量子物理 (3)优秀课件.ppt
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1、量子物理量子物理浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第1页,本讲稿共65页经典物理学:以牛顿定律为基础的经典力经典物理学:以牛顿定律为基础的经典力学、热力学与统计物理、电磁学学、热力学与统计物理、电磁学现代物理学:相对论、量子力学现代物理学:相对论、量子力学三大发现:伦琴发现了三大发现:伦琴发现了X射线;射线;汤姆逊发现了电子;汤姆逊发现了电子;贝可勒尔发现了放射性;贝可勒尔发现了放射性;两朵乌云:迈克尔逊两朵乌云:迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验 的零结果;的零结果;热辐射的热辐射的“紫外灾难紫外灾难”浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学
2、学 院院第2页,本讲稿共65页 量子概念是量子概念是 1900 年普朗克首先提出,年普朗克首先提出,距今已有距今已有 100 多年的历史多年的历史.其间,经过爱因其间,经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛斯坦、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,定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力,到到 20 世纪世纪 30 年代,就建立了一套完整的量年代,就建立了一套完整的量子力学理论子力学理论.浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第3页,本讲稿共65页15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设浙浙 江江 师师
3、范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第4页,本讲稿共65页一一 黑体黑体 黑体辐射黑体辐射1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 (1)单色辐射出射度单色辐射出射度 单位时间内从物单位时间内从物体单位表面积发出的频率在体单位表面积发出的频率在 附近单位频率附近单位频率区间内的电磁波的能量区间内的电磁波的能量.单位:单位:单位:单位:浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第5页,本讲稿共65页(2)辐射出射度辐射出射度 单位时间,单位面积上所辐射出的各种频单位时间,单位面积上所辐射出的各种频率(或各种波长)的电磁波的能量总和率(或各种波长)的电磁波的
4、能量总和.浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第6页,本讲稿共65页0 2 4 6 8 10 1221210468太阳太阳钨丝钨丝可见可见光区光区 太阳太阳 钨丝钨丝钨钨丝丝和和太太阳阳的的单单色色辐辐出出度度曲曲线线浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第7页,本讲稿共65页 2 黑体黑体 黑体是理想模黑体是理想模型型 若物体在任何温度下,能吸收一切外来若物体在任何温度下,能吸收一切外来的电磁辐射,则的电磁辐射,则称此物体为黑体称此物体为黑体.(绝对黑体)(绝对黑体)浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息
5、学学 院院第8页,本讲稿共65页浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第9页,本讲稿共65页0 1 000 2 0000.5 可可见见光光区区黑黑体体单单色色辐辐出出度度的的实实验验曲曲线线1.0二二 黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律6 6 000000 K K3 3 000000 K K浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第10页,本讲稿共65页1 斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律斯特藩斯特藩-玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数总辐出度总辐出度式中式中0 1 000 2 0001.0 可可见见光光区区0.56 6 000000
6、 K K3 3 000000 K K浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第11页,本讲稿共65页2 维恩位移定律维恩位移定律常量常量 峰值波长峰值波长0 1 000 2 0001.0 可可见见光光区区0.56 6 000000 K K3 3 000000 K K浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第12页,本讲稿共65页三三 瑞利瑞利-金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难0 1 2 3 62 4瑞利瑞利-金斯公式金斯公式紫外灾难紫外灾难实验曲线实验曲线*T=2 000 K浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理
7、 信信 息息 学学 院院第13页,本讲稿共65页普朗克(普朗克(1858 1947)德国理论物理学家,量子论德国理论物理学家,量子论的奠基人的奠基人.1900年年12月月14日他在日他在德国物理学会上,宣读了以关德国物理学会上,宣读了以关于正常光谱中能量分布定律的理于正常光谱中能量分布定律的理 论为题的论文,论为题的论文,提出了能量的量子提出了能量的量子 化假设化假设.劳厄称这劳厄称这 一天是一天是“量子论量子论 的诞生日的诞生日”.量子论和相对论构成了近代物量子论和相对论构成了近代物 理学的研究基础理学的研究基础.浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第14页
8、,本讲稿共65页四四 普朗克假设普朗克假设 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式1 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式普朗克常数普朗克常数浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第15页,本讲稿共65页0 1 2 3 6瑞利瑞利-金斯公式金斯公式2 4普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线实验值实验值*实实验验值值与与普普朗朗克克公公式式理理论论曲曲线线比比较较T=2 000 K浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第16页,本讲稿共65页 黑体中的分子、原子的振动可看作谐振子,这黑体中的分子、原子的振动可看作谐振子,这些谐振子
9、的能量状态是分立的,相应的能量是某一些谐振子的能量状态是分立的,相应的能量是某一最小能量的整数倍最小能量的整数倍,即即,2 ,3,n,称称为能量子,为能量子,n 为量子数为量子数.2 普朗克量子假设普朗克量子假设 普朗克量子假设是量子力学的里程碑普朗克量子假设是量子力学的里程碑.浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第17页,本讲稿共65页15-2 光电效应光电效应光的波粒二象性光的波粒二象性浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第18页,本讲稿共65页一一 光电效应实验的规律光电效应实验的规律VA 1 实验装置及现象实验装置及现
10、象 2 实验规律实验规律 (1)光电流强度与入光电流强度与入射光强成正比射光强成正比.浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第19页,本讲稿共65页(2)截止频率(红限)截止频率(红限)截止频率与截止频率与材料有关材料有关与与光强无关光强无关.对某种金属来说,只有入射光的频率大于对某种金属来说,只有入射光的频率大于某一频率某一频率 0时,电子才会从金属表面逸出时,电子才会从金属表面逸出.0称为称为截止频率截止频率或或红限频率红限频率.浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第20页,本讲稿共65页 遏止电势差与入射光频率具有线性关系
11、遏止电势差与入射光频率具有线性关系.(4)瞬时性瞬时性 使光电流降为零使光电流降为零所外加的反向电势差所外加的反向电势差称为称为遏止电势差遏止电势差 ,对不同的金属对不同的金属,的的量值不同量值不同.(3)遏止电势差遏止电势差O浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第21页,本讲稿共65页 按经典理论按经典理论,电子逸出金属所需的能量,需电子逸出金属所需的能量,需要有一定的时间来积累要有一定的时间来积累,与实验结果不符与实验结果不符.3 经典理论遇到的困难经典理论遇到的困难 红限问题红限问题 瞬时性问题瞬时性问题 按经典理论按经典理论,无论何种频率的入射光无论何
12、种频率的入射光,只要只要强度足够大,就能使电子逸出金属强度足够大,就能使电子逸出金属.与实验结与实验结果不符果不符.浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第22页,本讲稿共65页二二 光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程1 光量子假设光量子假设 光光可可看看成成是是由由光光子子组组成成的的粒粒子子流流,单单个个光光子的能量为子的能量为 .2 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 逸出功与逸出功与材料有关材料有关浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第23页,本讲稿共65页几种金属逸出功的近似值几种金属逸出功的近似值(eV)钠钠
13、铝铝 锌锌 铜铜 银银 铂铂2.46 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第24页,本讲稿共65页理论解释理论解释:光强越大,光子数越多,单位时间内光强越大,光子数越多,单位时间内产生光电子数目越多产生光电子数目越多,光电流越大光电流越大.(时)时)(截止频率)(截止频率)频率限制频率限制:只有只有时才会发生时才会发生浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第25页,本讲稿共65页 遏止电势差遏止电势差VA 外加外加反向反向的遏止电的遏止电势差势差 恰能阻碍光电恰能阻碍光电子到达阳极
14、子到达阳极,即即浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第26页,本讲稿共65页 爱因斯坦的光子理论圆满地解释了光电效爱因斯坦的光子理论圆满地解释了光电效应现象应现象.瞬时性:瞬时性:光子射至金属表面,光子射至金属表面,一个一个光子的能量光子的能量 将一次性被一个电子吸收,将一次性被一个电子吸收,若若 ,电子立即逸出,无需时间积累,电子立即逸出,无需时间积累.浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第27页,本讲稿共65页3 普朗克常数的测定普朗克常数的测定遏止电势差和入射遏止电势差和入射光频率的关系光频率的关系O浙浙 江江 师师 范
15、范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第28页,本讲稿共65页光电倍增管光电倍增管放大器放大器接控制机构接控制机构光光光控继电器示意图光控继电器示意图三三 光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等自动计数、自动报警等.浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第29页,本讲稿共65页四四 光的波粒二象性光的波粒二象性 相对论能量和动量关系相对论能量和动量关系(2)粒子性:粒子性:(光电效应等)(光电效应等)(1)波动性:光的干涉和衍射波动性:光的干涉和衍射 光子光子 浙浙 江江
16、师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第30页,本讲稿共65页描述光的描述光的 粒子性粒子性 描述光的描述光的 波动性波动性 光子光子 浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第31页,本讲稿共65页15-3 康普顿效应康普顿效应浙浙 江江 师师 范范 大大 学学 数数 理理 信信 息息 学学 院院第32页,本讲稿共65页 1920年,美国物理学家康普顿在观察年,美国物理学家康普顿在观察X 射线被物质散射时,发现射线被物质散射时,发现散射散射线中含有线中含有波长波长发生了发生了变化变化的成分的成分散射束中除了有与入射散射束中除了有与入射束波长束
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