单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,21-1,引 言,十九世纪末，,经典物理,已发展得相当成熟，人们认为，对物理现象本质的认识已经完成。,海王星的发现,和,电磁理论对波动光学的成功解释，,更使人感到经典物理似乎可以解决所有问题,.,。当时很多物理学家都认为,：物理学的大厦已基本建成，后辈物理学家只要做些修补工作就行了。,然而在人类即将跨入,20,世纪的时候，却发现了某些无法用经典理论解释的实验现象：,M,M,实验“零结果”,热辐射“紫外灾难”。,1900,年，,Kelvin,在新千年的祝词中把此称为是,晴朗的物理学天空中出现的“两朵乌云”。,这些矛盾迫使人们跳出传统的物理学框架，去寻找新的解决途径。,21-1 引 言 十九世纪末，经典,1,人类跨入,20,世纪的时候，物理学也开始了新的纪元,从经典物理走向了近代物理。,量子概念是,1900,年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史,.,其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到,20,世纪,30,年代，就建立了一套完整的量子力学理论,.,黑体辐射实验,量子理论诞生,迈克尔逊干涉仪实验,相对论诞生,人类跨入20世纪的时候，物理学也开始了新的纪元,2,-,热能传递的重要方式之一。,一、,热辐射,一个具有一定温度的物体，受热就会发光，热量（或热能）会向四面八方发射,-,辐射。温度越高辐射能量越多，称为,热辐射。,1.,热辐射的特点,热辐射的实质是电磁辐射,温度不同时,辐射的波长（或频率）也不同。,任何一种物质不仅能发射热辐射，同时还能吸收热,辐射，两者同时进行。,吸收本领强的物质发射本领也强。,21-2.,普朗克的能量子假说,低温物体发出的是,红外光，,炽热物体发出的是,可见光，,极高温物体发出的是,紫外光。,-热能传递的重要方式之一。一、热辐射 一个具,3,红外照相机拍摄的人的头部的,热图,热的地方显白色，冷的地方显黑色,红外照相机拍摄的人的头部的热图 热的地方显白色，冷的地,4,维恩设计的黑体,2.,黑体：,能,完全,吸收,各种波长电磁波,而无反射的物体，,黑体是理想化模型，,小孔空腔,即使是煤黑、黑珐琅对太阳光的,吸收,也小于,99%,。,电磁波射入小孔后，很难再从小孔中射出。,单位时间内，从物体单位表面发出的频率,在,附近单位频率间隔内,的电磁波的能量。,单色辐出度,M,：,辐出度,温度,T,时单位时间内、单位面积整个频率范围内的辐射出能量。,3.,热辐射的描述方法,描写物体辐射本领的物理量。,维恩设计的黑体 2.黑体：能完全吸收各种波长电磁波而无反射,5,二,.,黑体辐射谱（,M,关系）,的规律,1.,黑体辐射测量的实验装置,会聚透镜,黑体,平行光管,棱镜,热电偶,测,M,(T),2.,黑体辐射谱的实验规律,0 4 8,10,5,6000K,3000K,不同温度下的黑体辐曲线如图,19,世纪末，许多物理学家欲从理论上导出 黑体的单色辐射出度,M,和,的关系式。,二.黑体辐射谱（M 关系）的规律 1.黑体辐射测量的,6,三,.,经典物理学遇到的困难,著名公式之一：,维恩公式,1896,年,维恩,从热力学理论及实验数据的分析得,:,，,为常量,1911,年诺贝尔物理学奖获得者,维恩,德国人,1864-1928,热辐射定律的发现,维恩公式在高频段与实验曲线符合得很好，,但在,低频段明显偏离实验曲线。,维恩公式,实验曲线,10,-14,Hz,6,5,4,3,2,1,0,M,(10,-9,W/(m,2.,H,Z,),1 2 3,三.经典物理学遇到的困难 著名公式之一：维恩公式1896,7,著名公式之二：,瑞利,金斯公式,1900,年,瑞利,和,金斯,从经典电动力学和统计物理学理论（能量均分）推导得,:,1904,年诺贝尔物理学奖获得者,瑞利,英国人,1842-1919,实验曲线,10,-14,Hz,6,5,4,3,2,1,0,M,(10,-9,W/(m,2.,H,Z,),1 2 3,瑞利,-,金斯公式,“,紫外灾难”！,该公式在低频段与实验曲线符合得很好。,但在,高频段不符。,著名公式之二：瑞利 金斯公式 1900年瑞利和金斯从,8,10,-14,Hz,6,5,4,3,2,1,0,M,(10,-9,W/(m,2.,H,Z,),T,=2000K,实验曲线和普朗克公式,维恩公式,瑞利,金斯公式,1 2 3,由经典理论导出的,M,(,T,),公式都与实验曲线不完全符合！,这正所谓是,“物理学晴朗天空中的一朵乌云,!”,10-14Hz6M(10-9W/(m2.HZ)T,9,1900,年德国物理学家普朗克为了得到与实验曲线相一致的公式，,摒弃了经典物理能量连续概念，,提出了一个与经典物理学概念截然不同的,“,能量子,”,假设,.,四,.,普朗克的量子论的诞生,普朗克公式,该公式在全波段与实验结果惊人地符合！,他指出：,辐射物质中存在着带电谐振子，这些谐振子吸收或辐射的能量是,间断的不连续,的，辐射,“能量子”,的能量,普朗克由此导出了的辐射公式,1900年德国物理学家普朗克为了得到与实验曲线相一致的,10,普朗克公式的得出，是理论和实验结合的典范。,量子论是不附属于经典物理的,全新的理论，,它的发展在此后又经过了十几年的曲折和反复。,1918,年,Planck,60,岁时获得了,诺贝尔物理奖。,1900.12.14.,Planck,把,“关于正常谱中能量分布的理论”,的论交到了德国自然科学会，这一天后来被定为,“量子论的诞生日”,。,普朗克,德国人,(1858-1947),发现能量子,普朗克公式的得出，是理论和实验结合的典范。量子论是不,11,一 光电效应实验的规律,1.,实验装置,2.,实验规律,红限频率（截止）,几种纯金属的,截止,频率,仅当,0,时,才发生光电效应，截止频率与,材料有关,与,光强无关,.,金属,截止频率,4.545,5.50,8.065,11.53,铯 钠 锌 铱 铂,19.29,光电子在电场作用下形成,光电流,。,光电效应：,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,“光电子”。,21-3,爱因斯坦的光量子假说,-,光电效应,A,V,一 光电效应实验的规律1.实验装置2.实验规律红限频率（截,12,遏止电压,U,0,:,加反向电压，当电压达到某一值,U,0,时，光电流恰为,0,。,U,0,叫遏止电压,瞬时性,遏止电压与入射光频率具有线性关系,.,与光强无关。,当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出,光强度大,光强度小,光电流与光强的关系,不变,一定时，电流饱和值 与入射光的强度成正比,光电子的最大初动能随入射光频率的增加而线性增大，,与光强无关。,遏止电压U0:加反向电压，当电压达到某一值 U0 时，光,13,按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有,一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属,表面为止,.,与实验结果不符,.,3.,经典理论遇到的困难,红限问题,瞬时性问题,按经典理论,无论何种频率的入射光,只要其强度,足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属,.,与实,验结果不符,.,光电子初动能,只与光频率,成正比，而与入射光强无关,无法解释,。,按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有3.经典理,14,二、爱因斯坦的光量子理论,每个光子能量,当普朗克还在寻找他的能量子的经典理论的根源时，爱因斯坦却大大发展了能量子的概念。,1.,爱因斯坦光量子假设（,1905,）：,一束光就是以速率,c,运动的粒子,组成的粒子,流，这些粒子叫,光量子,（简称,光子,）,。,光强,N,：光子数,(,流通,),量,2.,爱因斯坦,光电效应方程,在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗为电子逸出功,A,，另一部分变为光电子的动能。,二、爱因斯坦的光量子理论每个光子能量 当普朗,15,逸出功,产生光电效应条件条件,光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电子数目越多，饱和光电流越大,.,（,0,时）,光子射至金属表面，一个光子携带的能量,h,将一 次性被一个电子吸收，若,0,，电子立即逸出，无需时间积累（,瞬时,性）,.,3.,光子理论对光电效应的解释,对同一种金属，,A,一定，,E,k,，与光强无关,.,光强度大,光强度小,不变,当,h,A,时 不发生光电效应,逸出功产生光电效应条件条件 光强越大，光子数目越多，即单位,16,例,1,波长为,450nm,的单色光射到纯钠的表面上,.,求,（,1,）,这种光的光子能量和动量；,（,2,）,光电子逸出钠表面时的动能；,（,3,）,若光子的能量为,2.40eV,，其波长为多少？,解,（,1,）,（,2,）,（,3,）,(,逸出功,A=2.28eV,),例1 波长为450nm的单色光射到纯钠的表面上.求（1）这,17,例,2.,铝表面电子的逸出功为,6.7210,-19,J,，今有波长为,l,=2.010,-7,m,的光投射到铝表面上试求：,（,1,）由此产生的光电子的最大初动能；,（,2,）遏止电势差；,（,3,）铝的红限波长,产生的光电子的最大初动能为,解,（,1,）光子的能量为,根据爱因斯坦光电效应方程,E,k,=h A,=3.2310,-19,(J),E=h=hc/,l,h,=E,k,+A,（,2,）遏止电势差为,U,0,=E,k,/e,=2.0,(V),e U,0,=E,k,（,3,）铝的红限频率为,0,=,A/h,，,红限波长为,l,0,=,c/,0,=,hc/A,=2.9610,-7,(m),例2.铝表面电子的逸出功为6.7210-19J，今有波长为,18,例,3.,用波长,l,=410 nm,的单色光照射某金属表面，若产生的光电子的最大动能,E,k,=1.00eV,，试求能使该金属发生光电效应的入射光的最大波长是多少？,例3.用波长 l=410 nm 的单色光照射某金属表面，若,19,4.,光电效应在近代技术中的应用,光控继电器、自动控制、,自动计数、自动报警等,.,放大器,接控件机构,光,光控继电器示意图,4.光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、放大器接,20,三、光的波粒二象性,描述光的,粒子性,描述光的,波动性,光子,相对论能量和动量关系,（,2,）,粒子性：（光电效应等）,（,1,）,波动性：,光的干涉和衍射,三、光的波粒二象性描述光的 描述光的 光子 相对论能量,21,例,1,：,已知某金属的逸出功为,A,，用频率为,1,的光照射能产生光电效应，则该金属的红限频率,o,=,_,，且遏止电势差,U,a,=,_,。,例,2,：,金属的光电效应的红限频率依赖于：,(,A,),入射光的频率。,(,B,),入射光的强度。,(,C,),金属的逸出功。,(,D,),入射光的频率和金属的逸出功。,例,3,：,设用频率为,1,和,2,的两种单色光，先后照射同一种金属均能产生光电效应。已知金属的红限频率为,o,，测得两次照射时的遏止电压,U,a2,=,2,U,a1,，则这两种单色光的频率有如下关系：,(A),2,=,1,o,。,(B),2,=,1,+,o,。,(C),2,=,2,1,o,。,(D),2,=,1,2,o,。,C,A/h,(h,1,-A)/e,C,例1：已知某金属的逸出功为A，用频率为1的光照射能产生光电,22,例,4,：,以一定频率的单色光照射在某种金属上，测出其光电流曲线在图中用实线表示。,保持照射光的强度不变，增大频率；测出其光电流曲线在图中用虚线表示。满足题意的图，是,_,。,I,I,I,I,o U o U o U o U,(A)(B),(C)(D),I,I,I,I,O U,O U,O U,O U,(A)(B)(C)(D),保持照射光的频率不变，增大强度。测出其光电流曲线在图中用虚线表示。满足题意的图，是,_,。,例4：以一定频率的单色光照射在某种金属上，测出其光电流曲线在,23,例,5,：,关于光电效应有下列说法中正确的是,_,。,(1)