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* 第五册 量子物理 第1章 波粒二象性 1.1 黑体辐射 普朗克的能量子假说 一. 热辐射的基本概念 1)辐射出射度 (辐出度) --- M 单位时间内从物体表面单位面积上所辐射出来的各种频率电磁波能量的总和 2) 单色辐射出射度(单色辐出度) 热辐射: 物体发出的各种电磁波的能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射现象。 (光谱辐射出射度) 式中 dM(T) 是波长在 ν ? ν +dν 范围内单位时间从物体表面单位面积上辐射的电磁波能量 3)单色吸收比(光谱吸收比)??ν? 和单色反射比(光谱反射比)??ν? 物体在温度T,吸收和反射频率ν?ν?dν范围内电磁波能量与相应频率入射电磁波能量之比 对于不透明物体: ? ?ν? + ??ν? =1 1)辐射出射度 (辐出度) --- M 2) 单色辐射出射度(单色辐出度) (光谱辐射出射度) 单位:W/(m2.Hz) 二. 基尔霍夫定侓和黑体 2)黑体 若一个物体在任何温度下,对于任何波长入射辐射能的吸收比都等于 1, 则称它为 绝对黑体 —— 黑体 即, 1)基尔霍夫定侓: 人造绝对黑体模型 — 带有小孔的空腔 绝对黑体 的单色辐出度 --- 研究热辐射的中心问题 吸收 发射 三. 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 或 四. 经典物理学所遇到的困难——解释实验曲线 1)维恩的半经验公式: 公式适合于短波波段, 长波波段与实验偏离。 公式只适用于长波段, 而在紫外区与实验不符, ----紫外灾难 2)瑞利----金斯公式 玻尔兹曼常数 k =1.380658?10-23J/K 假说: 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 五. 普朗克的能量子假说 普朗克公式 --- h 是一个普适常数 或 讨论: (1) (2) (斯特藩——玻耳兹曼定律) (维恩位移定律) (3) 当ν大时(短波段) (维恩的半经验公式) (4) 当ν小时(长波段) (瑞利----金斯公式) 斯特藩常数 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 使用了辐射能量连续分布的经典概念。 能量子假设提出了原子振动能量只能是一系列分立值的能量量子化的新概念。 1.2 光电效应 实验规律 光电效应的实验规律 光电效应 光电子 1. 入射光频率一定时,饱和光电流强度 Is 与入射光强度成正比。 ?单位时间内从金属表面溢出的电子数目n与 入射光强度成正比,Is∝ne. (n∝光强) 2. 光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加, 与入射光强无关。 只有U=Uc?0时,光电流才为0,Uc称为截止电压。 ? ??? Uc? 式中,K是常数, 而U0 由阴极金属材料决定 3. 对于每一种金属,只有当入射光频率? 大于一定的 红限频率?0 时,才会产生光电效应。 令U0= K?0 ,则 -- 光电效应的红限频率(或截止频率) 4. 光电效应是瞬时的。 只要入射光频率???0 ,无论多弱,光照射阴极到光电子逸出这段时间不超过10-9s. 按经典理论,光波能量只与光强和振幅有关,与频率无关, 不能解释截止频率,不能解释瞬时性。 爱因斯坦的光量子论 1 .光辐射是由在真空中以速率 c 传播的光量子组成的粒子流。 每个光量子的能量与辐射频率?的关系为 2. 爱因斯坦方程 为电子逸出功, 为光电子的最大初动能。 N为单位时间垂直通过单位面积的光子数 由相对论动量能量关系式 光子m0=0 1.3 光的二象性 光子 3、解释光电效应 1)一个光子的能量可以立即被金属中的一个自由电子吸收 ---- 瞬时性 2)光强越大 ? 光子数越多 ? 光电子越多? 饱和光电流越大 --- 入射频率一定时 饱和光电流和入射光强成正比 3)爱因斯坦方程表明:光电子最大初动能与入射光频率成线性 关系,而与入射光强无关。由动能定理有: 4)入射光子能量必须大于逸出功 A? 红限频率 实验: 4、光电效应应用 1)光电管: 光电信
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