試驗(yàn)曲線普朗克常數(shù)實(shí)用教案

1、單色輻出度單色輻出度 - 在一定溫度在一定溫度T 下，物體下，物體(wt)單位表面在單位時(shí)單位表面在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的波長(zhǎng)在間內(nèi)發(fā)射的波長(zhǎng)在 +d 范圍內(nèi)的輻射能與波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能與波長(zhǎng)間隔的比值，間隔的比值， 即即 d)(d)(TMTM)(TM 熱輻射的特點(diǎn)(tdin):(tdin):(1)(1)連續(xù)連續(xù)(linx)(linx)(2)(2)溫度越高溫度越高, ,輻射越強(qiáng)輻射越強(qiáng)(3)(3)頻譜分布隨溫度變化頻譜分布隨溫度變化(4)(4)物體的輻射本領(lǐng)與溫度、材料有關(guān)；物體的輻射本領(lǐng)與溫度、材料有關(guān)； 輻射本領(lǐng)越大，吸收本領(lǐng)也越大。輻射本領(lǐng)越大，吸收本領(lǐng)也越大。 第1頁(yè)/共25頁(yè)第一頁(yè)，共25

2、頁(yè)。1 1、黑體、黑體(hit)(hit)輻輻射射絕對(duì)黑體(黑體)：能夠全部吸收(xshu)各種波長(zhǎng)的輻射且不反射 和透射的物體。黑體輻射(fsh)的特點(diǎn) ： 與同溫度與同溫度其它物體其它物體的熱輻射相比，的熱輻射相比，黑體熱輻射黑體熱輻射本領(lǐng)本領(lǐng)最強(qiáng)最強(qiáng) 煤煙煤煙 約99%黑體模型黑體模型黑體熱輻射黑體熱輻射溫度溫度材料性質(zhì)材料性質(zhì)第2頁(yè)/共25頁(yè)第二頁(yè)，共25頁(yè)。2 2、經(jīng)典物理、經(jīng)典物理(wl)(wl)的解釋及普朗克公式的解釋及普朗克公式MB NoImageNoImage瑞利 金斯公式(gngsh)(1900年)維恩公式(gngsh)(1896年)121)(25 kThcBehcTM 普

3、朗克公式(1900年)實(shí)驗(yàn)曲線實(shí)驗(yàn)曲線普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) h = 6.62610-34 Js （為得到這一公式，普朗克提出了能（為得到這一公式，普朗克提出了能量量子化假設(shè)）量量子化假設(shè)）第3頁(yè)/共25頁(yè)第三頁(yè)，共25頁(yè)。電磁波u 普朗克能量子假設(shè)(jish)(jish) 若諧振子頻率(pnl)為 v ，則其能量是hv , 2hv, 3hv , , nhv , 首次提出微觀粒子的能量首次提出微觀粒子的能量(nngling)(nngling)是量子化的，打破了經(jīng)典物理學(xué)中能量是量子化的，打破了經(jīng)典物理學(xué)中能量(nngling)(nngling)連續(xù)的觀念。連續(xù)的觀念。普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) h =

4、 6.62610-34 Js 腔壁上的原子腔壁上的原子(諧振子諧振子)能量與腔內(nèi)電磁場(chǎng)交換能量時(shí)，諧振子能與腔內(nèi)電磁場(chǎng)交換能量時(shí)，諧振子能量的變化是量的變化是 hv (能量子能量子) 的整數(shù)倍的整數(shù)倍. 意義打開(kāi)了人們認(rèn)識(shí)微觀世界的大門打開(kāi)了人們認(rèn)識(shí)微觀世界的大門, ,在物理學(xué)發(fā)展史上起了劃時(shí)代的作用在物理學(xué)發(fā)展史上起了劃時(shí)代的作用. .第4頁(yè)/共25頁(yè)第四頁(yè)，共25頁(yè)。伏安特性伏安特性(txng)曲線曲線1 1、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)(shyn)(shyn)規(guī)律規(guī)律(1) 飽和電流 iS (2) 遏止( zh)電壓 Ua iS :單位時(shí)間 陰極產(chǎn)生的光電子數(shù)amUme221v I（I

5、, v)AKU13.1.2 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)iS3iS1iS2I1I2I3-UaUiI1I2I3 Ua光電子最大初動(dòng)能和光電子最大初動(dòng)能和 成線性關(guān)系成線性關(guān)系遏止電壓與頻率關(guān)系曲線遏止電壓與頻率關(guān)系曲線和和v 成成線線性性關(guān)關(guān)系系i(實(shí)驗(yàn)裝置示意圖實(shí)驗(yàn)裝置示意圖) 0A)(oaKU)(o(3) 截止頻率 0(4) 即時(shí)發(fā)射:遲滯時(shí)間不超過(guò)遲滯時(shí)間不超過(guò) 10-9 秒秒第5頁(yè)/共25頁(yè)第五頁(yè)，共25頁(yè)。u 經(jīng)典物理與實(shí)驗(yàn)規(guī)律(gul)的矛盾 電子在電磁波作用下作受迫振動(dòng)，直到獲得足夠能量電子在電磁波作用下作受迫振動(dòng)，直到獲得足夠能量(與與 光強(qiáng)光強(qiáng) I 有關(guān)有

6、關(guān)(yugun) 逸出，不應(yīng)存在紅限逸出，不應(yīng)存在紅限 0 。 當(dāng)光強(qiáng)很小時(shí)，電子當(dāng)光強(qiáng)很小時(shí)，電子(dinz)要逸出，必須經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的能量要逸出，必須經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的能量積累。積累。 只有光的頻率只有光的頻率 0 時(shí)，電子才會(huì)逸出。時(shí)，電子才會(huì)逸出。 逸出光電子的多少取決于光強(qiáng)逸出光電子的多少取決于光強(qiáng) I 。 光電子即時(shí)發(fā)射，滯后時(shí)間不超過(guò)光電子即時(shí)發(fā)射，滯后時(shí)間不超過(guò) 109 秒秒。r 總結(jié) 光電子最大初動(dòng)能和光頻率光電子最大初動(dòng)能和光頻率 成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 光電子最大初動(dòng)能取決于光強(qiáng)，和光的頻率光電子最大初動(dòng)能取決于光強(qiáng)，和光的頻率 無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。第6頁(yè)/共25頁(yè)第六頁(yè)，共25頁(yè)。2

7、 2、愛(ài)因斯坦光子、愛(ài)因斯坦光子(gungz)(gungz)假說(shuō)和假說(shuō)和光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)方程 光是光子光是光子(gungz)流流 ，每一光子，每一光子(gungz)能量為能量為 h ，電子吸收一個(gè)光子電子吸收一個(gè)光子(gungz)2m21vmAh（A A 為為逸逸出功）出功） 單位時(shí)間到達(dá)單位垂直面積的光子單位時(shí)間到達(dá)單位垂直面積的光子(gungz)數(shù)為數(shù)為N，則光強(qiáng)，則光強(qiáng) I = Nh . I 越強(qiáng)越強(qiáng) , 到陰極的光子到陰極的光子(gungz)越多越多, 則逸出的光電子越多。則逸出的光電子越多。 電子吸收一個(gè)光子即可逸出，不需要長(zhǎng)時(shí)間的能量積累。電子吸收一個(gè)光子即可逸出，不需要長(zhǎng)時(shí)間

8、的能量積累。 光頻率光頻率 A/h 時(shí)，時(shí)，電子吸收一個(gè)光子即可克服逸出功電子吸收一個(gè)光子即可克服逸出功 A 逸出逸出 ( o= A/h) 。r 結(jié)論 光電子最大初動(dòng)能和光頻率光電子最大初動(dòng)能和光頻率 成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 第7頁(yè)/共25頁(yè)第七頁(yè)，共25頁(yè)。一銅球用絕緣線懸掛于真空(zhnkng)(zhnkng)中，被波長(zhǎng)為 =150 nm =150 nm 的光照射。已知銅的逸出功為 4.5eV 4.5eV 。銅球失去電子后帶正電，電勢(shì)(dinsh)(dinsh)升高，使束縛電子的勢(shì)壘也升高，設(shè)銅球表面的電勢(shì)(dinsh)(dinsh)為U U ，逸出電子的速度為v v ，銅的逸出功為A

9、A，愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程為逸出電子(dinz)(dinz)的最大動(dòng)能為零時(shí)，銅球電勢(shì)達(dá)最高U maxU max，有AUmhe212vAUhmaxeAUchmaxeemaxAchU)V(8 . 3eeV)5 . 43 . 8(解例銅球因失去電子而能達(dá)到的最高電勢(shì)。求第8頁(yè)/共25頁(yè)第八頁(yè)，共25頁(yè)。chchm2hchcmp光子(gungz)動(dòng)量13.1.3 光（電磁輻射(din c f sh)）的波粒二象性hcmE2光子(gungz)能量光子質(zhì)量粒子性波動(dòng)性r 光電效應(yīng)的應(yīng)用 光電管: 光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān), , 紅外成像儀紅外成像儀, ,光電傳感器等光電傳感器等光電倍增管: ( (微光微光) )夜

10、視儀夜視儀第9頁(yè)/共25頁(yè)第九頁(yè)，共25頁(yè)。測(cè)量測(cè)量(cling)波長(zhǎng)在波長(zhǎng)在 2001200 nm 極微弱光的功率極微弱光的功率光電倍增光電倍增(bi zn)管管第10頁(yè)/共25頁(yè)第十頁(yè)，共25頁(yè)。 0 0 v 散射線散射線(shxin)(shxin)中有兩種波長(zhǎng)中有兩種波長(zhǎng) 0 0 、 ，0隨散射角隨散射角 的增大的增大(zn(zn d)d)而增大而增大(zn(zn d) d)。探測(cè)器 013.1.4 康普頓效應(yīng)(xioyng)X 光管光闌散射物體(實(shí)驗(yàn)裝置示意圖）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖）v 散射物體不同，散射物體不同， 0 0 、 的強(qiáng)度比不同。的強(qiáng)度比不同。第11頁(yè)/共25頁(yè)第十一頁(yè)，共25頁(yè)

11、。1 1、經(jīng)典、經(jīng)典(jngdin)(jngdin)物理的解釋物理的解釋v 經(jīng)典理論只能說(shuō)明經(jīng)典理論只能說(shuō)明(shumng)(shumng)波長(zhǎng)不變的散射，而不能說(shuō)明波長(zhǎng)不變的散射，而不能說(shuō)明(shumng)(shumng)康普頓散射康普頓散射電子(dinz)受迫振動(dòng)同頻率散射線發(fā)射 單色電磁波受迫振動(dòng)受迫振動(dòng)v000 00 照射散射物體第12頁(yè)/共25頁(yè)第十二頁(yè)，共25頁(yè)。2 2、光子、光子(gungz)(gungz)理論理論的解釋的解釋能量、動(dòng)量能量、動(dòng)量(dngling)守恒守恒(1) 入射光子與外層電子彈性(tnxng)碰撞 外層外層電子電子受原子核束縛較弱受原子核束縛較弱動(dòng)能動(dòng)能光子

12、能量光子能量 近似自由近似自由近似靜止近似靜止靜止靜止 自自由由 電子電子sinsincoscos0vvmchmchch2200mchcmh0hh20cm2mcch0chvm0第13頁(yè)/共25頁(yè)第十三頁(yè)，共25頁(yè)。sinsincoscos0vvmchmchch2200mchcmh)cos2(02202222 hcm v2002)(cmhmc)cos1 ()(0020hcm2sin2)cos1 (2000ccmhccnm 0024. 0/0cmhc（電子（電子(dinz)的康普頓波長(zhǎng)）的康普頓波長(zhǎng)）其中其中(qzhng)第14頁(yè)/共25頁(yè)第十四頁(yè)，共25頁(yè)。(2) X 射線光子和原子(yunz)

13、內(nèi)層電子相互作用光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子，碰撞時(shí)光子不損失能量光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子，碰撞時(shí)光子不損失能量(nngling)，波長(zhǎng)不，波長(zhǎng)不變。變。自由電子(z yu din z)000內(nèi)層電子被緊束縛，光子相當(dāng)于和整個(gè)原子發(fā)生碰撞。內(nèi)層電子被緊束縛，光子相當(dāng)于和整個(gè)原子發(fā)生碰撞。光子光子內(nèi)層電子內(nèi)層電子外層電子外層電子波長(zhǎng)變大的散射線波長(zhǎng)變大的散射線波長(zhǎng)不變的散射線波長(zhǎng)不變的散射線v 波長(zhǎng)變化r 結(jié)論2sin220cmh 原子第15頁(yè)/共25頁(yè)第十五頁(yè)，共25頁(yè)。v 強(qiáng)度(qingd)變化 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 0 輕物質(zhì)（多數(shù)電子處于弱束縛狀態(tài)輕物質(zhì)（多數(shù)電子處于弱束縛狀態(tài) ）弱弱強(qiáng)強(qiáng)重物質(zhì)（多數(shù)電子處于強(qiáng)束縛

14、狀態(tài)重物質(zhì)（多數(shù)電子處于強(qiáng)束縛狀態(tài) ）強(qiáng)強(qiáng)弱弱吳吳有有訓(xùn)訓(xùn)實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)(shyn)結(jié)結(jié)果果第16頁(yè)/共25頁(yè)第十六頁(yè)，共25頁(yè)。例 0 = 0.02nm 的X射線與靜止的自由電子碰撞, 若從與入射線 成900的方向(fngxing)觀察散射線。 求 (1) 散射線的波長(zhǎng); (2) 反沖電子(dinz)的動(dòng)能; (3) 反沖電子(dinz)的動(dòng)量。解 (1) 散射線(shxin)的波長(zhǎng): )cos1 (0cmhnm 0024. 0/0cmhcnm 0224. 00(2) 反沖電子的動(dòng)能反沖電子的動(dòng)能: hhEk0hchc0eV106.8J1008. 1315(3) 反沖電子的動(dòng)量：反沖電子的動(dòng)量：h

15、ep0h22011hpem/skg105 . 4231842arctan0第17頁(yè)/共25頁(yè)第十七頁(yè)，共25頁(yè)。1 1、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)(shyn)(shyn)規(guī)規(guī)律律記錄記錄(jl)氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)原理氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)原理13.1.3 原子結(jié)構(gòu)與原子光譜氫放電管23 kV光闌全息(qunx)干板 三棱鏡（或光柵）光光 源源氫原子線狀光譜（攝譜儀）（攝譜儀）第18頁(yè)/共25頁(yè)第十八頁(yè)，共25頁(yè)。)11(122nkRH（氫光譜（氫光譜(gungp)的里德的里德伯常量）伯常量） (3) k = 2 (n = 3, 4, 5, ) 譜線系譜線系 賴曼系賴曼系 （1908年）年）(2

16、) 譜線的波數(shù)可表示譜線的波數(shù)可表示(biosh)為為 k = 1 (n = 2, 3, 4, ) 譜線系譜線系 巴耳末系（巴耳末系（1880年）年）(1) 分立分立(fn l)線狀光譜線狀光譜v 實(shí)驗(yàn)規(guī)律（氫原子的巴耳末線系）（氫原子的巴耳末線系）v 經(jīng)典理論的困難17m 108 775 096. 1實(shí)驗(yàn)HR第19頁(yè)/共25頁(yè)第十九頁(yè)，共25頁(yè)。hEEnk|(2) 躍遷(yuqin)假設(shè)nkEE2 2、玻爾的氫原子理論、玻爾的氫原子理論(lln)(lln)(1) 定態(tài)假設(shè)(jish)原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一定態(tài)，會(huì)發(fā)射或吸收一個(gè)光子，頻率會(huì)發(fā)射或吸收一個(gè)光子，頻

17、率穩(wěn)穩(wěn)定定狀狀態(tài)態(tài) 這些定態(tài)的能量不連續(xù)這些定態(tài)的能量不連續(xù) 不輻射電磁波不輻射電磁波 電子作圓周運(yùn)動(dòng)電子作圓周運(yùn)動(dòng)v（定態(tài)）（定態(tài)）2hnrmLv(3) 角動(dòng)量量子化假設(shè) 軌道軌道角動(dòng)量角動(dòng)量第20頁(yè)/共25頁(yè)第二十頁(yè)，共25頁(yè)。r2=4r1r2=9r1vr向心力是庫(kù)侖向心力是庫(kù)侖(kln)力力 220241rermv由上兩式得由上兩式得, 第第 n 個(gè)定態(tài)的軌道個(gè)定態(tài)的軌道(gudo)半徑為半徑為 , 3 , 2 , 1)(122202nrnmehnrnnm 0529. 01r2120202814121nEreremEnnnvl 能量能量(nngling)量子化量子化-13.6 eV玻爾半

18、徑玻爾半徑l 軌道半徑量子化：軌道半徑量子化： 第21頁(yè)/共25頁(yè)第二十一頁(yè)，共25頁(yè)。En ( eV)氫原子能級(jí)氫原子能級(jí)(nngj)圖圖賴曼系賴曼系k=1巴耳末系巴耳末系k=2帕邢系帕邢系k=3布拉開(kāi)系布拉開(kāi)系k=4-13.6-1.51-3.39021nEEnhEEknnk光頻光頻n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5n = 6122)11(Ekn2211)1()12(nnEnEEEnn第22頁(yè)/共25頁(yè)第二十二頁(yè)，共25頁(yè)。cnknknk1l 波數(shù)波數(shù)(與實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)(shyn)對(duì)比對(duì)比)17m 108 775 096. 1實(shí)驗(yàn)HR當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)(dngsh)實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)驗(yàn)測(cè)得)11()11()(122221nkRnkhcEEEhcHkn理論17m 101 373 097. 1理論HR其中其中(qzhng)計(jì)算得到計(jì)算得到第23頁(yè)/共25頁(yè)第二十三頁(yè)，共25頁(yè)。(1) 成功成功(chnggng)地把氫原子結(jié)構(gòu)和光譜線結(jié)構(gòu)聯(lián)系起地把氫原子結(jié)構(gòu)和光譜線結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)