北京大学物理学院-第2章-量子物理.2.ppt

第二章 量子物理基础 同一个黑白花盘子的反射和自身辐射照片 斯忒藩-玻耳兹曼定律的应用 普朗克能量子假设 3. 宇宙(微波)背景辐射 1978年诺贝尔物理奖 必威体育精装版的数据 2006年诺贝尔物理奖 2011年诺贝尔物理奖 例2：试由太阳常数I0=1.35kW/m2估计太阳表面温度。 解：把太阳近似当作黑体，由斯特藩—玻尔兹曼定律可以求出太阳辐射到地球大气层外表面的面元S上的辐射通量。令它等于S乘以太阳常数I0，就有 光电效应——光的粒子性 爱因斯坦说：“用连续空间函数来运算的光的波动论在描述纯粹的光学现象时，已被证明是十分卓越的，似乎很难用别的理论来替换。” 但是，“不应当忘记，光学观测都同时间平均值有关，而不是同瞬时值有关，而且尽管衍射、反射、折射、色散等理论完全为实验所证实，但仍可以设想，当人们把用连续空间函数进行运算的光的理论应用到光的产生和转化的现象上去时，这个理论会导致和经验相矛盾。” “从点光源发出的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地吸收或产生出来。”“能量子钻进了物体的表面层，并且它的能量至少有一部分转换为电子的动能。” 爱因斯坦指出：“虽然我们过去一直设想分子的运动是同样严格遵循着我们的感官(所感觉到的)世界中，物体运动所遵循的那种规律(我们基本上只要添补一个完全可逆性假设)，可是我们现在需要作这样的假设：能够参与物体和辐射的能量交换的、以确定的频率振荡着的离子，它们能够采取的种种状态，少于我们日常经验中物体可能采取的各种状态。我们必须假设，能量的交换机制是这样的：基元实体的能量只能取0，hv，2hv等值。” “如果辐射理论接触到了事物的核心，那么我们必须期望在其他热学理论领域中也可以发现现代分子运动论和经验之间的矛盾，这些矛盾可以用这里所采取的方法来消除。” 1909年，爱因斯坦在萨尔斯堡参加了德国自然科学家协会举行的大会，第一次会见了普朗克，并在会上作了“论我们关于辐射的本质和结构的观点的发展”的报告。他论证说，未来的光学理论“可以认为是光的波动论和发射论的某种综合”。 爱因斯坦设想了一种图像：光量子作为奇点而出现，就象静电场的出现遵循电子理论一样，光的电磁场的出现是同奇点相联系的，电磁场的全部能量，可以看作是定域于这个奇点。每个奇点都围绕着一个力场，许多这样的力场彼此叠加，就形成一个类似于现代电磁场的波动场。这样，就不能认为光的波粒二象性是根本不相容的。 威廉·布拉格(William Bragg)和他儿子一起，因为利用X射线研究晶体结构的工作，获得了1915年的诺贝尔奖。他曾经把这一物理学上的困难描述为：他曾经不得不绝望地向大家宣布，每周的星期一、三、五他讲授光的粒子学说，而星期二、四、六却要讲授光的波动学术! 第六章作业 2、4、6、8、9、12、14、16、17、18、20、22 上述实验规律中的 (2)、(3)、(4) 用光的波动说完全无法解释 波长为400nm、强度为10-2W/m2(相当于一盏40W灯泡在20m处所产生的光强)的光，照射到金属钾的表面，钾的逸出功为A=2.22eV。设被原子吸收的能量全部用于使电子获得能量挣脱表面逸出功的束缚。 光电效应的弛豫时间不超过10-9s 为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。 3.爱因斯坦的光量子假设 1.内容 普朗克的能量子假设是对经典物理的一次革命性突破，传统的 物理学家是难于接受的，自1900年提出后没有受到重视。 最早认识到普朗克工作意义的是年轻的爱因斯坦，在1905年的 一篇论文中，认为普朗克讨论辐射问题的崭新观点还不够彻底。 不应只认为器壁与辐射场交换能量是才显示出不连续性，应该认为辐射场本身就是不连续的 爱因斯坦的光量子理论：光不仅在发射和吸收时以能量为h?的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为? 的光是由大量能量为 ? =h? 光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。 光的能量子后来称为光子 在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子的动能Ek0 。由能量守恒可得出： 2.爱因斯坦光电效应方程 式中：A为电子逸出金属表面所需作的功，称为逸出功； 为光电子的最大初动能。 逸出功与材料有关 初动能及反向遏止电压与入射光频率? 成正比，与光强无关。 （2） 的解释 3.光电效应的解释 由 可知， （1）截止频率?0 (红限)的解释 当入射光频率? ?0 时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。 不同金属具有不同的截止频率。 金属 钠 铝 锌 铜