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1、量子力学实验基础第1页，此课件共34页哦索尔维会议索尔维会议（Solvay Conference）1927.10.241927.10.24梦幻全明星梦幻全明星二十世纪科技巨匠合影二十世纪科技巨匠合影 参加会议的29人中，有17人获诺贝尔奖第2页，此课件共34页哦第3页，此课件共34页哦 黑体辐射黑体辐射 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应重点：重点：黑体辐射、光电效应黑体辐射、光电效应难点：黑体辐射、康普顿效应难点：黑体辐射、康普顿效应第4页，此课件共34页哦 十九世纪末，经典物理学达到了相当完善的程度，正十九世纪末，经典物理学达到了相当完善的程度，正当人们欢呼：当人们欢呼：迈克尔逊-莫雷
2、实验，否定了绝对参照系的存在，否定了绝对参照系的存在黑体辐射与“紫外光灾难”“科学的大厦已经基本完成，后辈科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。就行了。”-开尔文开尔文-两朵乌云：两朵乌云：重新思考物理学的基本概念，在曲折艰苦的阵痛中终于诞重新思考物理学的基本概念，在曲折艰苦的阵痛中终于诞生了生了相对论(1905)和和量子论(1900)。第5页，此课件共34页哦量子力学的诞生量子力学的诞生（QM-Quantun Mechanics）第6页，此课件共34页哦第7页，此课件共34页哦第8页，此课件共34页哦早期量子论早期量子论量子力
3、学量子力学相对论量子力学相对论量子力学普朗克能量量子化假说普朗克能量量子化假说爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说康普顿效应康普顿效应玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论德布罗意实物粒子波粒二象性德布罗意实物粒子波粒二象性薛定谔方程薛定谔方程波恩的物质波统计解释波恩的物质波统计解释海森伯的测不准关系海森伯的测不准关系狄拉克把量子力学与狭义相狄拉克把量子力学与狭义相对论相结合对论相结合量子力学的诞生过程量子力学的诞生过程第9页，此课件共34页哦第一节第一节 黑体辐射黑体辐射 (Radiation of Black Body)(Radiation of Black Body)一、热辐射一、热辐射定义：由于
4、热运动所引起的辐射称为热辐射。定义：由于热运动所引起的辐射称为热辐射。1.1.单色辐射出射度单色辐射出射度 一定温度下物体在单位时间、单位表面发射在一定温度下物体在单位时间、单位表面发射在 范围内的辐射能量与波长间隔的比值。范围内的辐射能量与波长间隔的比值。特点：温度不同，能量随波长特点：温度不同，能量随波长(频率频率)不同。不同。第10页，此课件共34页哦2.辐射出射度辐射出射度 单位时间、单位面积上所辐射出的各种波长的电磁波单位时间、单位面积上所辐射出的各种波长的电磁波的能量总和，与物体的温度和自身性质有关。的能量总和，与物体的温度和自身性质有关。3.3.平衡热辐射平衡热辐射 物体从外界吸
5、收的热能恰好等于它因辐射而失去的物体从外界吸收的热能恰好等于它因辐射而失去的能量。能量。物体吸收某区间的辐射能占该区间总辐射能的比值。物体吸收某区间的辐射能占该区间总辐射能的比值。4.4.吸收本领吸收本领第11页，此课件共34页哦 任何物体在同一温度任何物体在同一温度T下的单色辐射出射度与相应的下的单色辐射出射度与相应的吸收本领的比值是一个与物质无关的普适函数吸收本领的比值是一个与物质无关的普适函数5.5.基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律二、黑体辐射二、黑体辐射的物体称为绝对黑体，简称黑体的物体称为绝对黑体，简称黑体。普适函数就是绝对黑体的单色辐射出射度普适函数就是绝对黑体的单色辐射出射度
6、第12页，此课件共34页哦例：不透明材料制成带小孔的的空腔例：不透明材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体可近似看作黑体。研究黑体辐射的规律研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性是了解一般物体热辐射性质的基础。质的基础。测量黑体辐射出射度实验装置测量黑体辐射出射度实验装置第13页，此课件共34页哦 能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体（黑体是理想模型）。称为黑体（黑体是理想模型）。第14页，此课件共34页哦0 1000 20001.00.5 0 1000 20001.00.5 3000K3000K6000K6000K1.1.
7、斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律（玻耳兹曼定律（18791879年）年）辐射出射度辐射出射度2.2.维恩位移定律（维恩位移定律（18931893年）年）第15页，此课件共34页哦维恩利用热力学维恩利用热力学相关理论导出：相关理论导出：3.3.瑞利瑞利-金斯公式（金斯公式（19001900年）年）瑞利瑞利-金斯利用经典电磁理论和能量均分定理导出：金斯利用经典电磁理论和能量均分定理导出：长波范围符合很好，短波区域偏离严重，长波范围符合很好，短波区域偏离严重，紫外灾难。紫外灾难。第16页，此课件共34页哦 19001900年年1010月的一个秋日的午月的一个秋日的午后，在柏林近郊一条幽静的林间后，在柏林近
8、郊一条幽静的林间小路上，普朗克和他六岁的儿子小路上，普朗克和他六岁的儿子正在散步。正在散步。“埃尔文，你知道吗？爸爸可能已经做出了可与埃尔文，你知道吗？爸爸可能已经做出了可与牛顿力学相媲美的伟大发现。牛顿力学相媲美的伟大发现。”-量子的发现！量子的发现！19001900年年1212月月1414日日，普朗克在柏林亥姆霍兹研究所的，普朗克在柏林亥姆霍兹研究所的物理学会议上宣读让物理学家们即兴奋、又烦恼的发现。物理学会议上宣读让物理学家们即兴奋、又烦恼的发现。第17页，此课件共34页哦4.4.普朗克公式（普朗克公式（19001900年）年）能量量子化假设：能量量子化假设：，(Planck,1858
9、1947)19181918年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 能量交换只能是量子化的能量交换只能是量子化的k 玻尔兹曼恒量玻尔兹曼恒量黑体由带电谐振子组成，和周围的黑体由带电谐振子组成，和周围的 电磁场交换能量电磁场交换能量能量子能量子第18页，此课件共34页哦例例1.1.已知在红外线已知在红外线范围内，人体可近似看作一个黑体。假范围内，人体可近似看作一个黑体。假 设成人表面面积的平均值为设成人表面面积的平均值为1.73m2 2，表面温度为，表面温度为 3333 ，求人体辐射的总功率。，求人体辐射的总功率。解：人体单位面积的辐射功率为人体辐射的总功率为黑体的温度和周围环境温度不等时，黑体辐射的净
10、功率是假设周围环境温度Ts=20=293K第19页，此课件共34页哦第二节第二节 光电效应和康普顿效应光电效应和康普顿效应 一、光电效应一、光电效应（Photoelectric Effect）光束射到金属表面使电子从金属中脱出的现象称为光束射到金属表面使电子从金属中脱出的现象称为光电效应。光电效应。光电效应现象是赫兹光电效应现象是赫兹1887年发现的，在年发现的，在1896年汤年汤姆逊发现了电子之后，勒纳姆逊发现了电子之后，勒纳德才证明了所发出的带电粒德才证明了所发出的带电粒子是电子。子是电子。第20页，此课件共34页哦1.1.实验规律实验规律实验规律实验规律光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特
11、性曲线 存在遏止电势差 单位时间内从阴极逸出的光电子数与入射光的强度成正比 实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光电子出现只需要 10 9s的时间。瞬时响应性质第21页，此课件共34页哦 对于给定的金属，当照射光频率小于金属的红限频率，则对于给定的金属，当照射光频率小于金属的红限频率，则无论光的强度如何，都不会产生光电效应无论光的强度如何，都不会产生光电效应。存在遏止频率 v0第22页，此课件共34页哦金 属 红限频率（10 Hz）14逸出功（eV)金 属 红限频率（10 Hz）14逸出功（eV)某些金属和半导体的红限频率及逸出功某些金属和半导体的红限频率及逸出功 钨 W 10.97 4.5
12、4 钙 Ca 6.55 2.71 钠 Na 5.53 2.29 钾 K 5.43 2.25 銣 Rb 5.15 2.13 銫 Cs 4.69 1.94 铀 U 8.76 3.63 铂 Pt 15.28 6.33 银 Ag 11.55 4.78 铜 Cu 10.80 4.47 锗 Ge 11.01 4.56 硅 Si 9.90 4.10 硒 Se 11.40 4.72 铝 Al 9.03 3.74 锑 Sb 5.68 2.35 锌 Zn 8.06 3.34第23页，此课件共34页哦波动理论所遇到的困难波动理论所遇到的困难1.1.光电子初动能应当随光强而不是随频率增大光电子初动能应当随光强而不是随
13、频率增大可见可见光的波动说光的波动说无法解释实验结果无法解释实验结果2.2.电磁振动激发电子只要强度足够就应该激发电磁振动激发电子只要强度足够就应该激发3.3.电磁振动激发电子需要一定响应时间电磁振动激发电子需要一定响应时间第24页，此课件共34页哦2.2.爱因斯坦的光量子论爱因斯坦的光量子论爱因斯坦的光量子论爱因斯坦的光量子论光是以光速光是以光速c c运动的微粒流，称为运动的微粒流，称为光量子光量子组成组成爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设(1905)(1905)(1905)(1905)光子的能量光子的能量光量子具有光量子具有“整体性整体性”（光的发射、
14、传播、吸收都是量子化的）（光的发射、传播、吸收都是量子化的）一个光子将全部能量交给一个电子，电子克服金属对一个光子将全部能量交给一个电子，电子克服金属对它的束缚，从金属中逸出。它的束缚，从金属中逸出。爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程第25页，此课件共34页哦爱因斯坦对光电效应的解释爱因斯坦对光电效应的解释爱因斯坦对光电效应的解释爱因斯坦对光电效应的解释光电子初动能和照射光的频率成线性关系光电子初动能和照射光的频率成线性关系电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，故电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，故 无须时间的累积。无须时间的累积。光强大，光子数多，释放的光电子也多，光电流大
15、光强大，光子数多，释放的光电子也多，光电流大光的波粒二象性光的波粒二象性第26页，此课件共34页哦爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效应光电效应的理论的理论解释和对解释和对理论物理学理论物理学的贡献的贡献获得获得19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和光电效光电效应应，特别是通过著名油滴实验，特别是通过著名油滴实验，证明电荷有最小单位，证明电荷有最小单位，获得获得19231923年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。第27页，此课件共34页哦例2.已知金属钨的逸出功A=7.210-19J，分别用频率为71014Hz的红外光和51015Hz的紫
16、外光照射钨的表面，能不能产生光电效应？解：金属钨的红限频率只有频率大于红限频率的光才可产生光电效应 71014Hz的红外光不行51015Hz的紫外光可以第28页，此课件共34页哦二二、康普顿效应康普顿效应（Compton Effect）1927年诺贝尔物理学奖（Compton,1892-1962）19221922年间康普顿观察年间康普顿观察X X射线通过物射线通过物质散射时，发现散射的波长发生变化质散射时，发现散射的波长发生变化的现象。的现象。第29页，此课件共34页哦(吴有训吴有训,1897 1977)1921 1921年赴芝加哥大学，随康普顿年赴芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究，从事物理
17、学研究，19261926年获博士学位。年获博士学位。19261926年秋回国。年秋回国。他在参与他在参与X X射线散射研究的工作射线散射研究的工作中，以精湛的实验技术和卓越的理论中，以精湛的实验技术和卓越的理论分析，验证了康普顿效应。分析，验证了康普顿效应。中国近代物理学奠基人，教育家中国近代物理学奠基人，教育家 。第30页，此课件共34页哦l l l l l l 波长偏移量检测系统检测系统晶 体l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l 散射角l l l l 射 线 源l 散射体散射体散射体散射体 j j 实验实验第31页，此课件共34页哦
18、l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l X射线X射线X射线不同散射物质的实验对同一散射角不同散射物质的实验对同一散射角j j 第32页，此课件共34页哦光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释高能光子和低能自由电子弹性碰撞的结果高能光子和低能自由电子弹性碰撞的结果若光子和外层电子碰撞，光子有一部分能量传给电若光子和外层电子碰撞，光子有一部分能量传给电 子子,光子的能量减少，导致波长变长，频率变低。光子的能量减少，导致波长变长，频率变低。若光子和内层电子碰撞时，碰撞前后光子能量几乎若光子和内层电子碰撞时，碰撞前后光子能量几乎 不变，故波长有不变不变，故波长有不变的成分的成分。因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波 长改变和散射角有关。长改变和散射角有关。第33页，此课件共34页哦康普顿效应的定量分析康普顿效应的定量分析yxyx（1）碰撞前碰撞前（2）碰撞后碰撞后（3）动量守恒动量守恒x光子光子:能量 动量(前)电子电子:0 能量 动量(后)第34页，此课件共34页哦