经典物理的困难.ppt
第一章 绪论,内容简介：在简单回顾和罗列经典物理困难的基础上，本章扼要的介绍了普朗克的能量量子化的概念、爱因斯坦的光量子和玻尔的量子论，以及如何利用这些量子化的假说解决经典困难。然后引入光的波粒二象性和德布罗意波。本章的许多结果，最后虽然被量子力学在更高的水平上重新给出，但本章的许多概念，即使在今天，对于物理学工作者仍然是极其重要的。,1.1 经典物理学的困难 1.2 玻尔的量子理论1.3 微观粒子的波粒二象性呛口小辣椒博客,第一章 绪论,1.1经典物理的困难,一、黑体辐射1.黑体 定义：如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。说明：(1)黑体是个理想化的模型。(2)对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。,2.热辐射 热辐射现象：任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与温度有关，故称为热辐射。热平衡现象：辐射和吸收的能量恰相等时称为 热平衡。此时温度恒定不变。,1.1经典物理的困难,1.1经典物理的困难,3.与辐射有关的物理量 单色辐出度 从热力学温度为T 的黑体的单位面积上、单位时间内、在单位波长范围内所辐射的电磁波能量，称为单色辐射出射度，简称单色辐出度，用M(T)表示。辐射出射度 在单位时间内，从热力学温度为T的黑体的单位面 积上、所辐射的各种波长范围的电磁波的能量总和，称为辐射出射度，简称辐出度。,4.黑体辐射,如图1.1所示，可以将一空腔看作黑体，当一束光线如射时，它将被完全吸收而无法逃出。当空腔与内部的辐射处于平衡时，腔壁单位面积所发射的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等。,入射光线,1.1经典物理的困难,1.1经典物理的困难,4.1 斯特藩-玻尔兹曼定律 黑体的辐出度与黑体的热力学温度的四次方成正比，这就是斯特藩-玻耳兹曼定律。,s=5.6710-8W m-2 K-4为斯特藩-玻耳兹曼常量,1.1经典物理的困难,随着黑体温度的升高，其单色辐出度最大值 所对应的波长按照 的规律向短波方向移动，即,4.2 维恩位移定理,从图1.2可看出单色辐出度最大值随温度的变化,1.1经典物理的困难,4.3 维恩公式,维恩假定了谐振子的能量按频率的分布类似于麦克斯韦速率分布律，然后用经典统计物理学方法导出了下面的公式,、为实验确定的参数,说明：维恩公式只在短波波段与实验符合，而在长波波段与实验差别较大。如图1.3,图1.3,1.1经典物理的困难,4.4 瑞利-金斯公式,说明：瑞利-金斯公式在长波波段与实验符合得很好，但在短波波段与实验有明显差异，这就是著名的“紫外灾难”。如图1.4,图1.4,1.1经典物理的困难,4.5 普朗克假说 普朗克黑体辐射公式,4.5.1 普朗克假说,1.1经典物理的困难,4.5.2 普朗克公式,在普朗克架设的基础上，按照玻尔兹曼分布律，1900年，普朗克导出公式这就是普朗克辐射公式。,1.1经典物理的困难,维恩位移定理,斯忒藩-玻尔兹曼定律,维恩公式,瑞利-金斯公式,说明：1.普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，还解释了固体的比热问题等。它成为现代理论的重要组成部分。2.从普朗克公式可导出斯特藩-玻耳兹曼定律，维恩公式，瑞利金斯公式。,1.1经典物理的困难,4.5.3 普朗克假说的意义 普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。,4.6 黑体辐射的应用,物体温度超过绝对零度时，就会向外辐射电磁波（一般是红外辐射），利用物体的这种性质，可以制作各种探测仪，探测物体性质，在军事上有重要应用。,1.1经典物理的困难,二、光电效应1.光电效应的基本概念 金属中的自由电子在光的照射下，吸收光而能逸出金属表面的现象叫光电效应，所逸出的电子叫光电子，由光电子形成的电流叫光电流，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的逸出功。当K、A之间的反向电势差等于U0时，从K逸出的动能最大的电子刚好不能到达A，电路中没有电流，U0叫遏止电压。,2.实验装置,逸出功,是截至频率,1.1经典物理的困难,光电效应的特点 1.对于一定的金属材料做成的电极，有一个确定的临界频率。当照射光频率 时，无论光的强度多大，都不会观测到电子从电极上射出。2.每个光电子的能量只与照射光的频率有关，而与光强度无关。光强度只影响光电流的强度，即单位时间内从电极面积上逸出的电子的数目。3.当入射光频率 时，不管光有多微弱，只要光照上，立刻就观测到光电子。,1.1经典物理的困难,4.经典理论遇到的困难,(1)经典认为光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动能也该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。,(2)只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为有无光电效应不应与频率有关。,(3)瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要一定的时间，即需能量的积累过程。,1.1经典物理的困难,5.爱因斯坦光电方程,1、爱因斯坦光子假说 1905年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为光束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子流叫做光量子，简称光子。在真空中，光子以光速c运动。一个频率为 的光子具有能量,1.1经典物理的困难,3、光电效应解释,a.饱和光电流强度与光强成正比：对于给定频率的光束来说，光的强度越大，表示光子的数目越多，光电子越多，电流越大。,b.临界频率的存在：当入射光频率低于临界频率，不会有光电子逸出,只有当入射光频率足够高，以致每个光子的能量足够大，电子才能克服逸出 功而逸出金属表面。所以临界频率,d.光电效应的瞬时性：当电子一次性地吸收了一个光子后，便获得了 的能量而立刻从金属表面逸出，没有明显的时间滞后。,1.1经典物理的困难,1.1经典物理的困难,四、康普顿效应,在1922年至1923年间，康普顿研究了X射线经金属、石墨等物质散射后的光谱成分，结果表明：散射的X射线中不仅有与入射线波长相同的射线，而且也有波长大于入射线波长的射线。这种现象称为康普顿效应。,1、康普顿效应的解释 在解释康普顿效应时，经典理论遇到困难，爱因斯坦的光子论却圆满地解释了它。当波长为 的X射线进入散射后，光子将要与构成物质的粒子发生弹性碰撞，进行能量和动量的传递。传递方式有两种：,1.1经典物理的困难,a.光子与点阵离子的碰撞,b.光子与自由电子的碰撞,自由电子e,入射光子v,散射光子v,利用相对论公式和能量、动量守恒定律，得到散射后光子波长的变化量为:,m0为电子的静止质量,由于光子与点阵离子发生弹性碰撞，碰撞后，散射波长不变。,1.1经典物理的困难,2.光的波粒二象性,对于光的本性的解释，历史上曾长期争论不休。而光的波动性早已被实验所证实，光的粒子性只是到了近代，才被黑体辐射、光电效应和康普顿效应以及其它试验所验证。波动性和粒子性是光的本性的不同侧面地描述。光在传播过程中表现出波的特性，而在与物质相互作用的过程中表现出粒子性。从统计观点看，光是又具有一定能量、动量和质量的微观粒子组成的，在它们运动的过程中，在空间某处发现它们的几率却遵从波动的规律。,
