1、第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 本次課本次課了解了解的的理解理解理解理解第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏量子理論的量子理論的三大先驅三大先驅 玻爾玻爾愛因斯坦愛因斯坦普朗克普朗克1905年年1913年年 1900年年量子概念量子概念第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏？熱輻射熱輻射實實 驗驗量子概念量子概念的誕生的誕生第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏何謂何謂熱輻射熱輻射 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏何謂熱輻射何謂熱輻射 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏何謂熱輻射何謂熱輻射火火

2、爐爐600度度1000度度400度度第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏絕對黑體絕對黑體 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏絕對黑體絕對黑體一個開有小孔的內表一個開有小孔的內表面粗糙的空腔可近似面粗糙的空腔可近似看成理想的黑體?？闯衫硐氲暮隗w。一般物體一般物體吸收吸收 反射反射 透射透射絕對黑體絕對黑體吸收吸收 輻射輻射第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏絕對黑體絕對黑體如遠處不點燈的建筑物如遠處不點燈的建筑物若室內點燈若室內點燈（自身輻射較強）（自身輻射較強）第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏絕對黑體絕對黑體一個

3、開有小孔的內表一個開有小孔的內表面粗糙的空腔可近似面粗糙的空腔可近似看成理想的黑體?？闯衫硐氲暮隗w。一般物體一般物體吸收吸收 反射反射 透射透射絕對黑體絕對黑體吸收吸收 輻射輻射整個整個熱輻射熱輻射研究可簡化為研究可簡化為黑體輻射黑體輻射的研究的研究第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏1000度度2000度度800度度熱輻射的實驗曲線熱輻射的實驗曲線)(TM 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏熱輻射規律的理論解釋熱輻射規律的理論解釋第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(T) M 熱輻射規律的理論解釋熱輻射規律的理

4、論解釋第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏1.02.0 3.04.05.0 6.0 7.08.0 9.0)(TM 熱輻射規律的理論解釋熱輻射規律的理論解釋第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 )(TM 1.02.0 3.04.0 5.0 6.07.0 8.0 9.0量子概念的誕生量子概念的誕生普朗克普朗克第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏h 量子概念的誕生量子概念的誕生 nEn 3.2.1n第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 量子概念的誕生量子概念的誕生h 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏量子概念的誕生

5、量子概念的誕生 h 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 量子概念的誕生量子概念的誕生 hnEn 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 量子概念的誕生量子概念的誕生h 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏量子理論的三大先驅量子理論的三大先驅 玻爾玻爾15愛因斯坦愛因斯坦21普朗克普朗克421905年年 1900年年量子概念量子概念第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏19051905年年 光電效應光電效應第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏h hNI WmVh 2m21 光電效應光電效應第十五章第十五章 量子物理

6、量子物理安安 宏宏WmVh 2m21 光電效應光電效應第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏光光的的本性本性是什么？是什么？ 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏h 2mc hp 2chm 光子光子第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 康普頓效應康普頓效應第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏康普頓效應康普頓效應第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏0 康普頓效應的康普頓效應的第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏00康普頓效應的康普頓效應的 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏康普頓效應的康普頓效應的波長波長的散射線的散射線波長波長的散射線的散

7、射線光子光子外外層電子層電子層電子層電子第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏康普頓效應康普頓效應第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 作業作業本本P29 一一. 1、2、3 二二. 1、7 三三. 1 、2、5第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏量子理論的三大先驅量子理論的三大先驅 玻爾玻爾15愛因斯坦愛因斯坦21普朗克普朗克421905年年1913年年 1900年年量子概念量子概念第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏何謂熱輻射何謂熱輻射 物體在任一溫度下發射從紅外線、可見光到物體在任一溫度下發射從紅外線、可見光到紫

8、外線的紫外線的連續連續的電磁波。的電磁波。第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏素材來源素材來源教學大綱教學大綱教學日歷教學日歷教師簡介教師簡介使用教材使用教材教輔資料教輔資料第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 德國物理學家，量子物理學的開德國物理學家，量子物理學的開創者和奠基人，創者和奠基人，19181918年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎金的獲得者。金的獲得者。 普朗克的偉大成就，就是創立了量普朗克的偉大成就，就是創立了量子理論，這是物理學史上的一次巨大變子理論，這是物理學史上的一次巨大變革。從此結束了經典物理學一統天下的革。從此結束了經典物理學一統天下的局面。局面。 19

9、001900年，普朗克拋棄了能量是連續年，普朗克拋棄了能量是連續的傳統經典物理觀念，導出了與實驗完的傳統經典物理觀念，導出了與實驗完全符合的黑體輻射經驗公式。在理論上全符合的黑體輻射經驗公式。在理論上導出這個公式，必須假設物質輻射的能導出這個公式，必須假設物質輻射的能量是不連續的，只能是某一個最小能量量是不連續的，只能是某一個最小能量的整數倍。普朗克把這一最小能量單位的整數倍。普朗克把這一最小能量單位稱為稱為“能量子能量子”。普朗克的假設解決了。普朗克的假設解決了黑體輻射的理論困難。普朗克還進一步黑體輻射的理論困難。普朗克還進一步提出了能量子與頻率成正比的觀點，并提出了能量子與頻率成正比的觀點

10、，并引入了普朗克常數引入了普朗克常數h h。量子理論現已成為。量子理論現已成為現代理論和實驗的不可缺少的基本理論。現代理論和實驗的不可缺少的基本理論。 普朗克由于創立了量子理論而獲得了諾普朗克由于創立了量子理論而獲得了諾貝爾獎金。貝爾獎金。 普朗克普朗克Max Karl Ernst Ludwig Planck ( 18581947)第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏二、黑體輻射實驗定律二、黑體輻射實驗定律單色反射率單色反射率 對一定波長的波，單位時間、單位對一定波長的波，單位時間、單位 面積上反射能與入射能之比面積上反射能與入射能之比 )T(r單色吸收率單色吸收率 對一定波長的波，單

11、位時間、單位對一定波長的波，單位時間、單位 面積上面積上吸收能與入射能之比吸收能與入射能之比 )T(a1)T(a)T(r絕對黑體（黑體）絕對黑體（黑體）在任何溫度下，對任何波長的輻射能在任何溫度下，對任何波長的輻射能 的的吸收率恒為吸收率恒為1 1的物體。的物體。黑黑體體模模型型 不透明的材料制成帶小孔的的空腔不透明的材料制成帶小孔的的空腔, ,可近似看作可近似看作黑體黑體。 研究黑體輻射的規律是了解一般物體研究黑體輻射的規律是了解一般物體熱輻射性質的基礎。熱輻射性質的基礎。第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏1 1、斯忒藩、斯忒藩玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律： 一定溫度下一定溫度下, ,

12、黑體的輻出度與黑體的絕對溫度四黑體的輻出度與黑體的絕對溫度四次方成正比，即次方成正比，即2 2、維恩位移公式：、維恩位移公式： 黑體輻射的峰值波長隨著溫度的增加而向著短波黑體輻射的峰值波長隨著溫度的增加而向著短波方向移動。方向移動。bTmb b為常數為常數40dT)T(M)T(MBB為常數為常數三、普朗克量子假設三、普朗克量子假設黑體輻射實驗是物理學晴朗天空中黑體輻射實驗是物理學晴朗天空中 一朵令人不安的烏云。一朵令人不安的烏云。第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏19001900年普朗克為得到與實驗曲線相符的公式，提出年普朗克為得到與實驗曲線相符的公式，提出 （1）黑體腔壁中的電子的

13、振動可看作是一維諧振子，這）黑體腔壁中的電子的振動可看作是一維諧振子，這些諧振子可以發射和吸收輻射能。些諧振子可以發射和吸收輻射能。 （2）這些諧振子只能處于某些分立的狀態，在這些狀態）這些諧振子只能處于某些分立的狀態，在這些狀態中，諧振子具有的能量只能取分立值，相應的能量是某一最小中，諧振子具有的能量只能取分立值，相應的能量是某一最小能量的整數倍，最小能量值稱為能量子，其值為能量的整數倍，最小能量值稱為能量子，其值為h能量子假設：能量子假設：普朗克根據量子假設推得絕對黑體的輻射公式普朗克根據量子假設推得絕對黑體的輻射公式：11252TkhcBehc)T(M第十五章第十五章 量子物理量子物理安

14、安 宏宏一定時間內物體輻射能量的多少，以及輻射能按波一定時間內物體輻射能量的多少，以及輻射能按波 長的分布都長的分布都與溫度有關。與溫度有關。熱輻射熱輻射 : : 由于物體中的分子、原子受到熱激發而發射電磁波由于物體中的分子、原子受到熱激發而發射電磁波 的現象。的現象。小結：小結：dd)T(M)T(M0d)T(M)T(M單色輻出度：單色輻出度：輻出度：輻出度：平衡熱輻射平衡熱輻射輻射和吸收達到平衡時，物體的溫度不再變化，輻射和吸收達到平衡時，物體的溫度不再變化， 此時物體的熱輻射此時物體的熱輻射平衡熱輻射。平衡熱輻射。絕對黑體（黑體）絕對黑體（黑體）在任何溫度下，對任何波長的輻射能在任何溫度下

15、，對任何波長的輻射能 的的吸收率恒為吸收率恒為1 1的物體。的物體。第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏斯忒藩斯忒藩玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律： 一定溫度下一定溫度下, ,黑體的輻出度與黑體的絕對溫度四黑體的輻出度與黑體的絕對溫度四次方成正比，即次方成正比，即維恩位移公式：維恩位移公式： 黑體輻射的峰值波長隨著溫度的增加而向著短波黑體輻射的峰值波長隨著溫度的增加而向著短波方向移動。方向移動。bTm40dT)T(M)T(MBB （1）黑體腔壁中的電子的振動可看作是一維諧振子，這）黑體腔壁中的電子的振動可看作是一維諧振子，這些諧振子可以發射和吸收輻射能。些諧振子可以發射和吸收輻射能。普朗克量

16、子假設：普朗克量子假設：第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 （2）這些諧振子只能處于某些分立的狀態，在這些狀態）這些諧振子只能處于某些分立的狀態，在這些狀態中，諧振子具有的能量只能取分立值，相應的能量是某一最小中，諧振子具有的能量只能取分立值，相應的能量是某一最小能量的整數倍，最小能量值稱為能量子，其值為能量的整數倍，最小能量值稱為能量子，其值為h普朗克根據量子假設推得絕對黑體的輻射公式普朗克根據量子假設推得絕對黑體的輻射公式：11252TkhcBehc)T(M第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏M （）（） 瑞利瑞利 金斯公式金斯公式(1900年年)維恩公式維恩公式(189

17、6年年) 實驗曲線實驗曲線經典物理遇到的困難經典物理遇到的困難第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏普朗克注意到在過去的理論普朗克注意到在過去的理論中，把黑體中的原子和分子中，把黑體中的原子和分子都看成可以吸收都看成可以吸收 或輻射電或輻射電磁波的磁波的諧振子諧振子，且電磁波與，且電磁波與諧振子交換能量時可以以任諧振子交換能量時可以以任一大小的份額進行，（從一大小的份額進行，（從0到到 大）。普朗克當時大膽大）。普朗克當時大膽地放棄了這一概念，提出了地放棄了這一概念，提出了能量能量只能按不連續的一份一份能量進行只能按不連續的一份一份能量進行量子概念的誕生量子概念的誕生的的吸收吸收與與輻射

18、輻射量子化量子化第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 輻射黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻輻射黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射電磁波并和周圍電磁場交換能量，但這些諧振射電磁波并和周圍電磁場交換能量，但這些諧振子只能處于某些特殊的狀態。它們的能量只能是子只能處于某些特殊的狀態。它們的能量只能是某些能量子某些能量子 的整數倍。的整數倍。nEnh 3.2.1n普朗克量子假設：普朗克量子假設：量子數量子數h = 6.63 10-34Js 稱為普朗克恒量稱為普朗克恒量具體講：輻射物體是由一些線性諧振子組成，對具體講：輻射物體是由一些線性諧振子組成，對頻率為頻率為 的諧振子，它具有的最小

19、能量是的諧振子，它具有的最小能量是h ，能具能具有有的其它能量值是的其它能量值是h 的整數倍，因此它吸收與輻的整數倍，因此它吸收與輻射的能量也只能是射的能量也只能是h 的整數倍。即能量只能是：的整數倍。即能量只能是：hh2 h3量子概念的誕生量子概念的誕生第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 JMehra 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏例例2 波長為波長為450nm的單色光射到純鈉的表面上的單色光射到純鈉的表面上. 求求 （1）這種光的光子能量和動量；這種光的光子能量和動量； （2）光電子逸出鈉表面時的動能；光電子逸出鈉表面時的動能； （3）若光子的能量為若光子的能量為2

20、.40eV，其波長為多少？其波長為多少？解解 （1）hhp （2）2k21mVE （3）hchceV2.76c/eV76. 2Wh eV48. 0nm518第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏例例3 3 光電效應實驗，已知陰極材料的逸出功光電效應實驗，已知陰極材料的逸出功W， 照射光的頻率照射光的頻率 o ， 求：求：1）紅限）紅限 o；2）遏止電壓遏止電壓U0 。解解 : 1）由愛因斯坦方程）由愛因斯坦方程Wmhm221vWh ohWo（2）2021mmeUvWeUh0)(o0ehU第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏解：解：Wmh2m21vW=W=h h 0 0 =6.63

21、 =6.631010-34-34 4.844.8410101414=2.0 (eV)=2.0 (eV)（2） 鉀的紅限波長鉀的紅限波長 0 0= c/= c/ 0 0= = 3 310108 8/(/( 4.844.8410101414)=620 (nm)=620 (nm)= 300nm= 300nm0 0 能發生光電效應能發生光電效應2210emmUv)(1)(10WhceWheU=1.77=1.77（V V）（1 1）鉀電子的逸出功鉀電子的逸出功W W：第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏例：一頻率為例：一頻率為 =0.5HZ，振輻為振輻為A=10cm，勁度系勁度系 數為數為K=3.0N/m的諧振子：的諧振子：其能量其能量)(105.11.032121222JKAE若能量