早期量子論演示文稿

早期量子論演示文稿當(dāng)前1頁，總共50頁。2023/3/21優(yōu)選早期量子論當(dāng)前2頁，總共50頁。室溫高溫吸收輻射白底黑花瓷片不輻射可見光時，黑花吸收大，反射少所以暗輻射可見光時，黑花吸收大，輻射大所以變亮

輻射和吸收達(dá)到平衡時，物體的溫度不再變化，此時物體的熱輻射稱為平衡熱輻射.當(dāng)前3頁，總共50頁。2.描述熱輻射的物理量(1)輻出度(輻射出射度)

單位時間內(nèi)，從溫度為T的物體表面的單位面積上，所輻射出各種波長的電磁波的能量的總和.(2)單色輻出度(單色輻射出射度)

單位時間內(nèi),從溫度為T的物體表面的單位面積上,所輻射出波長在λ---λ+dλ范圍內(nèi)的電磁波的能量.單位：W·m-2單位：W·m-3當(dāng)前4頁，總共50頁。(3)單色吸收率(,T)

當(dāng)輻射從外界入射到溫度為T的物體表面時,在到+d的波段內(nèi),吸收能量與入射總能量之比.吸收比吸收能量入射總能量=說明(1)任何物體，在任何溫度下都要輻射電磁波；(2)物體在輻射電磁波的同時，也吸收電磁波；(3)基爾霍夫定律:

在同樣的溫度下,不同的物體或不同表面性質(zhì)的物體,其單色輻出度與單色吸收率之比是一恒量.

一個好的輻射體一定是一個好的吸收體，物體對某一波長不吸收，那么對這個波長也不輻射.當(dāng)前5頁，總共50頁。3.黑體輻射黑體:對于任何溫度,單色吸收率恒等于1的物體.黑色的物體是黑體嗎？不是！思考:煤煙約95%黑體模型

一個密閉的空腔上開一個小孔，則此小孔就可近似地看成為黑體.只吸收，不反射.——理想模型黑體輻射的特點:與同溫度其它物體的熱輻射相比，黑體熱輻射本領(lǐng)最強(qiáng).黑體熱輻射溫度材料性質(zhì)當(dāng)前6頁，總共50頁。(1)斯忒藩-玻耳茲曼定律1.00.50500100015002000Mb(,T

)(1014×W/m3)(nm)5000K6000K3000K4000K4.黑體輻射基本定律

黑體的輻出度與黑體的熱力學(xué)溫度的四次方成正比.式中：斯特藩-玻耳茲曼常數(shù)當(dāng)前7頁，總共50頁。(2)維恩位移定律峰值波長m

與溫度

T成反比5001000150020001.00.50Mb(1014×W/m3)(nm)5000K6000K3000K4000K

當(dāng)黑體的熱力學(xué)溫度升高時,與單色輻出度的峰值相對應(yīng)的波長向短波方向移動.當(dāng)前8頁，總共50頁。例:

從太陽光譜的實驗觀測中，測知單色輻出度的峰值所對應(yīng)的波長m約為483nm，試估算太陽表面的溫度.解:太陽表面的溫度為：當(dāng)前9頁，總共50頁。測定了物體熱輻射總能量，就可確定物體的溫度.斯忒藩-玻耳茲曼定律的應(yīng)用:紅外測溫儀當(dāng)前10頁，總共50頁。

此式在λ較小時與實驗符合很好，而λ大時則不好.(2)維恩根據(jù)實驗結(jié)果給出了一個經(jīng)驗公式:5.經(jīng)典物理解釋黑體輻射的困難(1)瑞利-金斯根據(jù)經(jīng)典電動力學(xué)和統(tǒng)計物理導(dǎo)出了瑞利-金斯公式：此式在λ較大時能與實驗很好符合，而λ小時則不對.當(dāng)前11頁，總共50頁。瑞利—金斯公式(1900年)維恩公式(1896年)Mb實驗曲線長波范圍與實驗符合,而在短波范圍內(nèi)不符合——“紫外災(zāi)難”短波范圍與實驗符合,在長波范圍內(nèi)不符合當(dāng)前12頁，總共50頁。16.1.2普朗克量子假設(shè)1.普朗克公式——普朗克常數(shù)式中:

普朗克公式的得來,起初是半經(jīng)驗的,即利用內(nèi)插法將適用于短波的維恩公式和適用于長波的瑞利—金斯公式銜接起來,在得到了公式后,普朗克才設(shè)法從理論上去論證它.當(dāng)前13頁，總共50頁。2.經(jīng)典理論的基本觀點(1)電磁輻射來源于帶電粒子的振動，電磁波的頻率與振動頻率相同.(2)振子輻射的電磁波含有各種波長，是連續(xù)的，輻射能量也是連續(xù)的.(3)溫度升高，振子振動加強(qiáng)，輻射能增大.3.普朗克量子假設(shè)

對于頻率為

的振子,振子輻射的能量不是連續(xù)的,而是分立的,它的取值是某一最小能量h

的整數(shù)倍.（n=1，2，3…）當(dāng)前14頁，總共50頁。4.量子觀念在“非難”中得到發(fā)展

普朗克引入了“能量子”的假設(shè),標(biāo)志著量子物理學(xué)的誕生,具有劃時代的意義.但是由于這個假設(shè)對經(jīng)典物理學(xué)致命的打擊,所以他同時代的那些物理學(xué)家對這一觀念都表示疑惑不解,甚至懷疑.洛倫茲說：

“關(guān)于輻射量子問題的討論使科學(xué)家們都陷在死胡同里了.”

普朗克本人也由于受傳統(tǒng)的經(jīng)典觀念影響太深,對自己提出的“能量子”思想違反了經(jīng)典的連續(xù)性概念而煩惱和后悔.并一直試圖用連續(xù)性代替不連續(xù)性,回到經(jīng)典范疇.經(jīng)過十多年徒勞的努力后,他才相信能量子假設(shè)是正確的,作用量子h反映了新理論的本質(zhì).當(dāng)前15頁，總共50頁。1900年12月24日，普朗克在法國物理學(xué)會的圣誕會上宣讀了題為《關(guān)于正常光譜的能量分布定律》的論文，提出了與經(jīng)典物理學(xué)格格不入的能量量子化假設(shè)：普朗克獲1918年度諾貝爾物理學(xué)獎.

普朗克假說不僅圓滿地解釋了黑體輻射問題,還解釋了固體的比熱等問題,成為現(xiàn)代量子理論的重要組成部分.意義：當(dāng)前16頁，總共50頁。16.2光電效應(yīng)和光的量子性16.2.1光電效應(yīng)1887年赫茲在做火花放電的實驗時，發(fā)現(xiàn)加有高電壓的金屬板被光照射時，附近的空氣會變成導(dǎo)電的.背景:《紫外光對放電的影響》當(dāng)前17頁，總共50頁。1.實驗裝置VGOOOOOOBOO照射光.KA光電管金屬在光照射下發(fā)射電子,這個現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)；從金屬表面逸出的電子稱為光電子；光電子運(yùn)動形成光電流.當(dāng)前18頁，總共50頁。2.實驗規(guī)律(1)

飽和光電流強(qiáng)度iS∝光電子數(shù)(入射光強(qiáng))(2)

存在截止頻率0(3)截止電壓U0

(光電子最大初動能)與入射光的頻率具有線性關(guān)系：iS1iS2U0U0(V)CsNaCa0(4)

即時發(fā)射.馳豫時間不超過10-9s..KAU當(dāng)前19頁，總共50頁。3.經(jīng)典物理與實驗規(guī)律的矛盾

電子在電磁波作用下作受迫振動，直到獲得足夠能量(與光強(qiáng)I有關(guān))逸出，不應(yīng)存在截止頻率0.當(dāng)光強(qiáng)很小時,電子要逸出,必須經(jīng)較長時間的能量積累.

只有光的頻率0

時,電子才會逸出.

逸出光電子的多少取決于光強(qiáng)I

.

光電子即時發(fā)射,弛豫時間不超過10–9

秒.總結(jié)

光電子最大初動能和光頻率

成線性關(guān)系.

光電子最大初動能取決于光強(qiáng),和光的頻率無關(guān).當(dāng)前20頁，總共50頁。16.2.2愛因斯坦光子假說1.愛因斯坦光電效應(yīng)方程

1905年,愛因斯坦推廣了普朗克的觀點，他認(rèn)為：

光束可以看成是由微粒構(gòu)成的粒子流,這些粒子叫做光量子(光子).對于頻率為ν的光束,每個光子的能量為：式中：A為逸出功

當(dāng)頻率為的光束照射在金屬表面上時

，一個電子吸收一個光子,使電子獲得能量h，設(shè)電子具有初動能,由能量守恒定律，有：——愛因斯坦光電效應(yīng)方程當(dāng)前21頁，總共50頁。2.愛因斯坦光子假說對光電效應(yīng)的解釋

單位時間到達(dá)單位垂直面積的光子數(shù)為N，則光強(qiáng)I=Nh

.I越強(qiáng),到陰極的光子越多,則逸出的光電子越多.

電子吸收一個光子即可逸出,不需要長時間的能量積累.

光頻率>A/h時,電子吸收一個光子即可克服逸出功A逸出.討論

光電子最大初動能和光頻率成線性關(guān)系.

當(dāng)前22頁，總共50頁。例:

鉀的光電效應(yīng)紅限波長為0=6.210-7m.解:(1)(2)(3)求:(1)電子的逸出功；

(2)在的紫外線照射下,截止電壓為多少？

(3)電子的初速度為多少？(紫外線0=3.010-7m)當(dāng)前23頁，總共50頁。3.光的波粒二象性光子動量和能量的關(guān)系式：光子動量：由狹義相對論動量和能量關(guān)系式：對于頻率為ν的光子，其能量和動量分別為：粒子性波動性當(dāng)前24頁，總共50頁。1909年，愛因斯坦在論文《論我們關(guān)于輻射本質(zhì)和結(jié)構(gòu)的觀點的發(fā)展》中明確地提出了“光的波粒二象性”：光在傳播時表現(xiàn)為波動性；在與物質(zhì)相互作用而轉(zhuǎn)移能量時顯示出了粒子性.

“我認(rèn)為,理論物理學(xué)發(fā)展的最近一個階段,將給我們提供一種光理論,這一理論可以被理解為波動理論和微粒說的一種統(tǒng)一”.圓柱本是“圓柱”橫看成嶺側(cè)成峰光子就是“光子”有波粒二象性當(dāng)前25頁，總共50頁。當(dāng)前26頁，總共50頁。16.3康普頓散射1920年，美國物理學(xué)家康普頓在研究X射線通過實物物質(zhì)發(fā)生散射時，發(fā)現(xiàn)了一個新的現(xiàn)象:

散射光中除了與入射波長相同的射線外，還有波長比入射波長更長的射線.

這種現(xiàn)象稱為康普頓散射(效應(yīng)).1.康普頓散射石墨體X射線譜儀當(dāng)前27頁，總共50頁。2.康普頓散射實驗結(jié)果(1)在原子量小的物質(zhì)中,康普頓散射較強(qiáng),反之較弱.(2)波長的改變量-o隨散射角θ的增加而增加.(3)對不同的散射物質(zhì),只要在同一個散射角下,波長的改變量-o都相同.θ=0°θ=45°θ=90°θ=135°當(dāng)前28頁，總共50頁。3.經(jīng)典物理的解釋經(jīng)典理論只能說明波長不變的散射,而不能說明康普頓散射.電子受迫振動同頻率散射線發(fā)射

單色電磁波θ說明受迫振動v0照射散射物體當(dāng)前29頁，總共50頁。4.光量子假說對康普頓效應(yīng)的成功解釋康普頓效應(yīng)的實質(zhì)：光子與散射物中的自由電子和束縛電子發(fā)生碰撞.組成X射線的光子與“靜止”的“自由電子”彈性碰撞；碰撞過程中能量與動量守恒.撞碰前光子電子撞碰后能量動量動量能量當(dāng)前30頁，總共50頁。根據(jù)能量守恒定律：根據(jù)動量守恒定律：x方向：y方向：聯(lián)立解得：——電子的康普頓波長當(dāng)前31頁，總共50頁。結(jié)論(3)因為康普頓波長比可見光波長小得多,所以可見光的散射主要是瑞利散射.(1)波長的改變量與散射角θ有關(guān),散射角θ

越大,

也越大.(2)波長的改變量與入射光的波長無關(guān).康普頓散射實驗的意義：

表明光具有粒子性；光子具有動量；動量守恒和能量守恒兩定律在微觀領(lǐng)域仍成立.——康普頓獲得1927年諾貝爾物理學(xué)獎.當(dāng)前32頁，總共50頁。例:

在康普頓效應(yīng)中,入射光子的波長為3×10-3nm,反沖電子的速度為光速的60%.求:

散射光子的波長和散射角.解:

根據(jù)能量守恒定律：當(dāng)前33頁，總共50頁。16.4玻爾氫原子理論16.4.1經(jīng)典氫原子模型1.湯姆孫的原子模型(葡萄干蛋糕模型)+-α粒子的大角度散射湯姆孫模型無法解釋α粒子散射實驗.當(dāng)前34頁，總共50頁。2.盧瑟福核式模型(1911)

RSFPTOθα粒子粒子散射實驗裝置示意圖α盧瑟福于1911年提出原子的有核模型或稱原子的行星模型：

原子的中心有一帶正電的原子核,它幾乎集中了原子的全部質(zhì)量,電子圍繞這個核旋轉(zhuǎn),原子半徑

r=10-10m,原子核半徑r=10-14~10-15m.當(dāng)前35頁，總共50頁。盧瑟福原子的有核模型提出的遭遇無法解釋原子的穩(wěn)定性及原子分立的線狀光譜.電子繞原子核做圓周運(yùn)動輻射電磁波原子系統(tǒng)的能量逐漸減小不可能有穩(wěn)定的原子原子光譜為連續(xù)的帶狀光譜由經(jīng)典理論:當(dāng)前36頁，總共50頁。16.4.2氫原子光譜656.3nm486.1nm434.1nm410.2nm氫原子光譜是具有規(guī)律的分立線狀光譜.1885年巴耳末得到氫原子可見光譜線波長的經(jīng)驗公式：譜線波長(nm)巴耳末公式當(dāng)前37頁，總共50頁。定義波數(shù)：里德伯常數(shù)——巴耳末公式1889年里德伯和里茲發(fā)現(xiàn)普遍公式：(n>m)當(dāng)前38頁，總共50頁。萊曼系,1916巴耳末系,1885帕刑系,1908布拉開系,1922普豐德系,1924漢弗萊系,1953紅外線紅外線紅外線紫外線可見光紅外線123456譜線系名稱譜線波段譜線公式氫原子線光譜系當(dāng)前39頁，總共50頁。16.4.3玻爾氫原子理論NielsBohr(1885-1962)1.玻爾理論的三條假設(shè)(1)定態(tài)假設(shè)：

電子在原子中沿一組特殊軌道運(yùn)動，并處于穩(wěn)定的能量狀態(tài)(簡稱定態(tài)).

當(dāng)電子從一個能態(tài)軌道向另一個能態(tài)軌道躍遷時，要發(fā)射或吸收光子.(2)頻率假設(shè)：(3)軌道角動量量子化假設(shè)：

電子以速度v在半徑為r的圓周上繞核運(yùn)動時，只有電子的角動量L等于的整數(shù)倍的那些軌道才是穩(wěn)定的，即:當(dāng)前40頁，總共50頁。2.氫原子能級公式

設(shè)在氫原子中,質(zhì)量為m、電荷為e的電子,在半徑為rn

的穩(wěn)定軌道上以速率vn作圓周運(yùn)動,作用在電子上的庫侖力提供向心力,因此有：由第n個定態(tài)的軌道半徑為：——玻爾半徑rn當(dāng)前41頁，總共50頁。電子在第n個軌道上的總能量是動能和勢能之和：氫原子所具有的能量為：

氫原子所具有的能量是不連續(xù)的，這一系列不連續(xù)的能量值，就構(gòu)成了能級.氫原子能級公式-13.6eV當(dāng)前42頁，總共50頁。對于氫原子,有:玻爾軌道半徑:氫原子能級:eV第一激發(fā)態(tài)基態(tài)當(dāng)前43頁，總共50頁。實驗測得:計算得到:

當(dāng)電子從較高能級的En躍遷到較低能級的Em時,可得原子輻射的單色光的光子能量為:由，得：當(dāng)前44頁，總共50頁。3.氫原子能級躍遷與光譜系當(dāng)前45頁，總共50頁。例:

如用能量為12.6eV的電子轟擊氫原子,將產(chǎn)生哪些譜線？解：取n

=3可能的軌道躍遷：31，32，21例:氫原子中把n=2

狀態(tài)下的電子移離原子需要多少能量？解：當(dāng)前46頁，總共50頁。夫蘭克赫茲