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原子物理学原子物理学(近代物理学)本学期课程的主要内容第一章 光的粒子性与电子的波动性第二章 原子的核式模型和玻尔理论第三章量子力学基础第四章 碱金属原子第五章 多电子原子第六章 磁场中的原子第七章 原子核物理学第八章 分子结构与光谱第九章 粒子物理学 第一章 光的粒子性和 电子的波动性§1.1 黑体辐射与普朗克的量子化假设1.1.1 黑体辐射的实验规律:热辐射是物体的一种电磁辐射现象,所有物体都能发射热辐射,例如炽热物体的发光就是一种热辐射现象。由于分子热运动导致物体辐射电磁波温度不同时 辐射的波长分布不同物体不仅有热辐射现象,对光也会有吸收现象。通常用吸收系数 ?(λ,T)来表示物体的吸收本领。它定义为物体在温度T时,有波长为λ的光入射,被物体吸收的该波长的光能量与入射的该波长的光能量之比。如果 ?(λ,T)=1,我们就称这种物体叫黑体.黑体能够吸收射到它表面的全部电磁辐射向远处观察打开的窗子近似黑体图1.1.1 空腔小孔红外夜视仪1859年基尔霍夫(G·R·Kirchhoff)指出:任何物体在同一温度T下的辐射本领r(?,T)与吸收本领?(?,T)成正比,其比值只与ν和T有关:ρ(ν ,T)也表示物体在ν 附近ν —ν+d ν 单位频率间隔辐射的能量对吸收本领?(ν ,T)=1的绝对黑体,对吸收本领?(ν ,T)=1的绝对黑体,只要测出其发射本领r(ν ,T),就得到热辐射能量谱ρ(ν,T), 。有时将热辐射能量谱表示成波长和温度的函数ρ(λ,T)。如图1.1.2给出了不同温度下黑体辐射的能谱分布曲线。图1.1.2黑 体 辐 射 谱 dλ黑体辐射谱的几点结论(1)每条曲线都只由温度决定,与腔壁的材料无关。(2)每条曲线都有一个极大值,其相应的波长设为,λmax,随着温度T的增加,λmax的值减小,与绝对温度T成反比: λmaxT=b (1.1.2)其中b是一个常数b=2897.756μm·k。1893年维恩(W·Wien)曾在理论上推导出这一结果,因此式(1.1.2)称为维恩定律。(3)黑体辐射的总辐射本领与它的绝对温度的四次方成正比上式称为斯忒藩—玻耳兹曼(Stefan-Boltzman)定律。1.1.2黑体辐射的经典理论公式维恩黑体辐射的能量分布经验关系式:瑞利与金斯利用经典电动力学和统计物理学得到黑体辐射公式(1.1.5) 瑞利和金斯首先认为空腔内的电磁辐射形成一切可能形成的驻波,其节点在空腔壁处,由此得到辐射场中单位体积内频率ν 附近单位频率间隔内电磁辐射的振动模数:(1.1.6)根据经典的能量均分定理,当系统处于热平衡时,经典的玻尔兹曼分布律仍可应用,每一个简谐振子的能量可以在O到∞之间连续取值,则一个振动自由度的平均能量为:(1.1.7)(1.1.8)由此得到瑞利与金斯公式,当频率较低时,瑞利—金斯定律的理论值与实验结果符合较好,频率较高时,就与实验结果有很大差异,在紫外端发散,这就是当时物理学界所称的“紫外灾难”,见图1.1.3各黑体辐射公式与试验的比较.1.1.3 普朗克公式以及能量子假设1900年普朗克(M·Planck)在德国物理学会年会上提出一个黑体辐射能量分布公式(1.1.9)普朗克提出了能量量子化的假设:(1)黑体的腔壁是由无数个带电的谐振子组成的,这些谐振子不断地吸收和辐射电磁波,与腔内的辐射场交换能量;(2)这些谐振子所具有的能量是分立的,它的能量与其振动频率ν成正比:ε0=h ν .式中h即为普朗克常数h=6.6218×10-34(J·S),振子与辐射场交换的能量ε只能取基本单元能量子ε0的整数倍εn=nε0n=0,1,2…由于能量取离散值,因此利用统计理论求平均值时采用求和得:利用等比级数求和公式:带入上式可得:利用公式:得到(1.1.9)普朗克公式.用波长表示即:(1.1.10)1.1.3 各黑体辐射公式与实验的比较 普朗克 (1858—1947) 德国人 (60岁获诺贝尔奖)★ 核心思想:能量量子化 (不连续) ! 能量不连续的概念与经典物理学是完 全不相容的! Max Planck荣获1918年 Nobel Prize §1.2光电效应与爱因斯坦光量子理论1.2.1光电效应实验规律当光束照射在金属表面上时,使电子从金属中脱出的现象,叫做光电效应。截止电压与电子的动能满足关系 (1.2.1)1.2.1 光电效应装置图实验发现,对于一定的阴极材料,截止电压V0与入射光的强度无关而与光的频率ν成正比.当 ν减小时V0线性地减小,当ν小到某一数值ν 0时,V0=0,这时即使不加负电压也不会有光电子发射了。ν 0称为光电效应的截止频率或相应的波长λ0=c/ν 0称为光电效应的红限。图1.2.2 截止电压与频率的关系1.2.2 爱因斯坦光子假说(1.2.2)(1
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