大学物理学-早期量子现象.pptxVIP

20世纪初的物理学 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言 20世纪初的物理学 1900年底，量子论从第一朵乌云中诞生 1905年，相对论又从第二朵乌云中降生 经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更加辽阔的领域！ 量子物理基础 1、热辐射：物质以发射电磁波的形式向外界输出能量，且能量按波长的分布随温度而不同的电磁辐射。 一、黑体辐射 2、单色辐射本领M(T)：单位时间内从物体单位表面发出的波长在 附近单位波长间隔内的电磁波的能量。 3、绝对黑体：能完全吸收照射到它上面的各种波长的光的物体。 自然界不存在，可设计理论上的模型：开一小孔的空腔（如有一打气孔的篮球）。 4、绝对黑体辐射规律 保持一定温度，用实验方法可测出单色辐射本领随波长的变化曲线。取不同的温度得到不同的实验曲线，如图： 斯忒藩―玻尔兹曼定律 维恩位移定律 峰值波长m反映辐射电磁波的主要波长区域，温度越高，向短波高频方向移动，温度越低，则向长波低频方向移动。 维恩常数：b=0.002898mK 二、普朗克量子假设 维恩公式（1896年）： 1、经典物理学的困难 瑞利－金斯公式（1900年）： 用经典理论导出的公式都与实验结果不符合 2、普朗克公式（1900年） (1) 黑体是由带电谐振子组成，谐振子辐射电磁波，并和周围的电磁场交换能量。 (2) 这些谐振子的能量不连续，只能取一些分立值，这些分立值是最小能量ε的整数倍，即ε，2ε，3ε，…，nε。假设频率为的谐振子的最小能量为：  普朗克常数：h = 6.6260755×10-34 J·s 。 普朗克公式： 理论公式与实验结果吻合得非常好！ 3、普朗克假设的意义 普朗克的能量子假设是对经典物理的巨大突破，它直接导致了量子力学的诞生，普朗克常数是近代物理学最重要的常数之一。 普朗克1918年获诺贝尔奖 普朗克对量子论的态度 能量子假设的提出，具有划时代的意义。但是，不论普朗克本人还是同时代人当时对这一点都没有充分的认识。在20世纪的最初5年内，普朗克的工作几乎无人问津，普朗克自己也感到不安，总想回到经典论的体系中，企图用连续性代替不连续性。为此他花了许多年的经历，但最后还是证明了这种企图是徒劳的。 爱因斯坦最早明确地认识到，普朗克的发现标志了物理学的新纪元。正是受普朗克的量子假说的启示，后者在1905年发表的著名论文《关于光的产生和转化的一个试探性的观点》中提出了光量子理论并应用此理论成功地解释了光电效应现象。1913年普朗克在提名爱因斯坦为普鲁士科学院会员时，一方面高度评价了爱因斯坦的成就，同时又对他提出批评。 一、光电效应 爱因斯坦方程 光电效应：金属及其化合物在光波的照射下发射电子的现象 1、实验装置 K为发射光电子的阴极 A为接收光电子的阳极 当光照射金属K时，金属释放出光电子，KA之间加上可调的电势差（电压表V读出），光电子由K飞向A，回路形成电流（电流计G读出）。 （1）当入射光的频率不变时，饱和电流与光强成正比，即单位时间内从阴极释放的光电子数与入射光光强成正比。 2、实验规律 （2）存在截止电压，使得具有最大初动能的光电子也不能达到阳极，因此： 截止电压与光强无关，与入射光频率成正比关系： 所以： （3）光电效应是瞬时发生的 实验表明，只要入射光频率 大于金属的红限频率，无论光多微弱，从光照射阴极到光电子逸出，驰豫时间不超过10-9s，无滞后现象。 0称为该金属的红限频率（截止频率）： 当光照射某一金属时，如果入射光的频率小于这一金属的红限频率，则无论光强如何，都不会产生光电效应。 依据实验规律： 使光电效应发生，必有： 3、爱因斯坦的光量子论与爱因斯坦方程 1．普朗克的假定是不协调的 2. 爱因斯坦光量子假设 (1) 电磁波在传播时是一束以光速c运动的光量子(光子)流，每一个光量子的能量与电磁波频率的关系为 (2) 光子的整体性：电子只能整个地吸收或释放一个光子。 普朗克假定：电磁波只在辐射和吸收时是量子的，而在空间的传播是波动的。 (3) 光强（平均能流密度）：单位时间内通过单位面积的光子数和每个光子能量之积，即 n表示单位时间内通过单位面积的光子数。 3. 对光电效应的解释 只有当入射光的频率足够高，一个光子的能量可以立即被金属中的电子吸收。电子才有可能克服逸出功逸出金属表面。根据能量守恒与转换律： 爱因斯坦光电效应方程 可得：普朗克常熟为 实验得到的方程 比较 红限频率为 实验与理论吻合，证实爱因斯坦光电效应方程正确。 频率一定，光强大，光子数越多，从金属中逸出的光电子数也越多，饱和电流强度越大。 在光子流中，光的能量集中在光子上，电子与光子相遇，只