黑體輻射 普朗克能量子假設(shè) 光電效應(yīng) 光的波粒二象性

大學(xué)物理學(xué)電子教案量子物理（1）16-1黑體輻射普朗克能量子假說黑體輻射及其規(guī)律普朗克假說普朗克黑體輻射公式黑體輻射的應(yīng)用16-2光電效應(yīng)光的波粒二象性光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光子愛因斯坦方程光電效應(yīng)的應(yīng)用量子物理1、經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展過程物理學(xué)經(jīng)典物理現(xiàn)代物理力學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)光學(xué)相對論量子論非線性學(xué)習(xí)現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展史的重大意義：

1）科學(xué)家如何抓住機(jī)遇，克服困難，勇于突破傳統(tǒng)觀念束縛的創(chuàng)新思想和鍥而不舍的探索精神，以及作為一個成功者所具有的高尚品德.

2）科學(xué)發(fā)展不是一帆風(fēng)順的，有成功也有失敗，而且科學(xué)爭論永遠(yuǎn)不斷，正是不同學(xué)術(shù)觀點(diǎn)之間的科學(xué)爭論的不斷產(chǎn)生和解決推動著人類科學(xué)認(rèn)識的不斷深入和發(fā)展.

科學(xué)對于人類事務(wù)的影響有兩種方式：第一種方式是大家熟知的：科學(xué)直接的并在更大程度上間接地產(chǎn)生出完全改變?nèi)祟惿畹墓ぞ?；第二種方式是教育的性質(zhì)——它作用于心靈.——愛因斯坦16-1黑體輻射普朗克能量子假說量子概念是1900年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的歷史.其間，經(jīng)過愛因斯坦、玻爾、德布羅意、玻恩、海森伯、薛定諤、狄拉克等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到20世紀(jì)30年代就建立了一套完整的量子力學(xué)理論.量子力學(xué)宏觀領(lǐng)域經(jīng)典力學(xué)現(xiàn)代物理的理論基礎(chǔ)量子力學(xué)相對論量子力學(xué)微觀世界的理論起源于對波粒二象性的認(rèn)識一黑體黑體輻射熱輻射任何物體在任何溫度下都會發(fā)射不同頻率的電磁波的現(xiàn)象為熱輻射.物體在任何時候都存在發(fā)射和吸收電磁輻射的過程.實(shí)驗(yàn)證明熱輻射具有如下規(guī)律:1.輻射能量按頻率的分布隨溫度而不同.

2.不同物體在某一頻率范圍發(fā)射和吸收輻射的能力不同;同一物體在某一頻率范圍發(fā)射越強(qiáng),吸收也越強(qiáng).實(shí)驗(yàn)表明輻射能力越強(qiáng)的物體，其吸收能力也越強(qiáng).黑體能完全吸收照射到它上面的各種頻率的電磁輻射的物體稱為黑體.（黑體是理想模型）

1.單色輻射出射度

單位時間內(nèi)從物體單位面積發(fā)出的頻率在附近單位頻率區(qū)間（或波長在附近單位波長區(qū)間）的電磁波的能量.單色輻射出射度單位：單色輻射出射度單位：定量研究熱輻射的有關(guān)物理量2.輻射出射度（輻出度）單位時間，單位面積上所輻射出的各種頻率（或各種波長）的電磁波的能量總和.

會聚透鏡空腔小孔平行光管棱鏡熱電偶測量黑體輻射出射度實(shí)驗(yàn)裝置二斯特藩—玻耳茲曼定律維恩位移定律（1）斯特藩—玻耳茲曼定律斯特藩—玻耳茲曼常數(shù)（2）維恩位移定律常數(shù)峰值波長0100020001.00.5

可見光區(qū)3000K6000K黑體單色輻出度實(shí)驗(yàn)曲線可見光6000K3000K0.51.00.51.0黑體單色輻出度實(shí)驗(yàn)曲線和關(guān)系例1（1）溫度為室溫的黑體，其單色輻出度的峰值所對應(yīng)的波長是多少？（2）若使一黑體單色輻出度的峰值所對應(yīng)的波長在紅色譜線范圍內(nèi)，其溫度應(yīng)為多少？（3）以上兩輻出度之比為多少？解:（2）取（1）由維恩位移定律（3）由斯特藩—玻耳茲曼定律例2太陽的單色輻出度的峰值波長，試由此估算太陽表面的溫度.解由維恩位移定律對宇宙中其他發(fā)光星體的表面溫度也可用這種方法進(jìn)行推測0123612345瑞利-金斯公式實(shí)驗(yàn)曲線*****************三黑體輻射的瑞利—金斯公式經(jīng)典物理的困難瑞利-金斯公式紫外災(zāi)難四普朗克假設(shè)普朗克黑體輻射公式（1900年）普朗克常量能量子普朗克假設(shè)：金屬空腔壁中電子的振動可視為一維諧振子，它吸收或者發(fā)射電磁輻射能量是量子化的（不連續(xù)）.普朗克黑體輻射公式帶電諧振子吸收或發(fā)射能量為01236瑞利-金斯公式12345普朗克公式的理論曲線實(shí)驗(yàn)值****************

普朗克（MaxKarlErnstLudwigPlanck，1858–1947）德國理論物理學(xué)家，量子論的奠基人.1900年12月14日他宣讀了以《關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論》為題的論文，提出能量量子化的假設(shè)，并導(dǎo)出黑體輻射能量分布公式.勞厄稱這一天是“量子論的誕生日”.

1905年愛因斯坦在能量量子化的啟發(fā)下提出了光量子的假設(shè),并成功解釋了光電效應(yīng).量子觀念在“非難”中得到發(fā)展.普朗克晚年對自己工作的評論:“我徒勞無益的使基本量子論和經(jīng)典理論一致的企圖繼續(xù)了許多年花了我極大的精力，我的同行中的許多人幾乎把這看成悲劇，但我對他的看法是不同的，因?yàn)槲覐倪@工作中得到的對我的想法的深刻的澄清，對我有極大的價(jià)值.現(xiàn)在我的確知道，作用量子的基本意義比我原來所想象的的要大得多.”誠實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度一光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的規(guī)律VA（1）實(shí)驗(yàn)裝置光照射至金屬表面,電子從金屬表面逸出,稱其為光電子.（2）實(shí)驗(yàn)規(guī)律截止頻率（紅限）

幾種純金屬的截止頻率僅當(dāng)才發(fā)生光電效應(yīng)，截止頻率與材料有關(guān)與光強(qiáng)無關(guān).金屬截止頻率4.5454.398.06511.53銫鈉鋅銥鉑19.2916-2光電效應(yīng)光的波粒二象性電流飽和值遏止電壓

瞬時性遏止電勢差與入射光頻率具有線性關(guān)系.當(dāng)光照射到金屬表面上時，幾乎立即就有光電子逸出（光強(qiáng)）遏止電壓與光強(qiáng)無關(guān)銫鋅鉑按經(jīng)典理論，電子逸出金屬所需的能量，需要有一定的時間來積累，一直積累到足以使電子逸出金屬表面為止.與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符.（3）經(jīng)典理論遇到的困難紅限問題瞬時性問題按經(jīng)典理論,無論何種頻率的入射光,只要其強(qiáng)度足夠大，就能使電子具有足夠的能量逸出金屬.與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符.二光子愛因斯坦方程（1）“光量子”假設(shè)光子的能量為（2）解釋實(shí)驗(yàn)愛因斯坦方程逸出功與材料有關(guān)對同一種金屬，

一定，，與光強(qiáng)無關(guān)幾種金屬的逸出功金屬鈉鋁鋅銅銀鉑1.90~2.462.50~3.603.32~3.574.10~4.504.56~4.736.30逸出功愛因斯坦方程產(chǎn)生光電效應(yīng)條件條件（截止頻率）光強(qiáng)越大，光子數(shù)目越多，即單位時間內(nèi)產(chǎn)生光電子數(shù)目越多，光電流越大.（時）光子射至金屬表面，一個光子攜帶的能量將一次性被一個電子吸收，若，電子立即逸出，無需時間積累（瞬時性）.（3）的測定愛因斯坦方程遏止電勢差和入射光頻率的關(guān)系

例設(shè)有一半徑為的薄圓片，它距光源1.0m.此光源的功率為1W，發(fā)射波長為589nm的單色光.假定光源向各個方向發(fā)射的能量是相同的，試計(jì)算在單位時間內(nèi)落在薄圓片上的光子數(shù).解*三光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光控繼電器、自動控制、自動計(jì)數(shù)、自動報(bào)警等.光電倍增管放大器接控件機(jī)構(gòu)光光控繼電器示意圖四光的波粒二象性描述光的粒子性描述光的波動性光子

相對論能量和動量關(guān)系（2）粒子性：（和物質(zhì)相互作用時）（1）波動性：光的干涉和衍射（傳播時）解（1）（2）（3）例波長為450nm的單色光射到純鈉的表面上.求（1）這種光的光子能量和動量；（2）光電子逸出鈉()表面時的動能；（3）若光子的能量為2.40eV，其波長為多少？小結(jié)黑體輻射普朗克能量子假說黑體黑體輻射斯忒藩玻耳茲曼定律維恩位移定律黑體輻射的瑞利—金斯公式經(jīng)典物理的