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1、量子力学1第1页，本讲稿共30页1.热辐射热辐射 由温度由温度(T)决定的物体的电磁辐射。决定的物体的电磁辐射。一一.热辐射热辐射15-1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 头头部部热热辐辐射射像像头部各部分温度不同，因此它们头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异，这种差异可的热辐射存在差异，这种差异可通过热象仪转换成可见光图象。通过热象仪转换成可见光图象。红外辐射热象图红外辐射热象图2第2页，本讲稿共30页运动时人体各部分热辐射像运动时人体各部分热辐射像3第3页，本讲稿共30页l 由物体内分子、原子的由物体内分子、原子的热运动热运动导致物体辐射电磁波；导致物体辐射电磁波；
2、2.2.热辐射的特点：热辐射的特点：l 任何任何物体（气、液、固）在物体（气、液、固）在任何任何温度下，都在不断地向温度下，都在不断地向 周围辐射各种波长的电磁波；周围辐射各种波长的电磁波；l 热辐射是热辐射是连续连续光谱光谱 各种频率各种频率(波长波长)都有，都有，但强度不同；但强度不同；l 热辐射按热辐射按频率频率(波长波长)的分布的分布,和和T T 有关有关 T T 短波长的电磁波的比例短波长的电磁波的比例 ；l 辐射总功率辐射总功率(单位时间辐射总能单位时间辐射总能)和和T T有关有关 T T (辐射的能量辐射的能量)4第4页，本讲稿共30页炼钢的热辐射炼钢的热辐射 直觉直觉:低温物体
3、发出的是低温物体发出的是红外光红外光 炽热物体发出的是炽热物体发出的是可见光可见光 高温物体发出的是高温物体发出的是紫外光紫外光 注意：注意：热辐射与温度有关热辐射与温度有关 激光激光 日光灯日光灯 发光不是热辐射发光不是热辐射例如：铁块例如：铁块 温度温度 从看不出发光从看不出发光暗红暗红赤红赤红黄白黄白蓝白蓝白5第5页，本讲稿共30页辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射称为辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射称为 平衡热辐射平衡热辐射。l 物体物体辐射辐射电磁波的同时，也电磁波的同时，也吸收吸收电磁波。物体辐射本领越大，电磁波。物体辐射本领越大，
4、其吸收本领也越大。其吸收本领也越大。室温室温高温高温吸收吸收辐射辐射白底黑花瓷片白底黑花瓷片6第6页，本讲稿共30页3.描述热辐射的基本物理量描述热辐射的基本物理量（单位位时间内）内）T单位面积单位面积（1）单色辐射出射度单色辐射出射度（单色辐出度）：一定温度（单色辐出度）：一定温度 T 下，物体单位面下，物体单位面元在单位时间内元在单位时间内,发射的波长在发射的波长在 +d 内的辐射能内的辐射能 dM 与波长间与波长间隔隔 d 的比值的比值(单位：单位：W W/m2Hz)Hz)有关有关7第7页，本讲稿共30页（2）辐出度辐出度：物体：物体(温度温度 T)在单位时间内单位表面所发射的辐射在单位
5、时间内单位表面所发射的辐射能，为能，为(单位：单位：W W/m2)有关有关温度温度材料性质材料性质物体热辐射物体热辐射8第8页，本讲稿共30页二二.黑体辐射黑体辐射绝对黑体绝对黑体(黑体黑体)能够能够全部全部吸收吸收各种波长各种波长的辐射的辐射 且且不反射和透射不反射和透射的物体。的物体。黑体模型黑体模型比如：空腔上的小孔比如：空腔上的小孔 炼钢炉上的小洞炼钢炉上的小洞从远处观察打开的窗子从远处观察打开的窗子 近似黑体近似黑体9第9页，本讲稿共30页1.黑体辐射的特点黑体辐射的特点：与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射本领本领最强最强黑体热辐射黑体热
6、辐射温度温度材料性质材料性质18591859年年 基耳霍夫证明基耳霍夫证明 平衡态时，黑体辐射平衡态时，黑体辐射只依赖于只依赖于物体的温度物体的温度 与构成黑体的材料和形状无关与构成黑体的材料和形状无关实验和理论均证明实验和理论均证明 在各种材料中，黑体的光谱辐射度在各种材料中，黑体的光谱辐射度最大最大10第10页，本讲稿共30页 0.5 1.0 1.5 2.01050MB(10-7 W/m2 m)(m)可见光可见光5000K6000K3000K4000K1）斯特藩）斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律式中式中辐出度与辐出度与 T 4 成正比成正比.2）维恩位移定律）维恩位移定律峰值波长峰值波长 m
7、 与温度与温度 T 成反比成反比2.2.黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律11第11页，本讲稿共30页视太阳为黑体，太阳表面温度视太阳为黑体，太阳表面温度辐出度辐出度测得太阳光谱的峰值波长在绿光区测得太阳光谱的峰值波长在绿光区域，为域，为 m=0.47 m.试估算试估算太阳太阳的表面温度和辐出度。的表面温度和辐出度。例例1.太阳实际不是绝对的黑体，所以按黑体计算出的太阳实际不是绝对的黑体，所以按黑体计算出的 Ts、M B(T)并非实际并非实际值，有偏差。值，有偏差。M解：解：说明说明12第12页，本讲稿共30页三三.经典物理的解释及普朗克公式经典物理的解释及普朗克公式MB 瑞利瑞利 金斯公式金斯
8、公式(1900年年)维恩公式维恩公式(1896年年)普朗克公式普朗克公式(1900年年)为解释这一公式，普朗克为解释这一公式，普朗克提出了提出了能量量子化能量量子化假设。假设。试验曲线试验曲线13第13页，本讲稿共30页实验物理学家鲁本斯（实验物理学家鲁本斯（RubensRubens）把它同最新的实验）把它同最新的实验结果比较发现：结果比较发现：在全波段与实验结在全波段与实验结果惊人符合！果惊人符合！14第14页，本讲稿共30页电电磁磁波波四四.普朗克能量子假说普朗克能量子假说 谐振子频率为谐振子频率为 v，则其能量是，则其能量是hv,2hv,3hv,nhv,首次提出微观粒子首次提出微观粒子的
9、的能量是量子化的，打破了经典物理学中能量是量子化的，打破了经典物理学中能量能量连续的观念。连续的观念。普朗克常数普朗克常数 h=6.62610-34 Js 腔腔壁壁上上的的原原子子能能量量与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化是的变化是 hv 的整数倍的整数倍.说明说明普朗克获得普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖15第15页，本讲稿共30页l 普朗克能量子假定：谐振子的能量不连续普朗克能量子假定：谐振子的能量不连续 hv,2hv,3hv,nhv,l 辐射黑体中的分子、原子可看作线性谐振子辐射黑体中的分子、原子可看作线性谐振子l 物体发射或吸收
10、电磁辐射时，交换能量的最小单位是物体发射或吸收电磁辐射时，交换能量的最小单位是“能量能量子子”h h 基本物理思想基本物理思想 能量量子化能量量子化l 振动时向外辐射能量（也可吸收能量）振动时向外辐射能量（也可吸收能量）16第16页，本讲稿共30页五五.量子假说的意义及其与宏观现象的关系量子假说的意义及其与宏观现象的关系l 打破打破“一切自然过程能量都是连续的一切自然过程能量都是连续的”经典看法经典看法l 说明了宇宙辐射背景说明了宇宙辐射背景 T T=3K=3Kl 敲开量子力学的大门敲开量子力学的大门l 量子化是微观物理的特征量子化是微观物理的特征 h 是微观物理中的重要物理量是微观物理中的重
11、要物理量17第17页，本讲稿共30页例例2.2.设想一质量为设想一质量为 m m =1 g=1 g 的小珠子悬挂在一个的小珠子悬挂在一个 小轻弹簧下面作振幅小轻弹簧下面作振幅 A=1 m mA=1 m m的谐振动的谐振动弹簧的倔强系数弹簧的倔强系数 k k=0.1 N/m=0.1 N/m按量子理论计算此弹簧振子的能级间隔多大？按量子理论计算此弹簧振子的能级间隔多大？减少一个能量子时减少一个能量子时 振动能量的相对变化是多少？振动能量的相对变化是多少？为什么在宏观世界中观察不到能量分立的现象为什么在宏观世界中观察不到能量分立的现象?解：弹簧振子的频率解：弹簧振子的频率18第18页，本讲稿共30页
12、能级间隔能级间隔振子能量振子能量相对能量变化相对能量变化这样小的相对能量变化，在现在的技术条件下，还不可能这样小的相对能量变化，在现在的技术条件下，还不可能测量出来。现在能达到的最高的能量分辨率为：测量出来。现在能达到的最高的能量分辨率为：所以宏观的能量变所以宏观的能量变化看起来都是连续的。化看起来都是连续的。经典典能量能量量子量子19第19页，本讲稿共30页 光电效应是赫兹在光电效应是赫兹在18871887年发年发现的；现的；18961896年汤姆逊发现了电年汤姆逊发现了电子之后，勒纳德证明了光电效应子之后，勒纳德证明了光电效应中发出的是电子。中发出的是电子。光电效应光电效应 光照射某些金属
13、时能从表面释放出电子的效应，产生光照射某些金属时能从表面释放出电子的效应，产生的电子称为的电子称为光电子光电子一一.光电效应的实验规律光电效应的实验规律15-2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说VGOOOOOOUOO入射光入射光.KA光电管光电管 20第20页，本讲稿共30页1.1.饱和电流饱和电流 I IO OU U光光 强 较 强光光 强 较 弱弱光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线Im m饱饱和和电电流流iS 光电子数光电子数 当光电流达到饱和时，阴当光电流达到饱和时，阴极极 K K上逸出的光电子全部飞上逸出的光电子全部飞到了阳极到了阳极A A上上 单位时间内从金属
14、表面逸出单位时间内从金属表面逸出的光电子数与入射光强成正比的光电子数与入射光强成正比 21第21页，本讲稿共30页（3 3）遏止电压）遏止电压 Ua 2.遏止电压遏止电压（1 1）光电子的最大初动能随入射光）光电子的最大初动能随入射光 成线性成线性关系增加，与入射光强关系增加，与入射光强I I 无关。无关。（2 2）当电压）当电压U U=0 =0 时，光电流并不为零；时，光电流并不为零；只有当两极间加了反向电压时，光电流才只有当两极间加了反向电压时，光电流才为零。为零。UaIOU遏遏止止电电势势差差表明：从阴极逸出的光电子必有初动能表明：从阴极逸出的光电子必有初动能22第22页，本讲稿共30页
15、CsCaNa4.06.08.010.0Ua 1014Hz4.02.03.3.红限频率红限频率（2），才可以产生光电效应，才可以产生光电效应 斜率斜率 K K：与金属材料无关的恒量：与金属材料无关的恒量（1 1）截止电压）截止电压U Ua a与入射光频率与入射光频率 呈呈线性关系线性关系4.4.弛豫时间极短弛豫时间极短 不超过不超过10-9秒秒23第23页，本讲稿共30页 只有入射光的频率只有入射光的频率 0 时，电子才会逸出。时，电子才会逸出。逸出光电子的多少取决于光强逸出光电子的多少取决于光强 I。光电子即时发射，滞后时间不超过光电子即时发射，滞后时间不超过 109 秒秒。说明说明 光电子最
16、大初动能和光频率光电子最大初动能和光频率 成线性关系。成线性关系。实验规律：实验规律：1.1.饱和电流饱和电流 2.2.遏止电压遏止电压 3.3.红限频率红限频率 4.4.驰豫时间为零驰豫时间为零经典电磁理论：经典电磁理论：光电子的能量随入射光的能量光电子的能量随入射光的能量增大而增大，与频率无关增大而增大，与频率无关 光电子的发射需要时间光电子的发射需要时间 无红限无红限 无滞后无滞后二二.波动理论所遇到的困难波动理论所遇到的困难24第24页，本讲稿共30页三三.爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说 光电效应方程光电效应方程 光量子具有光量子具有“整体性整体性”光的发射、传播、吸收都是量子化的，
17、一个光子只能光的发射、传播、吸收都是量子化的，一个光子只能“整个整个地地”被电子吸收或放出。被电子吸收或放出。光的能量集中于一颗颗的光子上，每一光子能量为光的能量集中于一颗颗的光子上，每一光子能量为 h h =h=h 1.1.爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设(1905(1905年年)25第25页，本讲稿共30页A 逸逸出功出功 单位时间到达单位垂直面积的光子数为单位时间到达单位垂直面积的光子数为N N，则光强，则光强 I=NhI=Nh .I 越强越强,到阴极的光子越多到阴极的光子越多,则则逸逸出的光电子越多。出的光电子越多。电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。电子吸收一个光子
18、即可逸出，不需要长时间的能量积累。光频率光频率 A/h A/h 时，时，电子吸收一个光子即可克服逸出功电子吸收一个光子即可克服逸出功A A 逸出。逸出。讨论讨论 光电子最大初动能和光频率光电子最大初动能和光频率 成线性关系。成线性关系。2.光电效应方程光电效应方程26第26页，本讲稿共30页例例3.3.用用 的黄光照射光电池，为遏止所有电子的黄光照射光电池，为遏止所有电子到达阳极所施加的遏止电压到达阳极所施加的遏止电压求：当用求：当用 的光照射光电池时，遏止电压的光照射光电池时，遏止电压解：解：27第27页，本讲稿共30页光的干涉、衍射和偏振光的干涉、衍射和偏振 波动性波动性光具有波粒二像性光
19、具有波粒二像性光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应 粒子性粒子性四四.光的波粒二象性光的波粒二象性光子动量光子动量光子能量光子能量光子质量光子质量粒子性粒子性波动性波动性28第28页，本讲稿共30页 光作为电磁波是弥散在空间而连续的光作为电磁波是弥散在空间而连续的 光作为粒子在空间中是集中而分立的光作为粒子在空间中是集中而分立的 统一于统一于概率波概率波理论理论注意注意 光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定，光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定，光子是分立的，光强分布可以是连续的。光子是分立的，光强分布可以是连续的。光子数光子数 N N I I E E0 02 2单单缝缝衍衍射射I
20、 I 大大光子出现概率大；光子出现概率大；I I 小小光子出现概率小光子出现概率小光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成正比光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成正比29第29页，本讲稿共30页红红外外变变像像管管红外辐射图像红外辐射图像可见光图像可见光图像像像 增增 强强 器器微弱光学图像微弱光学图像 高亮度可见光学图像高亮度可见光学图像测量波长在测量波长在 2001200 nm 极微弱光的功率极微弱光的功率光电倍增管光电倍增管五五.光电效应的应用光电效应的应用 光电成像器件能将可见或不可见的辐射图像转换或增强成为可光电成像器件能将可见或不可见的辐射图像转换或增强成为可观察记录、传输、储存的图像。观察记录、传输、储存的图像。30第30页，本讲稿共30页