光子能量為h課件

第五冊(cè)第一章量子物理基礎(chǔ)1第五冊(cè)量子物理基礎(chǔ)1近代物理（20世紀(jì)）

相對(duì)論

1905狹義相對(duì)論1916廣義相對(duì)論—引力、天體

量子力學(xué)

A舊量子論的形成（沖破經(jīng)典—量子假說(shuō)）

1900Planck振子能量量子化

1905Einstein電磁輻射能量量子化

2近代物理（20世紀(jì)）2

1913N.Bohr原子能量量子化B、量子力學(xué)的建立（嶄新概念）

1923deBroglie電子具有波動(dòng)性

1926-27Davisson,G.P.Thomson電子衍射實(shí)驗(yàn)

1925Heisenberg矩陣力學(xué)

1926Schroedinger波動(dòng)方程

1928Dirac相對(duì)論波動(dòng)方程31913N.Bohr原子能量量子化3注意：1)自覺(jué)擺脫經(jīng)典的束縛注重實(shí)驗(yàn)事實(shí)2)處理好形象與抽象的關(guān)系新理論是在原有的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的所以在極限情況下可以回到原有的理論但量子范圍內(nèi)的很多概念找不到經(jīng)典的對(duì)應(yīng)是一個(gè)全新的領(lǐng)域人們認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程決定的4注意：4第一章§1-1黑體輻射5第一章§1-1黑體輻射5并且其輻射能量的大小及輻射能量按波長(zhǎng)的分布與溫度有關(guān)。一、熱輻射1.熱輻射現(xiàn)象物體既會(huì)向外輻射能量，也會(huì)吸收外界的輻射能量。當(dāng)物體的溫度不隨時(shí)間改變稱為熱平衡。輻射和吸收的能量恰相等時(shí)稱為平衡熱輻射各種物體在任何溫度下都要向外輻射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物質(zhì)中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。6并且其輻射能量的大小及輻射能量按波長(zhǎng)的分布與溫度有關(guān)。一、熱（1）單色輻出度2.基爾霍夫定律1.幾個(gè)概念如果從物體單位表面上發(fā)射的、波長(zhǎng)在到＋d之間的輻射功率為,則與d之比稱為單色輻出度。是溫度Ｔ和波長(zhǎng)的函數(shù)，常寫(xiě)成。它描述了物體熱輻射的能量按不同波長(zhǎng)分布的情況。7（1）單色輻出度2.基爾霍夫定律1.幾個(gè)概念如果從物體單位表或按頻率定義單位時(shí)間內(nèi)從物體單位表面向前方半球發(fā)出的頻率在

附近單位頻率間隔內(nèi)的電磁波的能量（單位時(shí)間內(nèi)）

T單位面積8或按頻率定義（單位時(shí)間內(nèi)）T單位面積8

從物體單位表面積上發(fā)射的各種波長(zhǎng)輻射的總功率。描寫(xiě)物體在溫度T時(shí)向外輻射能量本領(lǐng)的物理量。輻出度僅是溫度的函數(shù)。（２）總輻出度M(T)（３）吸收比當(dāng)物體表面受到輻射時(shí)，被物體吸收的能量與入射能量之比稱為吸收比。

波長(zhǎng)在從到＋d間隔范圍內(nèi)的吸收比稱為單色吸收比。用表示。9從物體單位表面積上發(fā)射的各種波長(zhǎng)輻射的總功率。在熱平衡下，任何物體的單色輻出度與單色吸收比的比值與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，對(duì)于所有物體，這個(gè)比值是波長(zhǎng)和溫度的普適函數(shù)。２.基爾霍夫定律1859年基爾霍夫證明：平衡態(tài)時(shí)黑體輻射只依賴于物體的溫度與構(gòu)成黑體的材料形狀無(wú)關(guān)基爾霍夫定律10在熱平衡下，任何物體的單色輻出度與單色吸收比的比值與物體的性３.黑體輻射1.絕對(duì)黑體是指在任何溫度下，全部吸收任何波長(zhǎng)的輻射的物體。根據(jù)基爾霍夫定律，黑體既是完全的吸收體，也是理想的發(fā)射體。對(duì)于任意溫度或波長(zhǎng)，絕對(duì)黑體的吸收比都恒為1。

可把一個(gè)開(kāi)小孔的不透光空腔看成黑體。11３.黑體輻射1.絕對(duì)黑體是指在任何溫度下，全部吸收任何波長(zhǎng)

由空腔輻射體的單色輻出度與波長(zhǎng)的能譜曲線可知：1）每一條曲線都有一個(gè)極大值,對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為λm。2）隨著溫度的升高，黑體的總輻出度迅速增大，并且曲線的極大值點(diǎn)逐漸向短波方向移動(dòng)。維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：維恩公式維恩公式在短波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，但長(zhǎng)波卻不行。12由空腔輻射體的單色輻出度與波長(zhǎng)的能譜曲線可知：1）每一條曲瑞利和瓊斯用能量均分定理和電磁理論得出瑞利—瓊斯公式：瑞利-瓊斯維恩理論值

瑞利—瓊斯公式在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。但在紫外區(qū)竟算得單色輻出度為無(wú)窮大—所謂的“紫外災(zāi)難”。

利用經(jīng)典理論無(wú)法解釋黑體輻射現(xiàn)象。正如1900年開(kāi)耳文指出的晴朗的物理學(xué)理論大廈上空，飛來(lái)“兩朵烏云”之一，它動(dòng)搖了經(jīng)典物理的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)T=1646k13瑞利和瓊斯用能量均分定理和電磁理論得出瑞利—瓊斯公式：

1900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克在維恩位移定律和瑞利--金斯公式之間用內(nèi)插法建立一個(gè)普遍公式：式中：k為玻爾茲曼常數(shù)，h稱為普朗克常數(shù)。普朗克公式這個(gè)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合。寫(xiě)成波長(zhǎng)形式：實(shí)驗(yàn)維恩理論值T=1646k瑞利-瓊斯普朗克理論值141900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克在維恩位移定律和瑞①.金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可視為一維諧振子。這些振子可以吸收或輻射能量。②.空腔壁上帶電諧振子所吸收或發(fā)射的能量只能是h的整數(shù)倍。普朗克常數(shù)h=6.626×10－34JS*振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量*存在著能量的最基本單元（能量子=h);為了能夠從理論上推導(dǎo)出這個(gè)公式，普朗克提出了一個(gè)與經(jīng)典物理學(xué)概念截然不同的“能量子”假設(shè)：二、普朗克的能量子假設(shè)15①.金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可視為一維諧振子。這些振子可以吸收普朗克由于提出能量子假設(shè)，為此獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。根據(jù)普朗克能量子假設(shè)，可以從理論上推導(dǎo)出普朗克公式。例1：一質(zhì)點(diǎn)彈簧系統(tǒng)，質(zhì)量為1kg，振幅A=1cm,設(shè)彈簧彈性系數(shù)k=20kg/m，。求：若系統(tǒng)的能量量子化量子數(shù)是多少？量子數(shù)改變一個(gè)單位能量變化的百分比是多少？。解：振動(dòng)頻率為由得16普朗克由于提出能量子假設(shè)，為此獲1918年諾貝1.斯特藩-玻耳茲曼公式三、黑體輻射的兩個(gè)定律斯特藩發(fā)現(xiàn)黑體輻出度M(T)與絕對(duì)溫度的四次方成正比。斯特藩玻耳茲曼常量：σ=5.67×10－8Wm－2K－4輻射出的總能量將隨溫度升高而迅速增大。2.維恩位移公式維恩發(fā)現(xiàn)黑體單色輻出度最大值相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系。171.斯特藩-玻耳茲曼公式三、黑體輻射的兩個(gè)定律斯特藩發(fā)現(xiàn)黑體維恩位移公式指出：隨著溫度的升高，單色輻出度的峰值向短波方向移動(dòng)。例：（1）溫度為室溫（20°C）的黑體，其單色輻出度的峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是多少？（2）輻出度是多少？解：（1）由維恩位移定律（2）由斯特藩-玻耳茲曼定律18維恩位移公式指出：隨著溫度的升高，單色輻出度的峰1.測(cè)量黑體溫度在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開(kāi)一小孔，小孔可看作黑體，由小孔的熱輻射特性，就可以確定爐內(nèi)的溫度。2.光學(xué)高溫計(jì)----光測(cè)高溫高溫爐燈絲目鏡聚焦透鏡四、黑體輻射的應(yīng)用15191.測(cè)量黑體溫度在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開(kāi)一1886-1887年赫茲在做電磁波實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)用紫光照射電極時(shí)比較容易發(fā)射電磁波，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。201886-1887年赫茲在做電磁波實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)用紫光照射電極時(shí)1887年赫茲在做電磁波實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。1.什么是光電效應(yīng)當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。如小鋅球在紫外線照射下會(huì)失去負(fù)電荷帶上正電。由于金屬表面的電子吸收外界的光線后，克服金屬的束縛而逸出金屬表面的現(xiàn)象。一、光電效應(yīng)由于半導(dǎo)體表面的電子吸收外界的光子，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)的現(xiàn)象。外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)211887年赫茲在做電磁波實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。1.什么是光電光線經(jīng)石英窗照在陰極上時(shí)有電子逸出----光電子。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。當(dāng)A加正向電壓，電流增加，到一定值時(shí)達(dá)到飽和。光線越強(qiáng)，飽和光電流越大。p9調(diào)節(jié)電阻，使電場(chǎng)反向，則光電子離開(kāi)陰極后將受反向電場(chǎng)阻礙作用。當(dāng)K、A間加反向電壓達(dá)到某一值Uc時(shí)，光電流恰為0。Uc稱反向截止電壓。2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)陽(yáng)極陰極22光線經(jīng)石英窗照在陰極上時(shí)有電子逸出----光電子。光電子在電2323二.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律與經(jīng)典理論矛盾之處經(jīng)典認(rèn)為光強(qiáng)越大，電磁場(chǎng)的幅度越大，光電子的初動(dòng)能也該大。但實(shí)驗(yàn)上光電子初動(dòng)能只與頻率有關(guān)。2、存在截止頻率0----紅限：對(duì)于各種金屬材料，都相應(yīng)有一確定的截止頻率0

。

只要頻率高于紅限，既使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于紅限時(shí)，無(wú)論光線再?gòu)?qiáng)也沒(méi)有光電流。而經(jīng)典理論認(rèn)為有光線照射，電子就會(huì)吸收能量，時(shí)間足夠長(zhǎng)，就可以產(chǎn)生光電流。有無(wú)光電效應(yīng)和光的照射時(shí)間有關(guān)，不應(yīng)與頻率有關(guān)。1、反向截止電壓Uc與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，和入射光的頻率成正比。p1024二.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律與經(jīng)典理論矛盾之處經(jīng)典認(rèn)為光強(qiáng)越大，電3、光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開(kāi)始照射到光電逸出所需時(shí)間<10-9s。經(jīng)典理論認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過(guò)程。瞬時(shí)光電子發(fā)射違背經(jīng)典理論的規(guī)律。3.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)為了解釋光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦在能量子假說(shuō)的基礎(chǔ)上提出光子理論。1.光量子假設(shè)光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。頻率為的光是由大量能量為=h光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速c運(yùn)動(dòng)。253、光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開(kāi)始照射到光電逸出所需時(shí)間<10-在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中：電子吸收了光子的能量，一部分提供給電子逸出金屬表面的功A，另一部分變?yōu)楣怆娮拥膭?dòng)能Ek0。由能量守恒可得出：初動(dòng)能及反向截止電壓與成正比，而與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。(1)由得2.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程3.光電效應(yīng)的解釋式中：A為電子逸出金屬表面所需作的功，稱為逸出功；為光電子的最大初動(dòng)能。26在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中：電子吸收了光子的能量，一部分提供給電子逸(2)截止頻率0（紅限）的解釋:當(dāng)入射光頻率>0時(shí)，電子才能逸出金屬表面，產(chǎn)生光電效應(yīng)。不同金屬具有不同的截止頻率。（3）光電流正比于光強(qiáng)的解釋光強(qiáng)正比于單位時(shí)間流過(guò)單位面積的光子數(shù)。光強(qiáng)越大，光子數(shù)越多。金屬內(nèi)電子吸收一個(gè)光子可以釋放一個(gè)光電子。光強(qiáng)越大，光電子越多，光電流越大。但是光子的能量小于逸出功時(shí)無(wú)光電流。入射光頻率低于0時(shí)，光子能量小于(h<A)

逸出功，無(wú)光電子產(chǎn)生。27(2)截止頻率0（紅限）的解釋:當(dāng)入射光頻率>0（4）光電效應(yīng)瞬時(shí)性的解釋電子吸收光子時(shí)間很短，只要光子頻率大于截止頻率，電子就能立即逸出金屬表面，無(wú)需積累能量的時(shí)間，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。例1：鉑的逸出功為6.3eV，求鉑的截止頻率0。解：λ=196nm28（4）光電效應(yīng)瞬時(shí)性的解釋電子吸收光子時(shí)間很短例2：鉀的截止頻率0

=4.621014Hz，以波長(zhǎng)=435.8nm的光照射，求鉀放出光電子的初速度。解：美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證29例2：鉀的截止頻率0=4.621014Hz，以波長(zhǎng)=由相對(duì)論光子的質(zhì)能關(guān)系光子的質(zhì)量5.光子的質(zhì)量、能量和動(dòng)量由相對(duì)論質(zhì)速關(guān)系有所以，光子的靜止質(zhì)量為零。光子的能量就是動(dòng)能。由狹義相對(duì)論能量和動(dòng)量的關(guān)系式光子的能量和動(dòng)量的關(guān)系式為：光子的動(dòng)量：30由相對(duì)論光子的質(zhì)能關(guān)系光子的質(zhì)量5.光子的質(zhì)量、能量和動(dòng)量由例：求波長(zhǎng)為20nm紫外線光子的能量、動(dòng)量及質(zhì)量。解：能量動(dòng)量質(zhì)量31例：求波長(zhǎng)為20nm紫外線光子的能量、動(dòng)量及質(zhì)量。解：能二、康普頓效應(yīng)1.光的散射光束通過(guò)某些介質(zhì)時(shí)，可以看到光的散射現(xiàn)象。2.康普頓效應(yīng)1923年康普頓在做X射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng)0和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。32二、康普頓效應(yīng)1.光的散射光束通過(guò)某些介質(zhì)時(shí)，可以看到光的散實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)散射的光子能量減少，頻率下降，波長(zhǎng)增加。2.波長(zhǎng)變化與關(guān)系見(jiàn)p18圖33實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)散射的光子能量減少，頻率下降，波長(zhǎng)增加。2.波長(zhǎng)變化波長(zhǎng)的改變量滿足如下關(guān)系：這種波長(zhǎng)改變的散射稱為康普頓效應(yīng)。式中：Λ=2.4×10－12m稱為康普頓波長(zhǎng)，它表示散射角為90o時(shí)，散射波長(zhǎng)改變的值。經(jīng)典理論無(wú)法解釋康普頓效應(yīng)。經(jīng)典理論認(rèn)為：物質(zhì)中的電子會(huì)隨入射光以相同的頻率振動(dòng)，并向外輻射，即散射光的頻率與入射光頻率相等。而無(wú)法解釋有Δλ存在的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。34波長(zhǎng)的改變量滿足如下關(guān)系：這種波長(zhǎng)改變的散射稱為康普頓效應(yīng)。

X射線是由一些能量為=h的光子組成，并且這些光子與自由電子發(fā)生完全彈性碰撞，X-ray3.康普頓效應(yīng)的光量子理論解釋在輕原子中，原子核對(duì)電子的束縛較弱，可以把電子看作是靜止的自由電子。碰撞前：光子能量為ho，動(dòng)量為h/λ0；電子的能量為moc2，動(dòng)量為零。碰撞后：光子散射角為，光子能量為h，動(dòng)量為h/λ；電子飛出的方向與入射光子的夾角為，它的能量為，動(dòng)量為。35X射線是由一些能量為=h的光子組成，并且反沖電子碰撞過(guò)程能量守恒動(dòng)量守恒①②③36反沖電子碰撞過(guò)程能量守恒動(dòng)量守恒①②③36聯(lián)立以上三式，消去φ可以解得：其中為康普頓波長(zhǎng)散射波長(zhǎng)改變量：可見(jiàn)，康普頓效應(yīng)中，發(fā)生波長(zhǎng)改變的原因是：當(dāng)一個(gè)光子與散射物質(zhì)中的一個(gè)自由電子碰撞后，電子獲得一部分能量，散射的光子能量減小，頻率減小，波長(zhǎng)變長(zhǎng)。37聯(lián)立以上三式，消去φ可以解得：其中為康普頓波長(zhǎng)散射波長(zhǎng)改①.散射波長(zhǎng)改變量的數(shù)量級(jí)為10-12m，對(duì)于可見(jiàn)光波長(zhǎng)~10-7m，<<，所以觀察不到康普頓效應(yīng)。②.當(dāng)

=0

時(shí)，光子頻率保持不變；=

時(shí)，光子頻率減小最多。康普頓散射進(jìn)一步證實(shí)了光子理論的正確性，還證明了在微觀領(lǐng)域中也是嚴(yán)格遵守能量、動(dòng)量守恒定律。注意：38①.散射波長(zhǎng)改變量的數(shù)量級(jí)為10-12m，對(duì)于可見(jiàn)三、光的波粒二象性光具有波動(dòng)性，又有粒子性，即波粒二象性。光在傳播過(guò)程中表現(xiàn)出波動(dòng)性，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。光在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)表現(xiàn)出粒子性，如光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)。光子能量和動(dòng)量為上兩式左邊是描寫(xiě)粒子性的E、P；右邊是描寫(xiě)波動(dòng)性的、。h將光的粒子性與波動(dòng)性聯(lián)系起來(lái)。

關(guān)于光的本性問(wèn)題，我們不應(yīng)該在微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)之間進(jìn)行取舍，而應(yīng)該把它們看作是光的本性的兩種不同側(cè)面的描述。39三、光的波粒二象性光具有波動(dòng)性，又有粒子性，即波粒二象性。第五冊(cè)第一章量子物理基礎(chǔ)40第五冊(cè)量子物理基礎(chǔ)1近代物理（20世紀(jì)）

相對(duì)論

1905狹義相對(duì)論1916廣義相對(duì)論—引力、天體

量子力學(xué)

A舊量子論的形成（沖破經(jīng)典—量子假說(shuō)）

1900Planck振子能量量子化

1905Einstein電磁輻射能量量子化

41近代物理（20世紀(jì)）2

1913N.Bohr原子能量量子化B、量子力學(xué)的建立（嶄新概念）

1923deBroglie電子具有波動(dòng)性

1926-27Davisson,G.P.Thomson電子衍射實(shí)驗(yàn)

1925Heisenberg矩陣力學(xué)

1926Schroedinger波動(dòng)方程

1928Dirac相對(duì)論波動(dòng)方程421913N.Bohr原子能量量子化3注意：1)自覺(jué)擺脫經(jīng)典的束縛注重實(shí)驗(yàn)事實(shí)2)處理好形象與抽象的關(guān)系新理論是在原有的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的所以在極限情況下可以回到原有的理論但量子范圍內(nèi)的很多概念找不到經(jīng)典的對(duì)應(yīng)是一個(gè)全新的領(lǐng)域人們認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程決定的43注意：4第一章§1-1黑體輻射44第一章§1-1黑體輻射5并且其輻射能量的大小及輻射能量按波長(zhǎng)的分布與溫度有關(guān)。一、熱輻射1.熱輻射現(xiàn)象物體既會(huì)向外輻射能量，也會(huì)吸收外界的輻射能量。當(dāng)物體的溫度不隨時(shí)間改變稱為熱平衡。輻射和吸收的能量恰相等時(shí)稱為平衡熱輻射各種物體在任何溫度下都要向外輻射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物質(zhì)中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。45并且其輻射能量的大小及輻射能量按波長(zhǎng)的分布與溫度有關(guān)。一、熱（1）單色輻出度2.基爾霍夫定律1.幾個(gè)概念如果從物體單位表面上發(fā)射的、波長(zhǎng)在到＋d之間的輻射功率為,則與d之比稱為單色輻出度。是溫度Ｔ和波長(zhǎng)的函數(shù)，常寫(xiě)成。它描述了物體熱輻射的能量按不同波長(zhǎng)分布的情況。46（1）單色輻出度2.基爾霍夫定律1.幾個(gè)概念如果從物體單位表或按頻率定義單位時(shí)間內(nèi)從物體單位表面向前方半球發(fā)出的頻率在

附近單位頻率間隔內(nèi)的電磁波的能量（單位時(shí)間內(nèi)）

T單位面積47或按頻率定義（單位時(shí)間內(nèi)）T單位面積8

從物體單位表面積上發(fā)射的各種波長(zhǎng)輻射的總功率。描寫(xiě)物體在溫度T時(shí)向外輻射能量本領(lǐng)的物理量。輻出度僅是溫度的函數(shù)。（２）總輻出度M(T)（３）吸收比當(dāng)物體表面受到輻射時(shí)，被物體吸收的能量與入射能量之比稱為吸收比。

波長(zhǎng)在從到＋d間隔范圍內(nèi)的吸收比稱為單色吸收比。用表示。48從物體單位表面積上發(fā)射的各種波長(zhǎng)輻射的總功率。在熱平衡下，任何物體的單色輻出度與單色吸收比的比值與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，對(duì)于所有物體，這個(gè)比值是波長(zhǎng)和溫度的普適函數(shù)。２.基爾霍夫定律1859年基爾霍夫證明：平衡態(tài)時(shí)黑體輻射只依賴于物體的溫度與構(gòu)成黑體的材料形狀無(wú)關(guān)基爾霍夫定律49在熱平衡下，任何物體的單色輻出度與單色吸收比的比值與物體的性３.黑體輻射1.絕對(duì)黑體是指在任何溫度下，全部吸收任何波長(zhǎng)的輻射的物體。根據(jù)基爾霍夫定律，黑體既是完全的吸收體，也是理想的發(fā)射體。對(duì)于任意溫度或波長(zhǎng)，絕對(duì)黑體的吸收比都恒為1。

可把一個(gè)開(kāi)小孔的不透光空腔看成黑體。50３.黑體輻射1.絕對(duì)黑體是指在任何溫度下，全部吸收任何波長(zhǎng)

由空腔輻射體的單色輻出度與波長(zhǎng)的能譜曲線可知：1）每一條曲線都有一個(gè)極大值,對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為λm。2）隨著溫度的升高，黑體的總輻出度迅速增大，并且曲線的極大值點(diǎn)逐漸向短波方向移動(dòng)。維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：維恩公式維恩公式在短波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，但長(zhǎng)波卻不行。51由空腔輻射體的單色輻出度與波長(zhǎng)的能譜曲線可知：1）每一條曲瑞利和瓊斯用能量均分定理和電磁理論得出瑞利—瓊斯公式：瑞利-瓊斯維恩理論值

瑞利—瓊斯公式在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。但在紫外區(qū)竟算得單色輻出度為無(wú)窮大—所謂的“紫外災(zāi)難”。

利用經(jīng)典理論無(wú)法解釋黑體輻射現(xiàn)象。正如1900年開(kāi)耳文指出的晴朗的物理學(xué)理論大廈上空，飛來(lái)“兩朵烏云”之一，它動(dòng)搖了經(jīng)典物理的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)T=1646k52瑞利和瓊斯用能量均分定理和電磁理論得出瑞利—瓊斯公式：

1900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克在維恩位移定律和瑞利--金斯公式之間用內(nèi)插法建立一個(gè)普遍公式：式中：k為玻爾茲曼常數(shù)，h稱為普朗克常數(shù)。普朗克公式這個(gè)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合。寫(xiě)成波長(zhǎng)形式：實(shí)驗(yàn)維恩理論值T=1646k瑞利-瓊斯普朗克理論值531900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克在維恩位移定律和瑞①.金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可視為一維諧振子。這些振子可以吸收或輻射能量。②.空腔壁上帶電諧振子所吸收或發(fā)射的能量只能是h的整數(shù)倍。普朗克常數(shù)h=6.626×10－34JS*振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量*存在著能量的最基本單元（能量子=h);為了能夠從理論上推導(dǎo)出這個(gè)公式，普朗克提出了一個(gè)與經(jīng)典物理學(xué)概念截然不同的“能量子”假設(shè)：二、普朗克的能量子假設(shè)54①.金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可視為一維諧振子。這些振子可以吸收普朗克由于提出能量子假設(shè)，為此獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。根據(jù)普朗克能量子假設(shè)，可以從理論上推導(dǎo)出普朗克公式。例1：一質(zhì)點(diǎn)彈簧系統(tǒng)，質(zhì)量為1kg，振幅A=1cm,設(shè)彈簧彈性系數(shù)k=20kg/m，。求：若系統(tǒng)的能量量子化量子數(shù)是多少？量子數(shù)改變一個(gè)單位能量變化的百分比是多少？。解：振動(dòng)頻率為由得55普朗克由于提出能量子假設(shè)，為此獲1918年諾貝1.斯特藩-玻耳茲曼公式三、黑體輻射的兩個(gè)定律斯特藩發(fā)現(xiàn)黑體輻出度M(T)與絕對(duì)溫度的四次方成正比。斯特藩玻耳茲曼常量：σ=5.67×10－8Wm－2K－4輻射出的總能量將隨溫度升高而迅速增大。2.維恩位移公式維恩發(fā)現(xiàn)黑體單色輻出度最大值相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系。561.斯特藩-玻耳茲曼公式三、黑體輻射的兩個(gè)定律斯特藩發(fā)現(xiàn)黑體維恩位移公式指出：隨著溫度的升高，單色輻出度的峰值向短波方向移動(dòng)。例：（1）溫度為室溫（20°C）的黑體，其單色輻出度的峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是多少？（2）輻出度是多少？解：（1）由維恩位移定律（2）由斯特藩-玻耳茲曼定律57維恩位移公式指出：隨著溫度的升高，單色輻出度的峰1.測(cè)量黑體溫度在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開(kāi)一小孔，小孔可看作黑體，由小孔的熱輻射特性，就可以確定爐內(nèi)的溫度。2.光學(xué)高溫計(jì)----光測(cè)高溫高溫爐燈絲目鏡聚焦透鏡四、黑體輻射的應(yīng)用15581.測(cè)量黑體溫度在實(shí)驗(yàn)室或工廠的高溫爐子上開(kāi)一1886-1887年赫茲在做電磁波實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)用紫光照射電極時(shí)比較容易發(fā)射電磁波，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。591886-1887年赫茲在做電磁波實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)用紫光照射電極時(shí)1887年赫茲在做電磁波實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。1.什么是光電效應(yīng)當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。如小鋅球在紫外線照射下會(huì)失去負(fù)電荷帶上正電。由于金屬表面的電子吸收外界的光線后，克服金屬的束縛而逸出金屬表面的現(xiàn)象。一、光電效應(yīng)由于半導(dǎo)體表面的電子吸收外界的光子，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)的現(xiàn)象。外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)601887年赫茲在做電磁波實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。1.什么是光電光線經(jīng)石英窗照在陰極上時(shí)有電子逸出----光電子。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。當(dāng)A加正向電壓，電流增加，到一定值時(shí)達(dá)到飽和。光線越強(qiáng)，飽和光電流越大。p9調(diào)節(jié)電阻，使電場(chǎng)反向，則光電子離開(kāi)陰極后將受反向電場(chǎng)阻礙作用。當(dāng)K、A間加反向電壓達(dá)到某一值Uc時(shí)，光電流恰為0。Uc稱反向截止電壓。2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)陽(yáng)極陰極61光線經(jīng)石英窗照在陰極上時(shí)有電子逸出----光電子。光電子在電6223二.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律與經(jīng)典理論矛盾之處經(jīng)典認(rèn)為光強(qiáng)越大，電磁場(chǎng)的幅度越大，光電子的初動(dòng)能也該大。但實(shí)驗(yàn)上光電子初動(dòng)能只與頻率有關(guān)。2、存在截止頻率0----紅限：對(duì)于各種金屬材料，都相應(yīng)有一確定的截止頻率0

。

只要頻率高于紅限，既使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于紅限時(shí)，無(wú)論光線再?gòu)?qiáng)也沒(méi)有光電流。而經(jīng)典理論認(rèn)為有光線照射，電子就會(huì)吸收能量，時(shí)間足夠長(zhǎng)，就可以產(chǎn)生光電流。有無(wú)光電效應(yīng)和光的照射時(shí)間有關(guān)，不應(yīng)與頻率有關(guān)。1、反向截止電壓Uc與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，和入射光的頻率成正比。p1063二.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律與經(jīng)典理論矛盾之處經(jīng)典認(rèn)為光強(qiáng)越大，電3、光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開(kāi)始照射到光電逸出所需時(shí)間<10-9s。經(jīng)典理論認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過(guò)程。瞬時(shí)光電子發(fā)射違背經(jīng)典理論的規(guī)律。3.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)為了解釋光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦在能量子假說(shuō)的基礎(chǔ)上提出光子理論。1.光量子假設(shè)光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。頻率為的光是由大量能量為=h光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速c運(yùn)動(dòng)。643、光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開(kāi)始照射到光電逸出所需時(shí)間<10-在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中：電子吸收了光子的能量，一部分提供給電子逸出金屬表面的功A，另一部分變?yōu)楣怆娮拥膭?dòng)能Ek0。由能量守恒可得出：初動(dòng)能及反向截止電壓與成正比，而與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。(1)由得2.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程3.光電效應(yīng)的解釋式中：A為電子逸出金屬表面所需作的功，稱為逸出功；為光電子的最大初動(dòng)能。65在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中：電子吸收了光子的能量，一部分提供給電子逸(2)截止頻率0（紅限）的解釋:當(dāng)入射光頻率>0時(shí)，電子才能逸出金屬表面，產(chǎn)生光電效應(yīng)。不同金屬具有不同的截止頻率。（3）光電流正比于光強(qiáng)的解釋光強(qiáng)正比于單位時(shí)間流過(guò)單位面積的光子數(shù)。光強(qiáng)越大，光子數(shù)越多。金屬內(nèi)電子吸收一個(gè)光子可以釋放一個(gè)光電子。光強(qiáng)越大，光電子越多，光電流越大。但是光子的能量小于逸出功時(shí)無(wú)光電流。入射光頻率低于0時(shí)，光子能量小于(h<A)

逸出功，無(wú)光電子產(chǎn)生。66(2)截止頻率0（紅限）的解釋:當(dāng)入射光頻率>0（4）光電效應(yīng)瞬時(shí)性的解釋電子吸收光子時(shí)間很短，只要光子頻率大于截止頻率，電子就能立即逸出金屬表面，無(wú)需積累能量的時(shí)間，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。例1：鉑的逸出功為6.3eV，求鉑的截止頻率0。解：λ=196nm67（4）光電效應(yīng)瞬時(shí)性的解釋電子吸收光子時(shí)間很短例2：鉀的截止頻率0

=4.621014Hz，以波長(zhǎng)=435.8nm的光照射，求鉀放出光電子的初速度。解：美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證68例2：鉀的截止頻率0=4.621014Hz，以波長(zhǎng)=由相對(duì)論光子的質(zhì)能關(guān)系光子的質(zhì)量5.光子的質(zhì)量、能量和動(dòng)量由相對(duì)論質(zhì)速關(guān)系有所以，光子的靜止質(zhì)量為零。光子的能量就是動(dòng)能。由狹義相對(duì)論能量和動(dòng)量的關(guān)系式光子的能量和動(dòng)量的關(guān)系式為：光子的動(dòng)量：69由相對(duì)論光子的質(zhì)能關(guān)系光子的質(zhì)量5.光子的質(zhì)量、能量和動(dòng)量由例：求波長(zhǎng)為20nm紫外線光子的能量、動(dòng)量及質(zhì)量。解：能量動(dòng)量質(zhì)量70例：求波長(zhǎng)為20nm紫外線光子的能量、動(dòng)量及質(zhì)量。解：能二、康普頓效應(yīng)1.光的散射光束通過(guò)某些介質(zhì)時(shí)，可以看到光的散射現(xiàn)象。2.康普頓效應(yīng)1923年康普頓在做X射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除