(rèn)為有無光電效應(yīng)不應(yīng)與頻率有關(guān)。 * 瞬時性。經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收 能量要時間，即需能量的積累過程。 當(dāng)采用了光量子概念后，光電效應(yīng)問題迎刃而解。當(dāng)光量子射到金屬表面時，一個光子的能量可能立即被一個電子吸收。但只當(dāng)入射光頻率足夠大，即每一個光子的能量足夠大時，電子才可能克服脫出功而逸出金屬表面。逸出表面后，電子的動能為：A 稱為逸出功。只與金屬性質(zhì)有關(guān)。與光的頻率無關(guān)。（4） 當(dāng) （臨界頻率）時，電子無法克服金屬表面的引力而從金屬中逸出，因而沒有光電子發(fā)出。 Einstein還進(jìn)一步把能量不連續(xù)的概念用到固體中原子的振動上去

4、，成功地解決了固體比熱在溫度T0K是趨于0的現(xiàn)象。這時，P lank的光量子能量不連續(xù)性概念才引起很多人的注意。(1)光的量子性干涉、衍射現(xiàn)象：光是波赫茲：光是電磁波黑體輻射、光電效應(yīng)：光的量子性:電磁輻射的能量是被一份一份 地發(fā)射和吸收的。(2)Plank-Einstein關(guān)系 Einstein在光子能量量子化的基礎(chǔ)上提出光子概念： 即認(rèn)為輻射場由光量子組成，每一個光量子的能量與輻射場的頻率的關(guān)系是： 并根據(jù)狹義相對論以及光子以光速C運(yùn)動的事實，得出光子的動量P波長的關(guān)系： Compton散射曾經(jīng)被認(rèn)為是光子概念以及Plank-Einstein關(guān)系的判定性實驗。 早在1912年，C.Sadler 和A.Meshan就發(fā)現(xiàn)X射線被輕原子量的物質(zhì)散射后，波長有變長的現(xiàn)象，Compton把這種現(xiàn)象看成X射線的光子與電子碰撞而產(chǎn)生的。成功地解釋了實驗結(jié)果?？灯疹D散射的實驗規(guī)律：1、散射線波長的改變量 隨散射角 增加而增加。2、在同一散射角下 相同 , 與散射物質(zhì)和入射光波長無關(guān)。3、原子量較小的物質(zhì),康普頓散射較強(qiáng)。入射X光散射X光散射角 Compton認(rèn)為X射線的光子與電子碰撞而發(fā)生散射。假設(shè)在碰撞過程中能量與動量是守恒的，由于反沖，電子帶走一部分能量與動量，因而散射出去的光子的能量與動量都相應(yīng)減小，即X射線頻率變小而波長增大。 相對于X射線束中的