大学物理第十四章光的量子性与激光.ppt
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1物体在任何温度下都向外辐射电磁波物体在任何温度下都向外辐射电磁波热辐射热辐射14-114-1黑体黑体辐射辐射普朗克能量子假设普朗克能量子假设平衡热辐射平衡热辐射物体具有稳定温度物体具有稳定温度发射电磁辐射能量发射电磁辐射能量吸收电磁辐射能量吸收电磁辐射能量相等相等一、一、黑体、黑体辐射黑体、黑体辐射2如果一个物体能全部吸收投射在它上面的如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为辐射而无反射，这种物体称为黑体黑体。
黑体模型黑体模型黑体黑体3单位时间物体单位表面积发射的各种波长的总辐射能单位时间物体单位表面积发射的各种波长的总辐射能单色辐出度单色辐出度单位时间单位时间内内,从物体表面从物体表面单位面积上单位面积上发出的，发出的，波长在波长在附近单位波长间隔内的辐射能附近单位波长间隔内的辐射能.辐射出射度辐射出射度（辐出度辐出度）4绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线0123456（nm）1100K5绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线0123456（nm）1300K1100K6绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线0123456（nm）1500K1300K1100K7绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线0123456（nm）1700K1500K1300K1100K8由实验及理论都可以得到由实验及理论都可以得到斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律二二、斯忒藩（斯忒藩（Stefan）玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律维恩（维恩（Wien）位移定律位移定律每条曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下每条曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下的辐射出射度的辐射出射度斯忒藩常数斯忒藩常数1、斯忒藩（斯忒藩（Stefan）玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律9维恩位移定律维恩位移定律:
维恩位移定律指出维恩位移定律指出：
当绝对黑体的温度升高：
当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值向短波方向移动。
时，单色辐出度最大值向短波方向移动。
22、维恩（维恩（维恩（维恩（Wien）Wien）位移定律位移定律位移定律位移定律最大值所对应的波长为最大值所对应的波长为峰值波长峰值波长10例例假设太阳表面的特性和黑体等效，测得太阳假设太阳表面的特性和黑体等效，测得太阳表面单色辐出度的最大值所对应的波长为表面单色辐出度的最大值所对应的波长为465nm。
试估计太阳表面的温度和单位面积上的辐射功率试估计太阳表面的温度和单位面积上的辐射功率解：
解：
11三、普朗克的量子假说普朗克的量子假说普朗克公式普朗克公式瑞利瑞利瑞利瑞利（Rayleigh）-（Rayleigh）-（Rayleigh）-（Rayleigh）-金斯金斯金斯金斯（Jeans）（Jeans）（Jeans）（Jeans）经验公式经验公式经验公式经验公式维恩维恩维恩维恩（Wien）（Wien）（Wien）（Wien）经验公式经验公式经验公式经验公式问题问题：
如何从理论上找到符合实验的函数式：
如何从理论上找到符合实验的函数式？
1.经典理论的困难经典理论的困难12o（nm）123568947实验值实验值13o（nm）123568947实验值实验值维恩维恩14o（nm）123568947实验值实验值瑞利瑞利-金斯金斯紫紫外外灾灾难难15o（nm）123568947实验值实验值维恩维恩瑞利瑞利-金斯金斯紫紫外外灾灾难难162.普朗克量子假说普朗克量子假说能量子假说能量子假说
（1）组成黑体壁的分子组成黑体壁的分子、原子可看作是、原子可看作是带电的线性谐振子，可以吸收和辐射电磁波。
带电的线性谐振子，可以吸收和辐射电磁波。
（2）这些谐振子只能处于某种特殊的能量状态，它这些谐振子只能处于某种特殊的能量状态，它的能量取值只能为某一最小的能量取值只能为某一最小能量能量（称为称为能量子能量子）的整数倍，即：
的整数倍，即：
对于频率为对于频率为的谐振子最小能量为的谐振子最小能量为h称为普朗克常数，称为普朗克常数，正整数正整数n称为量子数。
称为量子数。
（nn为正整数）为正整数）17注意：
普朗克这一思想是完全背离经典物理，并受到当时许多注意：
普朗克这一思想是完全背离经典物理，并受到当时许多人的怀疑和反对，包括当时的物理学泰斗人的怀疑和反对，包括当时的物理学泰斗-洛仑兹。
乃至当洛仑兹。
乃至当时普朗克自已也想以某种方式来消除时普朗克自已也想以某种方式来消除这一关系式。
他写道：
这一关系式。
他写道：
“我试图将我试图将h纳入经典理论的范围，但一切这样的尝试都失败纳入经典理论的范围，但一切这样的尝试都失败了，这个量非常顽固了，这个量非常顽固”.后来他又说：
后来他又说：
“在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将作用量子引入到经典理论中去。
我的一些同事把这看成是悲作用量子引入到经典理论中去。
我的一些同事把这看成是悲剧。
但我有自已的看法，因为我从这种深入剖析中获得了极剧。
但我有自已的看法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处，起初我只是倾向于认为，而现在是确切地知道大的好处，起初我只是倾向于认为，而现在是确切地知道作用量子作用量子将在物理中发挥出巨大作用将在物理中发挥出巨大作用”。
事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，普朗克也成为普朗克也成为了量子力学的开山鼻祖，了量子力学的开山鼻祖，1918年因此而获得诺贝尔奖。
年因此而获得诺贝尔奖。
18振子在辐射或吸收能量振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁时，从一个状态跃迁到另一个状态。
到另一个状态。
在能量子假说基础上，普朗克得到了黑体辐射公式：
在能量子假说基础上，普朗克得到了黑体辐射公式：
这一公式称为普朗克公式这一公式称为普朗克公式,它和实验符合得很好。
它和实验符合得很好。
c光速光速k玻尔兹曼恒量玻尔兹曼恒量e自然对数的底自然对数的底19o（nm）123568947普朗克普朗克实验值实验值20M.V.普朗克普朗克研究辐射的量子研究辐射的量子理论，发现基本理论，发现基本量子，提出能量量子，提出能量量子化的假设量子化的假设1918诺贝尔物理学奖21例：
一频率为例：
一频率为=0.5HZ，振辐为振辐为A=10cm，劲度系劲度系数为数为K=3.0N/m的谐振子：
的谐振子：
X求：
量子数求：
量子数n;若若n改变一个单位，系统能量改变的百分比改变一个单位，系统能量改变的百分比若能量变化，一次减少一个能量子，一个能量子能量：
若能量变化，一次减少一个能量子，一个能量子能量：
不连续变化的比率：
不连续变化的比率：
22若每相差一能量子画一直线若每相差一能量子画一直线E宏观看宏观看是连续的是连续的由此可见可以把经典物理看成由此可见可以把经典物理看成是量子物理在量子数很大时的特是量子物理在量子数很大时的特殊情况（只有殊情况（只有n很小时，能量的不很小时，能量的不连续才显得很明显）连续才显得很明显）对应原理：
量子论对一个系统的描述，当量子数对应原理：
量子论对一个系统的描述，当量子数非常大时，即与经典物理的描述一致。
非常大时，即与经典物理的描述一致。
（1929年波尔提出）年波尔提出）事实上，第一个认识到普朗克假说的伟大意义事实上，第一个认识到普朗克假说的伟大意义的是爱因斯坦。
的是爱因斯坦。
2324Is饱饱和和电电流流光光强强较较强强IUaOU光光强强较较弱弱遏遏止止电电压压光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线光电效应实验装置光电效应实验装置OOOOOOVGAKBOOm14-2光电效应光电效应光的波粒二象性光的波粒二象性一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律252.光电子初动能和入射光频率的关系光电子初动能和入射光频率的关系1.光电流与入射光光强的关系光电流与入射光光强的关系结论结论结论结论:
单位时间内电极上逸出的光电子数和入射光单位时间内电极上逸出的光电子数和入射光单位时间内电极上逸出的光电子数和入射光单位时间内电极上逸出的光电子数和入射光光强成正比光强成正比光强成正比光强成正比.实验指出：
饱和光电流和入射光光强成正比。
实验指出：
饱和光电流和入射光光强成正比。
当反向电压加至当反向电压加至时光电流为零，称时光电流为零，称为为遏止电压遏止电压。
遏止电压的存在说明光电子具有初动能，且：
遏止电压的存在说明光电子具有初动能，且：
26和金属有关的恒量和金属有关的恒量Uo和金属无关的普适恒量和金属无关的普适恒量k实验指出：
遏止电压和入射光频率有线性关系，即：
实验指出：
遏止电压和入射光频率有线性关系，即：
oUao遏止电压与入射光频率的实验曲线遏止电压与入射光频率的实验曲线27结论：
结论：
光电子初动能和入射光频率成正比，光电子初动能和入射光频率成正比，与入射光光强无关。
与入射光光强无关。
3、存在截止频率（红限）、存在截止频率（红限）对于给定的金属，当照射光频率对于给定的金属，当照射光频率对于给定的金属，当照射光频率对于给定的金属，当照射光频率小于某一数值小于某一数值小于某一数值小于某一数值（称为红限）时，无论照射光多强都不会产生光电效（称为红限）时，无论照射光多强都不会产生光电效（称为红限）时，无论照射光多强都不会产生光电效（称为红限）时，无论照射光多强都不会产生光电效应。
应。
应。
应。
28结论结论：
光电效应的产生几乎无需时间的累积：
光电效应的产生几乎无需时间的累积因为初动能大于零，因而产生光电效应的条件是：
因为初动能大于零，因而产生光电效应的条件是：
称为红限（称为红限（截止频率截止频率）4.光电效应瞬时响应性质光电效应瞬时响应性质实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光电子出现只需要电子出现只需要的时间。
的时间。
291.按经典理论光电子的初动能应决定于按经典理论光电子的初动能应决定于入射光的光强，而不决定于光的频率。
入射光的光强，而不决定于光的频率。
经典电磁波理论的缺陷经典电磁波理论的缺陷3.无法解释光电效应的产生几乎无须无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。
时间的积累。
2.无法解释红限的存在。
无法解释红限的存在。
30二、二、光量子（光子）光量子（光子）爱因斯坦方程爱因斯坦方程爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说：
一束光是以光速一束光是以光速C运动的运动的粒粒子（称为光子）流，子（称为光子）流，光子的能量为：
光子的能量为：
一一部分转化为光电子的动能，即：
部分转化为光电子的动能，即：
金属中的自由电子吸收一个光子能量金属中的自由电子吸收一个光子能量以后，以后，一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸出功出功W，313.从方程可以看出光电子初动能和照射光的从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率频率成线性关系。
成线性关系。
爱因斯坦对光电效应的解释：
爱因斯坦对光电效应的解释：
2.2.电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积。
所以无须时间的累积。
1.1.光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。
光电流也大。
4.4.从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红限频率：
红限频率：
32几种金属的红限及逸出功几种金属的红限及逸出功钯Pd金Au汞Hg钛Ti铯Cs12.111.610.99.924802580275030365201.94.14.54.85.0金金属属红红限限逸逸出出功功（Hz）（A）c04.8=0（eV）+1014033因为：
因为：
由于光子速度恒为由于光子速度恒为c，所以光子的所以光子的“静止质量静止质量”为为零零.光子质量光子质量:
光子
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