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高中物理竞赛辅导参考资料之22_图文

量子力学的实验基础 本章内容 黑体辐射 radiation of black body Contents chapter 22 光电效应与康普顿效应 photoelectric effect and Compton effect 氢原子光谱的实验规律 experiment law of atomic spectrum 物质的波粒二像性 wave-particle dualism of matter 四个主要内容 主要内容 第一节 22-1 radiation of black body 热辐射 定性图述 单色辐出度 辐出度 一般辐射的复杂性 黑体 黑体实验模型 黑体辐射测量 黑体(小孔表面) 分光元件 集光透镜 平行光管 会聚透镜及探头 分光元件(如棱镜或光栅等)将不同波长的辐射按一 定的角度关系分开,转动探测系统测量不同波长辐射的强 度分布。再推算出黑体单色辐出度按波长的分布。 黑体辐射规律 MBl ( T ) 黑 体 的 单 色 辐 出 度 斯特藩-玻耳兹曼定律 -4 s = 5.67×10 - 8 W· m - 2· K 维恩位移定律 b = 2.898 ×10 - 3 m · K 波长 l 0 1 2 3 4 5 6 10- 6 m 但沿用经典物理概念(如经典电磁辐射理论和能量均分定 理)去推导一个符合实验规律的黑体单色辐出度函数 均遇到困难。其中一个著名的推导结果是 (瑞利—金斯公式) 当 则 经典物理概念竟然得出如此荒唐的结论,物理学史上称 黑体辐射问题所处的困境成为十九世 之为 “ 紫外灾难 ” 。 末“物理学太空中的一朵乌云”,但它却孕育着一个新物理 概念的诞生。 时,即波长向短波(紫外)方向不断变短时, 紫外灾难 普朗克公式 1900年10月19日,德国物理学家普朗克提出了一个 其波长表达式为 描述黑体单色辐出度分布规律的数学公式, 光在真空中的速率 普朗克常量 玻耳兹曼常量 J ·s 数值为 6.63×10 - 34 并很快被检验与实验结果相符。 MBl ( T ) 4 10 W 11 m -2 理论曲线 m -1 普朗克的黑体 单色辐出度函数及曲线线 MBl (T) = 2phc 2 l 5 3 e kl T hc 1 1 2 1 0 波长 l 0 1 2 3 4 5 10- 6 m 1900年12月24日,普朗 克在《关于正常光谱的能量分布定律的理论》 一文中提出能量量子化假设,量子论诞生。 能量子假设 组成黑体腔壁的分子或原子 可视为带电的线性谐振子; 这些谐振子和空腔中的辐射场 相互作用过程中吸收和发射的能 量是量子化的,只能取一些分立 值:e , 2 e , ,n e ; 频率为n 的谐振子,吸收和发 射能量的最小值 e = h n 称为 能量子(或量子) h = 6.63×10 - 34 J ·s 称为普朗克常量 黑体例一 2.898×10 490 nm 5.91×10 3 ( K ) _3 _ 490×10 9 5.67×10 ×(5.91×10 3 )4 _2 7 6.92×10 ( W ·m ) _8 黑体例二 2.898×10 -3 m ·K 4.965 4.965 4.965 2.898×10 -3 m ·K 黑体例三 黑体例四 5.6705×10 -8 W· m-2 · K-4 5.6705×10 -8 W· m-2 · K-4 第二节 22-2 photoelectric effect and Compton effect 爱因斯坦与康普顿 1905年提出光量子(光子) 理论,成功解释光电效应。 1923年用X射线通过石墨的散射实 验进一步证明光的粒子性。光子与 电子碰撞服从能量及动量守恒定律。 光电效应实验 光束射到金属表面使 电子从金属中脱出的现 象称为光电效应。 频 率 相 同 饱和光电流 光强较强 饱和光电流 光强较弱 U = - Ua 时 i = 0 即光电子恰 被遏止,不能到达阳极。光电子 最大初动能可用遏止电势差与电 子电荷乘积的大小来量度。 光束射到金属表面使 电子从金属中脱出的现象 称为光电效应。 频 率 相 同 饱和光电流 光强较强 饱和光电流 光强较弱 实验基本规律 U = - Ua 时 i = 0 光 即光电子 恰被遏止,不能到达阳极。光电子 最大初动能等于 反向电场力的功 即 光电子最大初动能随入射光频 率增大而线性增大,与光强无关。 轴截距 称为截止频率或 红限, ,入射光频 率小于截止频率时无论光 强多 遏止电势差的大小与入射光 大都不能产生光电效应。每种 的频率成线性关系,与光强无关。 金属有自己的截止频率。 与材料 无关的普适常量 与材料 有关的常量 饱和光电流与光强成正比。 在饱和状态下,单位时间由阴极 发出的光电子数与光强成正比。 时无论光强多弱, 光照与电子逸出几乎同时发生。 波动理论的困难 光量子理论 光子能、质、动量式 光电效应方程 红限、逸出功数据表 某些金属和半导体的截止频率(红限)及逸出功 金 截止频率 逸出功 属 14 (10 Hz) (eV) 金 截止频率 逸出功 属 14 (10 Hz) (eV) 銫 Cs 銣 Rb 钾 K 钠 Na 锑 Sb 钙 Ca 锌 Zn 铀 U 4.69 5.15 5.43 5.53 5.68 6.55 8.06 8.76 1.94 2.13 2.25 2.29 2.35 2.71 3.34 3.63 铝 Al 硅 Si 铜 Cu 9.03 9.90 10.80 3.74 4.10 4.47 钨 W 锗 Ge 硒 Se 银 Ag 铂 Pt 10.97 11.01 11.40 11.55 15.28 4.54 4.56

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