次黑體planck光電效應.ppt

經(jīng)典力學 相對論力學,動量,動力學方程,動能,動量能量 關系,對于光子,1）靜止質(zhì)量為零：,2）運動質(zhì)量,3）動量,這正是光的波（波長、頻率（干涉、衍射、偏振）、粒（動量、能量（光電效應等）二象性的體現(xiàn)。,第十九章 量子物理學,物理學是一門實驗科學，伽利略、牛頓等人對物理實驗結(jié)果的總結(jié)，建立了經(jīng)典力學。,經(jīng)典物理學,第十九章 量子物理學,十九世紀末，經(jīng)典物理學已發(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，并建立相應的學科，熱力學和統(tǒng)計物理學、電磁學 光學等學科。,經(jīng)典物理學的困惑,十九世紀末、二十世紀初的一些新的物理實驗對經(jīng)典物理學產(chǎn)生了強有力的沖擊。,為尋找絕對參考系而設計的麥克爾遜-莫雷實驗，觀 察的結(jié)果否定絕對參考系的存在（1887）。,近代物理學的建立,利用經(jīng)典統(tǒng)計理論解釋黑體輻射現(xiàn)象的失敗，使人們對 物理學的基本概念有了新的認識,普朗克首先提出能量子的假說，并成功地解釋黑體輻射 現(xiàn)象。,愛因斯坦的光子學說，成功地解釋光電效應現(xiàn)象建立光的波粒二象性理論,康普頓散射進一步證實光的粒子性,德布羅意提出實物粒子的波粒二象性假說，并由實驗證明德布羅意波是幾率波,在這些理論基礎上，經(jīng)眾多物理學家的努力，建立了量子力學體系,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的波動力學,約當、海森堡等人建立了量子力學的矩陣力學,19-1 黑體輻射 普朗克首先提出能量子假設,物質(zhì)是由一些微小單元組成，最初人們認為物質(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)，對物質(zhì)的認識深入到更深的層次。,經(jīng)典物理學認為能量是連續(xù)變化的，光是電磁波。這一觀點能成功地解釋光的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。 然而，利用電磁理論確無法解釋輻射與物質(zhì)之間相互作用，如黑體輻射、光電效應等現(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，在高于絕對零度時都會發(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具有一定的分布，能量分布與物體的溫度有關。溫度升高時，波長短（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、可見光到 紫外線的現(xiàn)象。,因輻射與溫度有關，故稱熱輻射,空腔黑體：用任何材料制成開小孔的空腔，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,絕對黑體：在任何溫度下，吸收所有外來電磁輻射的物體， 稱絕對黑體，簡稱黑體。理想模型,白天看遠處的窗口特別黑，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：熱力學溫度為 T 的物體的單位面積上， 單位時間內(nèi)，在單位波長范圍內(nèi)所輻射的電磁波能量， 稱單色輻射出射度，簡稱單色輻出度。,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，在單位時間內(nèi)，波長在 +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：熱力學溫度為 T 的物體的單位面積上，在單位時間內(nèi)，所輻射出的各種波長的電磁波的能量總和，稱輻射出射度，簡稱輻出度。,定量描述物體吸收外來輻射的物理量:,若照射在溫度為 T 物體的單位面積上, 波長在 +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 ，對波長的輻射的單色吸收比和單色反射比為:,應有,對黑體：,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，僅是溫度和波長的函數(shù)，與物體的性質(zhì)無關。,黑 體：,一般物體:,測量黑體輻射出射度實驗裝置,二 、斯特藩-波爾茲曼定律 維恩位移定律,1 、測定黑體輻射出射度,黑體單色輻出度與波長（或頻率）關系如下圖：,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,兩者間的關系 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)學表達式,單色輻出度按頻率分布,單色輻出度按波長分布,黑體的輻出度分布實驗曲線與瑞利-金斯公式的比較,由理論和實驗數(shù)據(jù)可知，瑞利-金斯公式與實驗結(jié)果在低頻 （長波）區(qū)符合較好，但在高頻（短波）區(qū)差別很大。,當頻率增加時，瑞利-金斯公式給出的單色輻出度趨于 無窮大，即紫外災難。,此外，維恩由實驗數(shù)據(jù)總結(jié)出維恩公式,維恩公式與實驗結(jié)果在高頻（短波）區(qū) 符合很好，但在低頻（長波）區(qū)差別很大,四 普朗克假設 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)射的能量應為：,普朗克黑體輻射公式:,在全波段與實驗結(jié)果驚人符合！,1900年12月14日，在德國物理學會上演講:“能量不連續(xù)，只能是 h 的整數(shù)倍?！?這一天定為量子力學的誕生日。 1918年他被授予諾貝爾物理學獎金。,普朗克能量子假說將量子化概念引入物理學，奠定了近代物理學的基礎。,光電效應,19-2 光電效應 光的波粒二象性,1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應，1905年，愛因斯坦發(fā)展了普朗克能量量子化假說，提出光量子概念，并成功地解釋光電效應實驗的規(guī)律。,一 、光電效應實驗的規(guī)律,當紫外線透過石英玻璃照射在 金屬陰極K時，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：在光照射下，電子從金屬 表面逸出的現(xiàn)象，叫做光電效應。 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)生光電效應的電子； 能產(chǎn)生光電效應的是原子中量子化軌道上的價電子 （即深層束縛電子）。,遏止電勢差：使光電流為零的最小反向電壓U0。,將K接正極， A接負極。K A之間的電壓阻礙電子運動，稱該電壓為反向電壓。,遏止電勢差與光電子最大動能之間的關系,、飽和光電流Im：發(fā)生光電效應時，從電極K發(fā)射出的電子全部飛到A極，光電流達到穩(wěn)定時的最大值。,從光電效應實驗可歸納出如下規(guī)律:,光強較強,光強較弱,單位時間內(nèi)受光照的 金屬板釋放出的電子數(shù) 與入射光強度成正比。,、 對于某一種金屬，當入射光的頻率大于某一頻率0時，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，無論光強多大，都無光電子逸出。,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，當入射光頻率大于截止頻率時，遏止電勢差與入射光頻率具有線性關系。,、當入射光頻率大于截止頻率，光照射在金屬表面時，在極短時間內(nèi)就有光電子逸出，即光電子效應的瞬時性。,外光電子效應：光照射在金屬表面而產(chǎn)生的光電效應。,內(nèi)光電子效應：光入射金屬內(nèi)部，在金屬內(nèi)部產(chǎn)生光電子，增加物體的導電性。,經(jīng)典理論的困難：,光的波動理論認為陰極中的電子在入射光的波陣面獲得能量，光強越大，電子能量越高。,1、光電子的能量 （最大初動能）與光強成正比 與頻率無關。,2、紅限問題：光強足夠大，任何頻率的光都會 產(chǎn)生光電效應。,3、瞬時性問題：入射光強度較弱時，光電子需較長時間才能積累足夠能量逸出金屬表面。,結(jié)論,經(jīng)典理論無法解釋光電效應實驗規(guī)律,故得：,二 光子 愛因斯坦方程,（1） “光量子”假設,光子的能量為,愛因斯坦提出，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。,（2）愛因斯坦方程對光電效應的解釋,逸出功 （與材料有關）,對同一種金屬， 一定， ，與光強無關,逸出功,逸出金屬表面光電子的初動能,光強越大，光子數(shù)目越多，即單位時間內(nèi)產(chǎn)生光電 子數(shù)目越多，光電流越大。（ 時）,光子射到金屬表面，一個光子攜帶的能量 將一 次性被一個電子吸收，若 ，電子立即逸出， 無需時間積累（瞬時性）。,（3） 的測定,愛因斯坦方程,密立根測量了鈉的遏止電勢差與入射光頻率是線性關系。,例題,光電效應實驗，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 。