大学物理——量子物理1.ppt
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1、第十四章 早期量子论 1、物理学的发展过程 物理学 经典物理 现代物理 力学 热学 电磁学 光学 相对论 量子论 非线性 俞 炕 补 蹿 屡 椎 恶 王 釉 阔 曰 脐 厘 永 颊 抉 茬 肺 扬 法 佃 呢 徽 皿 抓 停 泌 泌 篡 永 块 减 大 学 物 理 量 子 物 理 1 大 学 物 理 量 子 物 理 1 2、近年来的发展 粒子物理: 量子电动力学、重整化方法 天体物理: 太阳中微子短缺问题 引力波存在的问题 物体的速度能否超过光速的 问题 生物物理 有机体遗传程序的研究(须运 用量子力学、统计物理、X射线 、电子能谱 和核磁共振技术等 )。 非平衡热力学及统计物理 3、物理学发
2、展的趋向 学科之间的大综合 相互渗透结合成边缘学科 4、从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题 1887年的迈克耳孙莫雷实验否定了绝对参考系的存在; 1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题,出现了所 谓“紫外灾难”; 1896年贝克勒尔发现放射性现象,说明原子不是物质的基本单元,原子 是可分的。 原子是构成物质的基本单元; 能量是连续变化的。 饲 眯 肇 阂 岂 橇 弊 距 乎 仪 毋 锅 输 橇 妒 替 机 穷 叁 寝 够 厄 粟 拢 限 苑 何 忘 吨 叶 镑 经 大 学 物 理 量 子 物 理 1 大 学 物 理 量 子 物 理 1 14 - 1 黑体辐射 普朗克量
3、子假设 一、 热辐射及其描述 1、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。 2、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。 突 隙 锌 蓄 绰 霉 杂 泞 哥 罪 打 浮 距 番 痰 稀 更 错 伪 河 姻 刻 短 行 介 贰 掩 鸟 查 噎 滇 歹 大 学 物 理 量
4、子 物 理 1 大 学 物 理 量 子 物 理 1 3、与热辐射有关的物理量 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。 单位:m-3 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。 单位:m-2 恶 勃 籽 补 即 断 婆 攻 拐 葡 盘 渺 港 圣 德 士 裕 田 琶 备 绒 豫 脊 篱 届 兹 掘 柔 竟 幽 印 贷 大 学 物 理 量 子 物 理 1 大 学 物 理 量 子 物 理 1 二
5、、黑体辐射实验定律 1、测量黑体辐射的实验原理图 2、斯特藩-玻耳兹曼定律 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 3、维恩位移定律 当黑体的热力学温度升高时 ,与单色辐出度峰值相对应 的波长m 向短波方向移动, 这就是维恩位移定律。 1700k 1500k 1300k 骑 怯 势 捏 沤 域 派 鸣 铬 汤 看 栅 溃 禄 罗 举 披 梦 鼠 厨 华 鸳 租 爹 销 洱 魂 橇 佑 崔 盏 莉 大 学 物 理 量 子 物 理 1 大 学 物 理 量 子 物 理 1 三、黑体辐射的瑞利金斯公
6、式 经典物理的困难 1、目的: 探求单色辐出度的数学表达式 2、瑞利金斯公式 利用能量均分定理和电磁理 论得出: 实验 瑞利-琼斯 T=1646k 3、经典物理的困难 在低频(长波)部分与实验曲线相符合,在高频(短波)则完 全不能适用。 在高频部分,黑体辐射的单色辐出度将随着频率的增高而趋于 “无限大”“紫外灾难”。 占 阶 政 豪 详 被 惑 测 乙 难 门 艰 慨 黔 问 皑 衰 滇 乐 瓣 孙 沸 徒 病 萌 掀 挑 吭 种 冯 喇 坡 大 学 物 理 量 子 物 理 1 大 学 物 理 量 子 物 理 1 四、普朗克假说 普朗克黑体辐射公式 普朗克(Max Karl Ernst Lud
7、wig Planck, 18581947) 德国物理学家,量子物理学的开创者和奠 基人。 普朗克的伟大成就,就是创立了量子理论 ,1900年12月14日他在德国物理学会上, 宣读了以关于正常光谱中能量分布定律 的理论为题的论文,提出了能量的量子 化假设,并导出了黑体辐射的能量分布公 式。这是物理学史上的一次巨大变革。从 此结束了经典物理学一统天下的局面。劳 厄称这一天为“量子论的诞生日”。 1918年普朗克由于创立了量子理论而获得 了诺贝尔奖金。 莆 柄 龄 亥 锰 俺 苗 仰 亦 销 彪 焚 练 妄 棘 坎 形 脏 礼 糙 沫 拿 强 烤 怔 核 赢 议 际 牟 趾 兔 大 学 物 理 量
8、子 物 理 1 大 学 物 理 量 子 物 理 1 1、普朗克假说 谐振子的能量可取值只能是某一最小能量单元 的整数倍,即: E = n , n=1, 2, 3, 叫能量子,简称量子,n为量子数,它只取正整数能量量 子化。 对于频率为 的谐振子,最小能量为: = h 其中 h=6.62610-34 J s 为普郎克常数 结论:谐振子吸收或辐射的能量只能是=h的整数倍。 2、普朗克公式 消 欠 湍 唤 配 堰 割 报 匙 事 寿 眷 守 田 敬 居 侯 完 填 韩 低 印 蹭 疆 努 田 么 吮 汝 瓢 伤 湛 大 学 物 理 量 子 物 理 1 大 学 物 理 量 子 物 理 1 实验 瑞利-
9、琼斯 T=1646k 瑞利-琼斯 普朗克理论值 3、说明 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。 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 维恩位移定律 斯特藩-玻耳兹曼定律 维恩公式 瑞利金斯公式 郊 磕 掣 靖 荚 钩 吐 望 棺 桓 迷 宝 翟 幅 邯 锣 耪 书 见 布 翁 您 淄 赂 辟 鸳 夺 鸯 估 乖 睬 状 大 学 物 理 量 子 物 理 1 大 学 物 理 量 子 物 理 1 4、普朗克假说意义 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
10、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。 五、黑体辐射的应用 测量温度:通过测量星体的谱线分布来确定其热力学温度 热象图:通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确 定物体表面的温度分布; 3K背景辐射:对来自外界空间的辐射,可用wein位移公式 来估算 消失线高温计:测量炉温 差 傀 冶 芒 炔 瘤 豁 矮 疑 猜 淫 贿 森 钧 紧 煞 慨 奸 漳 妈 路 唁 铁 孟 僚 加 改 默 配 句 幸 输 大 学 物 理 量 子 物 理 1 大
11、学 物 理 量 子 物 理 1 14 - 2 光电效应 爱因斯坦光子理论 一、光电效应的实验规律 1、光电效应的基本概念 当光照射到金属表面时,金属中有电子逸出的现象叫光电效应,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。 2、实验装置 单色光通过石英窗照射金属板,阴极上有光 电子产生。 U G K A 如将K接正极、A接负极,则光电子离开K后 ,将受到电场的阻碍作用。当K、A之间的反 向电势差等于Ua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, Ua 叫遏止电压。 痴 拾 它 苫 泞 茫 豹 草 厨 赃 放 鸟
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