量子物理1_光的量子性(黑体辐射、光电效应、Compton效应)解释.ppt

第一部分 波粒二象性、早期量子论的提出 * 19世纪，经典物理学（力学 、电磁场论、热力学与统计物理）已很完善，并取得很大成功。 1900年Kelvin说：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了”，只是“在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云” （热辐射中的“紫外灾难”和Michelson-Morley实验零结果）。 正是这两朵“乌云”导致了20世纪物理学的巨大成就（量子力学和相对论, 及二者结合: 量子场论） “量子” (quantum) 的概念是为了解决经典物理与黑体辐射实验结果的矛盾而被迫提出来的，主要归功于 Max von Planck创造性的想法（黑体辐射）和Albert Einstein推动（光电效应）. 黑体辐射　Planck量子假设的提出 有限温度下任何物体都会辐射／吸收电磁波。 历史上，量子理论首先是从黑体热辐射问题上突破的，故先介绍热辐射的实验研究，从而引入“量子”的概念。 一、热辐射及其实验规律 　　物体由带电粒子组成。根据经典物理(牛顿力学，电动力学，Lorentz电子论)，原子中的带电粒子做非匀速运动(加速运动), 必然辐射电磁波; 带电粒子在其它辐射的驱动下也会变速，或受迫振动，向外辐射电磁波。［后据量子论知，热激发的辐射与电子在不同原子能级间跃迁有关；电磁辐射也可被电子吸收导致其在不同原子能级间跃迁及再辐射］ 现象：辐射能量多少、能量按波长分布都与温度有关。 单位：W/m3 １、几个概念： 单色辐出度：从物体单位表面积上发射的辐射功率密度(波长在λ附近，单位波长范围内的电磁辐射能量) 辐[射]出[射]度：从物体单位表面积上发射出的辐射总功率（各种波长的总辐射能量）： 它描述物体在不同温度下辐射能按波长的分布(能谱分布) 。注：也可用按频率分布表达。 --会推导二者之间关系！ 单位：W/m2 它描述物体在不同温度下向外辐射能量本领；依赖于温度，同时与物体表面形状有关。 物体在向空间辐射的同时，还不断吸收外来的辐射。通常，发射能力强的物体，吸收能力也强，反之亦然。 黑体(black body)：对入射能量全吸收(无反射)的物体。　［绝对］黑体是理想模型，自然界中不存在；　大空腔(如窑炉)上开的小洞，可近似看成黑体。 吸收比：被物体吸收的辐射能与入射总能量之比 反射比：被物体反射的辐射能与入射总能量之比 单色吸收比：波长在λ到λ+ dλ内的吸收比 单色反射比：波长在λ到λ+ dλ内的反射比 平衡热辐射：当物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量时，物体和辐射场达到热平衡；此时物体的温度保持不变。 在热平衡（相同温度）下，任何物体的单色辐出度与单色吸收比的比值相同，与物体的性质无关。 由此可知，研究黑体的辐射就可了解其它物体的热辐射性质。（对不同波长/频率，分光研究） 　　多个物体置于同一绝热恒温环境中，经过热辐射交换能量，将达到热平衡态。 　　但不同物体的辐出度不同。要维持平衡热辐射，只有辐射能量较多的物体吸收能量也多，反之亦然。 要维持温度不变，则物体吸收的辐射能必须等于辐射出去的能量。 2、基尔霍夫（Kirchhoff）辐射定律： —— Kirchhoff 辐射定律 (1) Stefan-Boltzmann定律： 3、黑体辐射的实验规律： Boltzmann(1884)在Stefan(1879)工作的基础上, 发现: 对黑体 其中Stefan常数： 可见，热辐射功率随温度迅速增加[不仅对黑体如此] 。 (2) Wien位移定律(1893)： 温度升高时，　 向短波（高频）方向移动。 ［注：二定律只对黑体严格成立］ 利用 Wien位移定律可以估测［高温］物体的温度；也可由其温度推断物体辐射中功率的电磁波波长。 例如，太阳： 测得　　　　　　，推测 再如，地温： 　　　　，可知地面物体辐射的电磁波中功率最大的成分波长约在　　　　　 （红外）.红外成像／探测／遥感技术正基于此。 [也因为如此，常温物体看似“不发光”，高温物体才“发光”] 又如，由宇宙微波背景辐射（天文观测发现，太空远处辐射到达地球的电磁波的　 　　　），可推测宇宙星际空间温度　　　　　(故常称3K背景辐射) [注]：因 M B (T) 高于物体实际辐出度，所以按黑体计算得出的物体温度低于物体的实际温度。 在实验测得黑体辐射能谱 后，为了解释实验结果，建立其函数表达式，19世纪许多物理学家从经典物理学出发作了很多努力，其中最典型的有维恩公式和瑞利-金斯公式。［结果并不乐观！］ Wien (1