次黑體planck光電效應(yīng).ppt

經(jīng)典力學(xué) 相對(duì)論力學(xué),動(dòng)量,動(dòng)力學(xué)方程,動(dòng)能,動(dòng)量能量 關(guān)系,對(duì)于光子,1）靜止質(zhì)量為零：,2）運(yùn)動(dòng)質(zhì)量,3）動(dòng)量,這正是光的波（波長(zhǎng)、頻率（干涉、衍射、偏振）、粒（動(dòng)量、能量（光電效應(yīng)等）二象性的體現(xiàn)。,第十九章 量子物理學(xué),物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，伽利略、牛頓等人對(duì)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)，建立了經(jīng)典力學(xué)。,經(jīng)典物理學(xué),第十九章 量子物理學(xué),十九世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)已發(fā)展為非常完善的理論 體系，該理論體系成功地解釋熱現(xiàn)象、電磁現(xiàn)象和光現(xiàn) 象，并建立相應(yīng)的學(xué)科，熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、電磁學(xué) 光學(xué)等學(xué)科。,經(jīng)典物理學(xué)的困惑,十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初的一些新的物理實(shí)驗(yàn)對(duì)經(jīng)典物理學(xué)產(chǎn)生了強(qiáng)有力的沖擊。,為尋找絕對(duì)參考系而設(shè)計(jì)的麥克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，觀 察的結(jié)果否定絕對(duì)參考系的存在（1887）。,近代物理學(xué)的建立,利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論解釋黑體輻射現(xiàn)象的失敗，使人們對(duì) 物理學(xué)的基本概念有了新的認(rèn)識(shí),普朗克首先提出能量子的假說(shuō)，并成功地解釋黑體輻射 現(xiàn)象。,愛(ài)因斯坦的光子學(xué)說(shuō)，成功地解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象建立光的波粒二象性理論,康普頓散射進(jìn)一步證實(shí)光的粒子性,德布羅意提出實(shí)物粒子的波粒二象性假說(shuō)，并由實(shí)驗(yàn)證明德布羅意波是幾率波,在這些理論基礎(chǔ)上，經(jīng)眾多物理學(xué)家的努力，建立了量子力學(xué)體系,玻爾利用量子化概念建立了氫原子模型，成功地解釋氫原子光譜,薛定諤提出的薛定諤方程建立了量子力學(xué)的波動(dòng)力學(xué),約當(dāng)、海森堡等人建立了量子力學(xué)的矩陣力學(xué),19-1 黑體輻射 普朗克首先提出能量子假設(shè),物質(zhì)是由一些微小單元組成，最初人們認(rèn)為物質(zhì)是由原子組成。隨著電子、質(zhì)子和中子等粒子的發(fā)現(xiàn)，對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)深入到更深的層次。,經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為能量是連續(xù)變化的，光是電磁波。這一觀點(diǎn)能成功地解釋光的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。 然而，利用電磁理論確無(wú)法解釋輻射與物質(zhì)之間相互作用，如黑體輻射、光電效應(yīng)等現(xiàn)象。這一結(jié)果，迫使人們接受能量子的概念。,一、 黑體 黑體輻射,熱輻射：任何物體，在高于絕對(duì)零度時(shí)都會(huì)發(fā)射電磁波，若物體中的分子、原子是受熱激發(fā)而發(fā)射電磁輻 射現(xiàn)象稱熱輻射。,熱輻射的能量按波長(zhǎng)具有一定的分布，能量分布與物體的溫度有關(guān)。溫度升高時(shí)，波長(zhǎng)短（或頻率高）的輻射能增加。,灰 體：一般物體僅能部分吸收外來(lái)電磁輻射,基本性質(zhì)： 溫度 發(fā)射的能量 電磁波的短波成分,熱輻射,物體在任一溫度下發(fā)射從紅外線、可見(jiàn)光到 紫外線的現(xiàn)象。,因輻射與溫度有關(guān)，故稱熱輻射,空腔黑體：用任何材料制成開(kāi)小孔的空腔，由于入射電磁波在空腔壁多次反射而被吸收，近似視為黑體。教材 Page 301 圖,絕對(duì)黑體：在任何溫度下，吸收所有外來(lái)電磁輻射的物體， 稱絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體。理想模型,白天看遠(yuǎn)處的窗口特別黑，正是多次反射而很少射出光線的結(jié)果。,定量描述物體熱輻射的物理量:,單色輻出度：熱力學(xué)溫度為 T 的物體的單位面積上， 單位時(shí)間內(nèi)，在單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)所輻射的電磁波能量， 稱單色輻射出射度，簡(jiǎn)稱單色輻出度。,若溫度為 T 的物體的單位面積上，向外側(cè)半空間輻射能量，在單位時(shí)間內(nèi)，波長(zhǎng)在 +d 范圍內(nèi)的輻射能為dM，則：,單色輻出度：,單色輻射出射度 單位：,單色輻射出射度 單位：,輻出度：熱力學(xué)溫度為 T 的物體的單位面積上，在單位時(shí)間內(nèi)，所輻射出的各種波長(zhǎng)的電磁波的能量總和，稱輻射出射度，簡(jiǎn)稱輻出度。,定量描述物體吸收外來(lái)輻射的物理量:,若照射在溫度為 T 物體的單位面積上, 波長(zhǎng)在 +d 范圍內(nèi)的輻射能 dM , 其中輻射能 dM 被吸收, dM 被反射。,物體在溫度T ，對(duì)波長(zhǎng)的輻射的單色吸收比和單色反射比為:,應(yīng)有,對(duì)黑體：,研究黑體輻射的意義：,基爾霍夫定律：物體的單色輻出度與單色吸收比之比，僅是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)，與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)。,黑 體：,一般物體:,測(cè)量黑體輻射出射度實(shí)驗(yàn)裝置,二 、斯特藩-波爾茲曼定律 維恩位移定律,1 、測(cè)定黑體輻射出射度,黑體單色輻出度與波長(zhǎng)（或頻率）關(guān)系如下圖：,輻射出射度即曲線下的面積,、斯特藩玻爾茲曼定律,斯特藩玻爾茲曼常量,3、維恩位移定律,常量,峰值波長(zhǎng),兩者間的關(guān)系 M(T)d = M(T)d ,其中 c 是光速,三、 黑體輻射的瑞利金斯公式 經(jīng)典物理的困難,瑞利、金斯利用經(jīng)典理論得出的M(T)數(shù)學(xué)表達(dá)式,單色輻出度按頻率分布,單色輻出度按波長(zhǎng)分布,黑體的輻出度分布實(shí)驗(yàn)曲線與瑞利-金斯公式的比較,由理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，瑞利-金斯公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在低頻 （長(zhǎng)波）區(qū)符合較好，但在高頻（短波）區(qū)差別很大。,當(dāng)頻率增加時(shí)，瑞利-金斯公式給出的單色輻出度趨于 無(wú)窮大，即紫外災(zāi)難。,此外，維恩由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出維恩公式,維恩公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在高頻（短波）區(qū) 符合很好，但在低頻（長(zhǎng)波）區(qū)差別很大,四 普朗克假設(shè) 普朗克黑體輻射公式（1900 年）,普朗克常量,空腔壁上的帶電諧振子吸收或發(fā)射的能量應(yīng)為：,普朗克黑體輻射公式:,在全波段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驚人符合！,1900年12月14日，在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上演講:“能量不連續(xù)，只能是 h 的整數(shù)倍。” 這一天定為量子力學(xué)的誕生日。 1918年他被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。,普朗克能量子假說(shuō)將量子化概念引入物理學(xué)，奠定了近代物理學(xué)的基礎(chǔ)。,光電效應(yīng),19-2 光電效應(yīng) 光的波粒二象性,1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)展了普朗克能量量子化假說(shuō)，提出光量子概念，并成功地解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的規(guī)律。,一 、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的規(guī)律,當(dāng)紫外線透過(guò)石英玻璃照射在 金屬陰極K時(shí)，有電子逸出。在兩 極板（A K）的加速電壓作用下， 電子由極板K到A形成電流。,光電效應(yīng)：在光照射下，電子從金屬 表面逸出的現(xiàn)象，叫做光電效應(yīng)。 光電子：逸出電子稱光電子。 光電流：逸出電子形成的電流。,自由電子不是產(chǎn)生光電效應(yīng)的電子； 能產(chǎn)生光電效應(yīng)的是原子中量子化軌道上的價(jià)電子 （即深層束縛電子）。,遏止電勢(shì)差：使光電流為零的最小反向電壓U0。,將K接正極， A接負(fù)極。K A之間的電壓阻礙電子運(yùn)動(dòng)，稱該電壓為反向電壓。,遏止電勢(shì)差與光電子最大動(dòng)能之間的關(guān)系,、飽和光電流Im：發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，從電極K發(fā)射出的電子全部飛到A極，光電流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的最大值。,從光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)可歸納出如下規(guī)律:,光強(qiáng)較強(qiáng),光強(qiáng)較弱,單位時(shí)間內(nèi)受光照的 金屬板釋放出的電子數(shù) 與入射光強(qiáng)度成正比。,、 對(duì)于某一種金屬，當(dāng)入射光的頻率大于某一頻率0時(shí)，才有光電子從金屬表面逸出，并形成光電流。如果入射光的頻率小于該頻率，無(wú)論光強(qiáng)多大，都無(wú)光電子逸出。,截止頻率：上述頻率0（也稱紅限頻率）,、用不同頻率光照射金屬時(shí)，當(dāng)入射光頻率大于截止頻率時(shí)，遏止電勢(shì)差與入射光頻率具有線性關(guān)系。,、當(dāng)入射光頻率大于截止頻率，光照射在金屬表面時(shí)，在極短時(shí)間內(nèi)就有光電子逸出，即光電子效應(yīng)的瞬時(shí)性。,外光電子效應(yīng)：光照射在金屬表面而產(chǎn)生的光電效應(yīng)。,內(nèi)光電子效應(yīng)：光入射金屬內(nèi)部，在金屬內(nèi)部產(chǎn)生光電子，增加物體的導(dǎo)電性。,經(jīng)典理論的困難：,光的波動(dòng)理論認(rèn)為陰極中的電子在入射光的波陣面獲得能量，光強(qiáng)越大，電子能量越高。,1、光電子的能量 （最大初動(dòng)能）與光強(qiáng)成正比 與頻率無(wú)關(guān)。,2、紅限問(wèn)題：光強(qiáng)足夠大，任何頻率的光都會(huì) 產(chǎn)生光電效應(yīng)。,3、瞬時(shí)性問(wèn)題：入射光強(qiáng)度較弱時(shí)，光電子需較長(zhǎng)時(shí)間才能積累足夠能量逸出金屬表面。,結(jié)論,經(jīng)典理論無(wú)法解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律,故得：,二 光子 愛(ài)因斯坦方程,（1） “光量子”假設(shè),光子的能量為,愛(ài)因斯坦提出，光束可看成由微粒子組成的粒子流， 這些粒子稱光量子，簡(jiǎn)稱光子。 光子的速度 c=3.0108m s-1,光子的能量與光的頻率成正比，光的頻率越高，光子的能量就越大。光束的能量與光子數(shù)和光子能量有關(guān)。,（2）愛(ài)因斯坦方程對(duì)光電效應(yīng)的解釋,逸出功 （與材料有關(guān)）,對(duì)同一種金屬， 一定， ，與光強(qiáng)無(wú)關(guān),逸出功,逸出金屬表面光電子的初動(dòng)能,光強(qiáng)越大，光子數(shù)目越多，即單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生光電 子數(shù)目越多，光電流越大。（ 時(shí)）,光子射到金屬表面，一個(gè)光子攜帶的能量 將一 次性被一個(gè)電子吸收，若 ，電子立即逸出， 無(wú)需時(shí)間積累（瞬時(shí)性）。,（3） 的測(cè)定,愛(ài)因斯坦方程,密立根測(cè)量了鈉的遏止電勢(shì)差與入射光頻率是線性關(guān)系。,例題,光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，已知陰極材料的逸出功A，照射光的頻率 o ，求：（1）紅限 o；（2）遏止電壓Ua 。