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1、13.1.1 黑体辐射和 普朗克的能量子假设,1. 热辐射的基本概念,组成一切物体的分子都包含带电粒子，而分子的热运动将导致物体向外不断的发射电磁波. 因这种辐射与温度有关，故称之为热辐射.,高温物体发出的是紫外光；,炽热物体发出的是可见光;,低温物体发出的是红外光.,平衡、,平衡热辐射（温度是固定的）,黑体既是最好的吸收体，也是最好的辐射体.,2. 黑体概念的引入,投射到物体表面的电磁波可能被吸收，也可能被反射和透射. 能够全部吸收各种波长的电磁辐射能而不发生反射和透射的物体称为黑体.,黑体是研究热辐射的一个中心问题.,黑体辐射: 空腔中的电磁辐射.,注意：,(1) 黑体并不是看不见的物体；
2、,(2)黑体在常温下是很暗的物体；,(3)黑体在高温下是很亮的物体.,单位时间内，从温度为T 的物体表面单位面积上辐射的、波长在 到 范围内的辐射能量 与波长间隔 的比值.,3. 单色辐射出射度,通过实验得到了黑体辐射的曲线如下:,4. 经典物理学所遇到的困难,1896年据热力学理论及实验数据的分析而得的维恩公式, 在短波区符合的很好, 而在长波区差异很大, 故形象的称为“红外灾难”,如何从理论上导出黑体的单色辐出度的数学表达式，使其与实验曲线符合，是19世纪末物理学中的两大难题之一.,1900年据经典电动力学和统计物理学理论推导而得的瑞利-金斯公式,在长波区符合的很好, 而在短波区差异很大,
3、 故形象的称为“紫外灾难”,5. 普朗克的能量子假设,普朗克公式:,为了从理论上得到上述公式普朗克提出了能量子假设,其核心可归结为:,普朗克公式是1900年总结而得到的纯经验公式. 获1918年诺贝尔奖.,对于一定频率 的电磁辐射，物体只能以 h 为单位发射和吸收它. h 称为普朗克常量.,13.1.2 光电效应和爱因斯坦光子假设,1. 光电效应及其实验规律,光电效应,光电子,光电流,光电效应的实验装置,光电效应是由赫兹发现的，当汤姆逊发现了电子之后，勒纳才证明了所发出的带电粒子是电子.,（1）遏止电压,（2）红限频率,（3）延迟时间,（4）光电流 I,2. 经典物理学所遇的困难,光电效应的发
4、生与入射光的频率有关且瞬间完成. 这是经典物理学所无法解释的.,3. 爱因斯坦的光量子论,爱因斯坦认为，辐射场是由光量子所组成，每个光量子的能量与辐射频率的关系为：,光量子的动量与辐射频率的关系为：,逸出功,爱因斯坦光电效应方程,它成功地解释了经典物理学在解释光电效应时所遇的困难，爱因斯坦因光电效应于1921年获诺贝尔奖.,光量子的质量与辐射频率的关系为：,所以由能量守恒定律得,4. 光量子论的实验证实康普顿效应,伊夫于1904年发现了 射线的散射,康普顿1904年研究了 和X 射线的散射,光被物质散射后波长改变的现象称为康普顿效应.,康普顿效应的意义在于，它不仅证明了光的粒子性，而且还证明了
5、在微观范围内动量和能量守恒定律仍成立.,分析碰撞机制可知：碰撞过程中能量和动量均守恒.,康普顿波长(Compton wavelength),康普顿因发现此效应于1927年获诺贝尔奖.,13.1.3 原子结构与原子光谱 玻尔的量子论,1. 原子的核式结构,汤姆孙模型,卢瑟福模型,伦琴,贝克勒耳,e 汤姆孙,卢瑟福模型（1911）,盖革和马斯顿实验检验（1913）,粒子散射（1909）,原子光谱是研究原子结构的一种重要手段.,按照原子的卢瑟福模型，原子是由原子核和核外电子组成，电子绕着原子核在高速旋转，那么将出现原子坍缩. 但原子是稳定的. 这样经典物理遇到了不可克服的困难.,2. 原子光谱,原子
6、的辐射是由一定的频率成份构成的特征光谱，这些特征光谱是一条条离散的线状谱，它只决定于原子本身，所以称其为原子光谱.,氢原子光谱的实验装置,氢原子光谱巴耳末系谱线图,氢原子光谱的实验结果分析,存在一个界限称之为线系限,波长小于线系限部分,有一段连续紫外光谱.,红端谱线稀,紫端谱线蜜,紫外更蜜;,从红光到紫光有一系列分立的谱线;,巴耳末公式,广义巴耳末公式,Lyman series,Balmer series,Paschen series,Brackett series,Lyman series,紫外区,红外区,可见光,经典电动力学无法解释原子的线状谱!,3. 玻尔的量子论,为了解决经典电动力学无
7、法解释原子线状谱这一问题，玻尔提出了三条假设：,(1)定态(stationary state)假设,(2)跃迁(transition)假设,(3)角动量(angular momentum)量子化假设,根据这三条假设，及经典理论玻尔求出了氢原子的能级公式,氢原子光谱线的波数为：,玻尔的量子论不仅成功地揭开了“巴耳末公式之迷”，而且他首次打开了人们认识原子结构的大门，更重要的是为量子物理的建立奠定了坚实的基础. 但他还是存在严重的缺陷.,理论本身仍是以经典理论为基础；,电子处于定态时不辐射又和经典理论相抵触；,量子化条件的引入没做具体地解释；,对谱线强度、宽度、偏振等问题无法处理.,13.1.4
8、例题分析,1.已知铝的逸出功为4.2eV，今用200nm的光照射铝的表面，求：（1） 光电子的最大动能；（2）遏止电压；（3）铝的红限波长.,解（1）由爱因斯坦光电效应方程可得光电子的最大动能为,（2）由遏止电压与最大动能的关系 可得遏止电压为,（3）由红限波长与红限频率的关系及铝的红限波长与逸出功的关系 可得铝的红限波长为,2. 在康普顿散射中，设入射光子的波长为0.003nm ，今测得反冲电子的速度为0.6c（c为真空中的光速），求散射光子的方向及波长.,解 设电子的动质量与静质量分别为m 和 ，在散射中电子增加的能量为,由于电子能量的增加等于光子能量的减少，因此有,所以散射光的波长为,代入已知数据可得散射光与入射光方向之间的夹角为,3. 在基态氢原子被外来单色光激发后发出的巴耳末线系中，观察到了波长较长的两条谱线. 试求这两条谱线的波长和外来光的频率.,解 由于在巴耳末线系中观察到的是波长较长的两条谱线，因此只能是第3能级跃迁到第2能级和第4能级跃迁到第2能级产生的谱线.所以,
