量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)第1頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月索爾維會(huì)議（SolvayConference）1927.10.24夢(mèng)幻全明星——二十世紀(jì)科技巨匠合影

參加會(huì)議的29人中，有17人獲諾貝爾獎(jiǎng)第2頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

黑體輻射

光電效應(yīng)

康普頓效應(yīng)主要內(nèi)容與要求重點(diǎn)：黑體輻射、光電效應(yīng)難點(diǎn)：黑體輻射、康普頓效應(yīng)第4頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

十九世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到了相當(dāng)完善的程度，正當(dāng)人們歡呼：邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，否定了絕對(duì)參照系的存在黑體輻射與“紫外光災(zāi)難”

“科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！?/p>

--開(kāi)爾文--兩朵烏云：

重新思考物理學(xué)的基本概念，在曲折艱苦的陣痛中終于誕生了相對(duì)論(1905)和量子論(1900)。第5頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月量子力學(xué)的誕生（QM---QuantunMechanics）第6頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第7頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第8頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月早期量子論量子力學(xué)相對(duì)論量子力學(xué)普朗克能量量子化假說(shuō)愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)康普頓效應(yīng)玻爾的氫原子理論德布羅意實(shí)物粒子波粒二象性薛定諤方程波恩的物質(zhì)波統(tǒng)計(jì)解釋海森伯的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系狄拉克把量子力學(xué)與狹義相對(duì)論相結(jié)合量子力學(xué)的誕生過(guò)程第9頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)黑體輻射(RadiationofBlackBody)一、熱輻射定義：由于熱運(yùn)動(dòng)所引起的輻射稱(chēng)為熱輻射。1.單色輻射出射度

一定溫度下物體在單位時(shí)間、單位表面發(fā)射在范圍內(nèi)的輻射能量與波長(zhǎng)間隔的比值。特點(diǎn)：溫度不同，能量隨波長(zhǎng)(頻率)不同。第10頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.輻射出射度

單位時(shí)間、單位面積上所輻射出的各種波長(zhǎng)的電磁波的能量總和，與物體的溫度和自身性質(zhì)有關(guān)。3.平衡熱輻射

物體從外界吸收的熱能恰好等于它因輻射而失去的能量。

物體吸收某區(qū)間的輻射能占該區(qū)間總輻射能的比值。4.吸收本領(lǐng)第11頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

任何物體在同一溫度T下的單色輻射出射度與相應(yīng)的吸收本領(lǐng)的比值是一個(gè)與物質(zhì)無(wú)關(guān)的普適函數(shù)5.基爾霍夫熱輻射定律二、黑體輻射的物體稱(chēng)為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱(chēng)黑體。普適函數(shù)就是絕對(duì)黑體的單色輻射出射度第12頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：不透明材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。

研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。測(cè)量黑體輻射出射度實(shí)驗(yàn)裝置第13頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(chēng)為黑體（黑體是理想模型）。第14頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月0100020001.00.5

0100020001.00.5

3000K6000K1.斯特藩-玻耳茲曼定律（1879年）

輻射出射度2.維恩位移定律（1893年）

第15頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月維恩利用熱力學(xué)相關(guān)理論導(dǎo)出：3.瑞利-金斯公式（1900年）瑞利-金斯利用經(jīng)典電磁理論和能量均分定理導(dǎo)出：長(zhǎng)波范圍符合很好，短波區(qū)域偏離嚴(yán)重，紫外災(zāi)難。第16頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1900年10月的一個(gè)秋日的午后，在柏林近郊一條幽靜的林間小路上，普朗克和他六歲的兒子正在散步。

“埃爾文，你知道嗎？爸爸可能已經(jīng)做出了可與牛頓力學(xué)相媲美的偉大發(fā)現(xiàn)。”---量子的發(fā)現(xiàn)！

1900年12月14日，普朗克在柏林亥姆霍茲研究所的物理學(xué)會(huì)議上宣讀讓物理學(xué)家們即興奮、又煩惱的發(fā)現(xiàn)。第17頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.普朗克公式（1900年）

能量量子化假設(shè)：，(Planck,1858–1947)

1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

能量交換只能是量子化的k——玻爾茲曼恒量黑體由帶電諧振子組成，和周?chē)碾姶艌?chǎng)交換能量能量子第18頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例1.已知在紅外線范圍內(nèi)，人體可近似看作一個(gè)黑體。假設(shè)成人表面面積的平均值為1.73m2，表面溫度為33℃

，求人體輻射的總功率。解：人體單位面積的輻射功率為人體輻射的總功率為黑體的溫度和周?chē)h(huán)境溫度不等時(shí)，黑體輻射的凈功率是假設(shè)周?chē)h(huán)境溫度Ts=20℃=293K第19頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)一、光電效應(yīng)（PhotoelectricEffect）

光束射到金屬表面使電子從金屬中脫出的現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。VAi光電子KA陽(yáng)極

光電效應(yīng)現(xiàn)象是赫茲1887年發(fā)現(xiàn)的，在1896年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子之后，勒納德才證明了所發(fā)出的帶電粒子是電子。第20頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)伏安特性曲線

存在遏止電勢(shì)差

單位時(shí)間內(nèi)從陰極逸出的光電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度成正比

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論光強(qiáng)如何微弱，從光照射到光電子出現(xiàn)只需要<10–9s的時(shí)間。

瞬時(shí)響應(yīng)性質(zhì)第21頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

對(duì)于給定的金屬，當(dāng)照射光頻率小于金屬的紅限頻率，則無(wú)論光的強(qiáng)度如何，都不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。

存在遏止頻率v0第22頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬

紅限頻率（10Hz）14逸出功（eV)金屬

紅限頻率（10Hz）14逸出功（eV)某些金屬和半導(dǎo)體的紅限頻率及逸出功

鎢

W

10.974.54

鈣Ca6.552.71

鈉Na5.532.29

鉀K

5.432.25

銣Rb

5.152.13

銫Cs

4.691.94

鈾U

8.763.63

鉑Pt

15.286.33

銀Ag

11.554.78

銅Cu

10.804.47

鍺Ge

11.014.56

硅Si

9.904.10

硒Se

11.404.72

鋁Al

9.033.74

銻Sb

5.682.35

鋅Zn

8.063.34第23頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月波動(dòng)理論所遇到的困難1.光電子初動(dòng)能應(yīng)當(dāng)隨光強(qiáng)而不是隨頻率增大可見(jiàn)光的波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.電磁振動(dòng)激發(fā)電子只要強(qiáng)度足夠就應(yīng)該激發(fā)3.電磁振動(dòng)激發(fā)電子需要一定響應(yīng)時(shí)間第24頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.愛(ài)因斯坦的光量子論光是以光速c運(yùn)動(dòng)的微粒流，稱(chēng)為光量子組成愛(ài)因斯坦光量子假設(shè)(1905)光子的能量光量子具有“整體性”（光的發(fā)射、傳播、吸收都是量子化的）

一個(gè)光子將全部能量交給一個(gè)電子，電子克服金屬對(duì)它的束縛，從金屬中逸出。愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程第25頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，故無(wú)須時(shí)間的累積。光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，光電流大光的波粒二象性第26頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位，獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第27頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例2.已知金屬鎢的逸出功A=7.2×10-19J，分別用頻率為7×1014Hz的紅外光和5×1015Hz的紫外光照射鎢的表面，能不能產(chǎn)生光電效應(yīng)？解：金屬鎢的紅限頻率只有頻率大于紅限頻率的光才可產(chǎn)生光電效應(yīng)7×1014Hz的紅外光不行5×1015Hz的紫外光可以第28頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、康普頓效應(yīng)（ComptonEffect）1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（Compton,1892-1962）

1922年間康普頓觀察X射線通過(guò)物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射的波長(zhǎng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。第29頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(吳有訓(xùn),1897–1977)1921年赴芝加哥大學(xué)，隨康普頓從事物理學(xué)研究，1926年獲博士學(xué)位。1926年秋回國(guó)。

他在參與X射線散射研究的工作中，以精湛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和卓越的理論分析，驗(yàn)證了康普頓效應(yīng)。中國(guó)近代物理學(xué)奠基人，教育家。第30頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月rl

l

l

0波長(zhǎng)偏移量檢測(cè)系統(tǒng)晶體l

0l

4j5rlj153l

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rlj09l

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rlj散射角l

0j0

射線源Xl

0散射體jlr隨的增大而增大，與物質(zhì)種類(lèi)無(wú)關(guān)。

△~j

實(shí)驗(yàn)第31頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月j153j153j153l

0l

rll

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rlZ16Z26X射線X射線X射線Z6原子序數(shù)原子序數(shù)l0l0l0原子序數(shù)碳C碳硫硫S鐵鐵FeFell0譜線的強(qiáng)度增強(qiáng)；譜線的強(qiáng)度減弱。lr各種散射物質(zhì)對(duì)同一散射角，波長(zhǎng)偏離量相等。j若散射物質(zhì)的原子序數(shù)增加，散射線中不同散射物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)對(duì)同一散射角j

第32頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋高能光子和低能自由電子彈性碰撞的結(jié)果若光子和外層電