w第20章黑体辐射与普朗克的量子假说与光量子假说.ppt

* 1 量子物理学的诞生 ---普朗克能量子假说 2 光电效应 爱因斯坦光量子假说 3 康普顿效应及光量子理论的解释 4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论 5 微观粒子的波粒二象性 不确定关系 6 波函数 一维定态薛定谔方程 7 电子自旋 四个量子数 8 原子的电子壳层结构 量子物理基础 本章主要内容: 本章重点、难点 重点： 1、光电效应及其规律 2、康普顿效应及光子理论 3、微观粒子的波粒二象性 不确定关系 4、四个量子数及其关系 难点： 1、黑体辐射规律 2、波函数 一维定态薛定谔方程 3、四个量子数及其关系 量子物理基础 早期量子论 一. 黑体辐射 普朗克的能量子假说 量子概念的诞生 第一个飞跃 任何物体在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射，其辐射能的多少及辐射能按波长的分布与温度有关。 固体在温度升高时颜色的变化 1400 K 800 K 1000 K 1200 K 热辐射现象 1. 热辐射的基本概念 颜色随温度的变化正是由于其发射的电磁波波长的分布随 着温度变化而不同的结果。 物体可辐射能量也可吸收能量，当辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡。此时物体温度恒定不变。 单色辐出度 物体在单位时间、单位表面积、 上所辐射出的，单位波间隔中的能量。 辐射出射度 单位时间、单位表面积、 上所辐射出的各种波长 电磁波的能量。 实验表明在相同的温度下，物体不同，颜色不同的表面，总辐射出射度是不同的，辐射本领大的物体，吸收本领也大。 2 黑体（绝对黑体 ）：能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。能完全吸收照射到它上面的各种频率的物体。亦即黑体辐射是含有各种频率成分的电磁波 人造绝对黑体模型 — 任意材料的带有小孔的空腔 吸收 发射 一种理想模型模型 在相同的温度下，黑体的吸收本领最大，因而辐射本领也最大， 而且辐射本领仅和温度有关。 3. 黑体辐射的基本规律 1）斯特藩——玻耳兹曼定律 斯特藩常数 2）维恩位移定律 黑体辐射出的光谱中辐射最强的波长 ? m 与黑体温度 T 之间满足关系 维恩常数 说明：当温度升高时， vm 向高频方向“位移”其单色辐出度的峰值波长向短波方向传播， 它说明对于黑体，温度越高，辐出度 M0（T）越大且随T增高而迅速增大。 可通过测出峰值波长测出太阳表面温度6000K 红外测温原理 4. 经典物理学所遇到的困难——解释实验曲线（19世纪末） 1）维恩的半经验公式： 公式适合于短波（高频）波段， 长波波段与实验偏离。 公式只适用于长波（低频）段, 而在紫外区与实验不符, ----紫外灾难：在一次紫外发生时，能量将会被全部释放 2）瑞利----金斯公式 玻尔兹曼常数 k =1.380658?10-23J/K 式中 : 第一辐射系数 第二辐射系数 5. 普朗克的能量子假说 普朗克公式 为了解决上述困难，普朗克利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公式衔接 起来，提出了一个新的公式： 能得到如此好的结果绝非偶然，这期间经历了艰辛的努力和痛苦的抉择。为了和实验曲线更好的拟合，正如他本人所说，他“幸运地猜到”，“绝望地”，“不借任何代价地”提出了能量量子化的假设。这当然是普朗克的谦虚。洛仑兹在评论普朗克关于能量子这个大胆假设的时候所说的话，才道出了问题的本质。他说：“我们一定不要忘记，这样灵感观念的好运气，只有那些刻苦工作和深入思考的人才能得到。” （2）谐振子的能量不能连续变化，对于一定频率 ? 的电磁辐射, 物体只能以 h?为单位发射或吸收它 物体 发射或吸收电磁辐射只能以“量子”的形式进行, 每个能量子能量为: 普朗克常数 5. 普朗克的能量子假说 --- h 是一个普适常数 1900年12月14日，普朗克在德国物理学年会上报告了这一重要 结果。假说完全背离了经典物理学的思想，正是由于这种思维模式 上的“离经叛道”才完成了从经典物理到量子力学理论的第一个飞跃， 从而开创了量子理论的先河，这一天被认为是量子理论的诞生日 大胆而有争议 （１）辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。 谐振子的能量只能是能量子能量的的整数倍，即 （瑞利----金斯公式） 讨论： （1） （2） （斯特藩——玻耳兹曼定律） （维恩位移定律） （3） 当λ小时（短波段） （维恩的半经验公式） （4） 当λ大时（长波段） 普朗克的能量子假说标志着量子时代的开始 能量子的成功在于揭示了经典理论处理黑体辐射失败的原因是