《第19章实验基础》.ppt

作者 余 虹 * 普朗克——能量子解释黑体辐射； 爱因斯坦——光量子解释光电效应； 玻尔——能级解释原子核式模型与氢光谱； 德布罗意——提出实物粒子的波粒二象性； 海森伯、薛定谔、玻恩、狄拉克——量子理论。 19世纪末一系列重大的发现，揭开了近代物理学的序幕。 19.1 量子物理的早期证据(1) 一、 基本概念 基本性质： 温度? ?发射的能量? ? 电磁波的短波成分? 平衡热辐射：物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量。 黑体辐射 1、热辐射 分子的热运动使物体辐射电磁波——其能量按波长分布，随温度而变化。 温度相同的不同物体，M?曲线也不同。 单位：Wm-2 单位时间内从温度为T 的物体单位表面发出的频率在 ?— ? +d ? 范围的电磁波的能量为dM 定义 单位 Wm-2 辐射本领M— 单位面积的辐射功率。 2、光谱辐射出射度M ? 同一物体，不同温度下 M? 曲线不同。 曲线下面积 物体对不同频率的辐射反射、吸收能力不同。 定义 单色反射率 单色吸收率 3、单色反射率r ? 与吸收率a ? 根据能量守恒定律，对每一种 频率都有 用 实验证明 空腔内平衡热辐射的两个重要特性 场—— 各向同性+均匀性 物 —— = 常量 a? ? 1 的物体称 黑体，它能全部吸收射到其表面的一切热辐射，它的单色辐射出射度也大。 寻找黑体单色辐射出射度，成为研究平衡热辐射场的台阶。 注意：黑体不一定是黑色的，黑色的也不一定是黑体。 1、基尔霍夫定律（1859年12月） 二、 基本概念 绝热壁 2、斯忒番—玻尔兹曼定律（1874年、1884年） 测得不同频率的辐射功率。 频率不同折射率不同 折射角不同。 T1 T2 T3 棱镜 G 电炉 空腔 转动平行光管 热电偶 T1 T2 T3 3、维恩位移定律 斯忒番-玻尔兹曼定律和维恩位移定律是黑体辐射 的基 本定律，现代广泛应用于高温测量、遥感、红外追踪等。 例题 先后两次测得炼钢炉测温孔（近似为黑体）辐射出射度的峰值波长?1m=0.8?m、?2m =0.4?m ， 求：（1）相应的温度比；（2）相应的辐射本领之比。 解 （1） 根据维恩位移定律 T1= C ?1m T2= C ? 2m （2）根据斯忒番-玻尔兹曼定律 ??10-14Hz 1 2 3 6543210 M? （1）维恩公式 （2）瑞利—金斯公式 ——玻尔兹曼常数 紫外灾难！ 19世纪末，物理学最引人注目的课题之一——欲从理论上导出 黑体的单色辐射出射度M o? 的数学式。 实验曲线 T=2000K 三、经典物理的困难 四、普朗克的量子假设 1900年12月14日，在德国物理学会上演讲:“能量不连续，只能是 h? 的整数倍。”——这一天定为量子力学的诞生日。 1900年，普朗克提出能量子h? ， h=6.63?10-34 J.s —— 普朗克常数 并根据玻尔兹曼统计法推出黑体辐射公式 返回2 1887年赫兹发现 紫外光 逸出带 电粒子 勒纳证明确实是电子! 金属 电磁波照射下金属发射电子的现象称为光电效应。 光电效应 19.1 量子物理的早期证据(2) 一、光电效应的实验规律 2、遏止电压 Ua 与 I 无关 ——单位时间逸出的光电子数 与照射光强成正比。 V G K A 饱和 光电流 照射光强I1 I2 I2I1 i 0 (1014Hz) ? Ca 7. 5 Na 5. 5 红限 当???o 尽管光强极弱，光电效应也会在瞬间（?t ?10-9 s）产生；当???o即使光强再强，也不会产生光电效应。 ? 与I 无关 斜率K与材料无关。 截距Uo与材料有关。 应该与光强有关，而不是频率。 2、只要光强足够，就应产生光电效应，不应存在红限。 3、产生光电效应需要时间积累能量，尤其光强较弱时。 二、经典理论的困难 三、爱因斯坦的光量子理论（1905年） 1、光子 能量 E = h? 质量 m = h?/ c2 动量 P = h/ ? h? A 金属的逸出功 爱因斯坦方程 比较实验结果 至少 红限 2、光强 I = Nh? ?不变+ I ? ? N ?? iM ? ? 不变 ?Ua不变 3、电子吸收光子在瞬间 。 通过实验测定K、U0可计算h、A。 例题 光电效应实验，已知阴极材料的逸出功A，照射光的频率? ?o ，求：（1）红限 ?o；（2）遏止电压Ua 。 解 （1）由爱因斯坦方程 （2） 光电效应的应用 1、iM ? I 可用来实现光、电信号转换。（电影、 电视、传真等现代通讯技术) 2、瞬时性用于自动控制、自动计数。 3、光电管、光电倍增管、光电二极管…… 由于在理论物理方面的贡献，特别是对光电效应的成功解释，1921年，爱因斯坦获