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1、1,第五部分 量子物理,前言 从经典物理到近代物理概述,提纲,1 热辐射 普朗克能量子假说,热辐射,斯忒藩Stefan)-玻耳兹曼定律,维恩位移定律,绝对黑体的热辐射规律,经典物理遇到的困难,普朗克能量子假说,2 光电效应 爱因斯坦的光量子,光电效应的实验规律及经典理论的困难,爱因斯坦的光子学说,光子的能量、动量和质量,作业:1-2,1-3,1-4,第一章 能量量子化 波粒两象性 玻尔理论,实验事实,3 康普顿效应,光子学说对康普顿散射的解释,2,前言 从经典物理到近代物理概述,物理学的分支及近年来发展的总趋势,3,物理学发展的总趋向：,*学科之间的大综合。,*相互渗透结合成边缘学科。,如：生
2、物物理、生物化学、物理化学、量子化学、量子电子学、量子统计力学、固体量子论等。,19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家W汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，”“第一朵乌云出现在光的波动理论上，”“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。”,4,迈克耳孙莫雷（M M）实验“零结果”,热辐射“紫外灾难”。,1900年，Kelvin在新年的
3、祝词中把此称为是,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。,晴朗的物理学天空中出现的两朵乌云。,MM实验 相对论 黑体辐射 量子论,5,相对论 1905 狭义相对论 1916 广义相对论 引力、天体 量子力学 旧量子论的形成：1900 Planck 振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化,近代物理（20世纪）包括：,人类跨入新的世纪的时候，物理学也开始了,新的纪元从经典物理走向了近代物理。,6,1923 de Broglie 电子具有波动性 1926 27 Davisson 电子衍射实验 1925 Heisenb
4、erg 矩阵力学 1926 Schroedinger 波动方程 1928 Dirac 相对论波动方程,量子力学的建立：,量子力学 原子、分子、原子核、固体 量子电动力学（QED）电磁场 量子场论 原子核和粒子,量子力学的进一步发展：,7,“在本世纪初，发生了三次概念上的革命，它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是狭义相对论（1905）、广义相对论（1916）和量子力学（1925）。”,正如杨振宁所说（1979）：,爱因斯坦对理论物理学的影响,从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出,光电效应 康普顿效应。,黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难”。,原子的稳定性和大小。,8,1 热辐射
5、 普朗克能量子假说,实验表明：一切物体都以电磁波的形式向外辐射能量。,辐射的能量与温度有关，称之为热辐射。,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。,单色辐出度,单位时间、单位表面积上在单位波长间隔中所辐射出的的能量。,辐射出射度,单位时间、单位表面积上所辐射出的各种波长电磁波的能量。,9,吸收比,反射比,绝对黑体的热辐射规律,对于任意温度、或波长，绝对黑体的吸收比都恒为1,用不透明材料制成一空心容器，壁上开一小孔，可看成绝对黑体,对于非透明物体,10,基尔霍夫定律,这一普适函数就是绝对黑体的单色辐出度M0(,T),绝对黑体的辐射出射度,在热平衡下，任何物体的单色辐出度与吸收比之
6、比，是个普适函数。,11,斯忒藩(Stefan)-玻耳兹曼定律(实验规律一),维恩位移定律(实验规律二),实验发现：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值m 向短波方向移动。,1911年诺贝尔物理学奖获得者 维恩,12,经典物理遇到的困难,瑞利和琼斯用能量 均分定理电磁理论 得出：,只适于长波，有所谓的“紫外灾难”。,维恩根据经典热力学得出：,瑞利1904年获得诺贝尔物理学奖,13,普朗克能量子假说,*辐射物体中包含大量谐振子，其能量是取特定的分立值,*存在着能量的最小单元（能量子=h);h=6.62610-34焦耳.秒。,*振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量,从理论上推出：,分别
7、是玻尔兹曼常数和光速。,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等。它成为现代理论的重要组成部分。,14,普朗克能量子假说,普朗克的理论结果,15,2光电效应 爱因斯坦的光量子,光电效应的实验规律及经典理论的困难,实验一：饱和光电流强度与入射光强度成正比。,单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光强成正比。,相同频率，不同入射光强度,16,相同入射光强度，不同频率,实验二：光电子的初动能与入射光强度无关，而与入射光的频率有关。,截止电压Uo 的大小反映光电子初动能的大小,截止电压与入射光频率有线性关系,17,光电效应具有瞬时性，或说响应速度很快，10-9秒。,
8、第三个实验事实：,*经典认为光强越大，饱和电流应该大，光电子的 初动能也应该大。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。,经典理论的困难：,*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该与频率有关。,*瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收 能量要时间，即需能量的积累过程。,18,爱因斯坦的光子学说,爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论：,认为光不仅在与物质相互作用时（发射和吸收），具有粒子性，而且在传播过程中也有粒子性。,一个频率为 的光子具有能量,它的能流密度 不仅取决于单位面积上的
9、光子数 n，还决定于频率。,由能量守恒可得出：一个电子逸出金属表面后的最大动能：,A 称为逸出功。只与金属性质有关。与光的频率无关。,19,由此可解释饱和光电流强度与光强成正比；可以解释截止电压与频率成线性关系以及红限频率的存在。,截止电压：,红限频率：,20,光子的能量、动量和质量,密立根1916年的实验，证实了光子论的正确性，并求得h=6.5710-34 焦耳秒。光的波动性（）和粒子性（p）是通过普朗克常数联系在一起的。,相对论质能关系：,光子的质量：,所以，光子的静止质量为零,因为：,光子的动量：,21,3 康普顿效应,实验事实,X射线7.1nm,探测器,A1 A2,W,B,S,石墨晶体
10、,准直系统,散射角,0,正常散射,波长变长的散射称为康普顿散射,22,*波长的增加量 与散射角 有关。,实验结果：,*当散射角 确定时，波长的增加量 与散射物质的 性质无关。,*康普顿散射的强度与散射物质有关。原子量小的散射物质，康普顿散射较强，即正常峰较低。反之相反。,经典电磁理论只能说明有正常散射存在，即散射光的频率与入射光频率相等。,而无法解释有 的存在及其所存在的康普顿效应的实验规律。,23,光子学说对康普顿散射的解释,电子的相对论质量：,系统能量守恒：,系统动量守恒：,自由电子热运动的平均动能约百分之几eV与入射X光的能量(104105eV)相比,可略.,24,（1)2(2)c2 得出：,（4）,将（4）带入（3）式：,（3）,（5）,25,（6）,（7）,康普顿波长,（7）式说明了 与散射物质无关。,康普顿散射进一步证实了光子论，证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒两象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。,（5）,
