早期量子理論熱輻射光電效應第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五2近代物理學概論近代物理學，大體說來，是相對于20世紀以前，以牛頓力學、熱力學和麥克斯韋電磁學為核心的經典物理學而言的。近代物理學的研究對象，包括各種聚集態物質的微觀結構，原子、原子核、基本粒子、等等各個層次內部結構以及它們的相互作用和運動變化的規律等。它的兩大支柱是相對論和量子力學。第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五3近代物理（20世紀）

相對論

1905

狹義相對論

1916

廣義相對論－引力、天體

量子力學

A舊量子論的形成（沖破經典－量子假說）

1900Planck

振子能量量子化

1905Einstein

電磁輻射能量量子化

第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五4

1913N.Bohr

原子能量量子化B、量子力學的建立（嶄新概念）

1923deBroglie

電子具有波動性

1926-27Davisson,G.P.Thomson

電子衍射實驗

1925Heisenberg

矩陣力學

1926Schroedinger

波動方程

1928Dirac

相對論波動方程第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五5

C、量子力學的進一步發展（應用、發展）量子力學原子、分子、原子核、固體量子電動力學(QED)電磁場量子場論原子核和粒子

進一步認識的問題．．．．第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五6本課程的主要教學內容：量子理論的基本概念量子力學解決問題的基本思路和方法對象的特點：

1)微觀：對象線度小活動范圍小米2)粒子除了具有粒子性還具有明顯的波動性3)粒子的能量角動量等物理量取值分立

完全脫離了經典物理的模式第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五7講課思路：1)突破性的實驗

實驗規律（應掌握）經典理論的困難

假設

確立新理論2)實物粒子的波粒二象性及量子力學解決問題的基本方法3)證明量子理論的一些重要實驗（應掌握）4)量子力學的應用舉例第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五8

敲開量子物理大門的首要問題是關于光的本質的認識光具有波動性已被大量實驗證明但與物質相互作用的大量實驗使經典的波動理論遇到無法克服的困難論述由此展開第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五9

量子物理初步§1熱輻射和普朗克的能量子假說§2光電效應和愛因斯坦的光量子論§3德布羅意波與電子衍射實驗§4不確定關系＊§5薛定諤方程第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五10§1黑體輻射和能量子假說一、熱輻射

二、黑體輻射的實驗規律三、經典物理學遇到的困難

四、普朗克的能量子假說和黑體輻射公式五、量子假說的意義及其與宏觀現象的關系第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五11一、熱輻射1.熱輻射的定義：物體在任何溫度下都向周圍空間發射各種波長的電磁輻射,稱為熱輻射。一定時間內物體輻射的電磁波的能量的多少及頻率的分布均與物體的溫度有關。第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五122.描述熱輻射的基本物理量1)單色輻出度：①定義：單位時間內從物體單位表面發出的波長在附近單位波長間隔內的能量。②公式：（單位時間內）

T單位面積第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五132)總輻出度(總輻射本領)①定義：單位時間從物體單位表面積上所發射的各種波長的總輻射能。②公式：單位：w/m2第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五14二、黑體輻射的實驗規律研究熱輻射的理想模型--黑體

1）定義：如果一個物體在任何溫度下，都能全部吸收任何波長的入射電磁波，而沒有反射，這個物體就叫做絕對黑體，簡稱黑體。黑體所發出的輻射，稱為黑體輻射。第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五152）黑體模型空腔上的小孔煉鋼爐上的小洞向遠處觀察打開的窗子近似黑體第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五162.黑體輻射實驗規律1)實驗規律一維恩位移定律：在溫度為T的黑體輻射中，單色輻出度的最大值所對應的波長由下式決定：b=2.898×10-3m.K物理意義:溫度升高,輻出度最強的電磁波波長變短.第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五17=5.6710-8W/m2K42)實驗規律二斯特藩-玻耳茲曼定律：黑體在一定溫度下的總輻出度由下式決定：曲線與橫軸圍的面積就是M(T)例題12.1；12.2第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五18三、經典物理學遇到的困難如何從理論上找到符合實驗的函數式?理論物理學家做了艱苦地努力

為常數1896年維恩從經典熱力學理論及實驗數據的分析得出1.維恩公式短波方向與實驗符合較好第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五192.瑞利-金斯公式

1900年從經典電動力學和統計物理學理論推導而得長波方向與實驗符合較好短波方向得出災難性的結論“紫外災難”－經典物理有難第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五20由經典理論導出的M(T)～

公式都與實驗結果不符合！物理學晴朗天空中的一朵烏云!第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五21四、普朗克的能量子假說和黑體輻射公式M.Planck

德國人1858－1947第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五221.普朗克的能量子假說內容：1）輻射體是由許多帶電的線性諧振子（如分子、原子的振動）所組成的，2）諧振子所具有的能量只能是最小能量（叫作能量子）的整數倍，即3）能量子吸收和發射能量的最小值為第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五23普朗克能量子假定：振子的能量不連續

E=nn=1,2,3...=h－能量子基本物理思想：輻射黑體中的分子原子可看作線性諧振子振動時向外輻射能量（也可吸收能量）物體發射或吸收電磁輻射時交換能量的最小單位是“能量子”

=h第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五24

由此得到了：2.普朗克的熱輻射公式：大時:維恩公式小時:瑞利-金斯公式普朗克獲得1918年諾貝爾物理學獎第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五25實驗物理學家魯本斯（Rubens）把它同最新的實驗結果比較發現：在全波段與實驗結果驚人符合第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五26六、量子假說的意義及其與宏觀現象的關系

=hE=nn=1,2,3...打破“一切自然過程能量都是連續的”經典看法說明了宇宙輻射背景T=3K敲開量子力學的大門第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五27例：設想一質量為m=1g

的小球懸掛在一個小輕彈簧下面作振幅A=1mm的諧振動彈簧的勁度系數k=0.1N/m按量子理論計算此彈簧振子的能級間隔多大？減少一個能量子時振動能量的相對變化是多少？解：彈簧振子的頻率為什么在宏觀世界中觀察不到能量分立的現象?第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五28能級間隔振子能量相對能量變化第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五29這樣小的相對能量變化在現在的技術條件下還不可能測量出來現在能達到的最高的能量分辨率為：所以宏觀的能量變化看起來都是連續的經典能量量子第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五30§2光的粒子性一、光電效應的幾個概念:1.光電效應：金屬被光照射時，有電子從金屬表面逸出的現象叫光電效應。實質：電子吸收光的能量，克服金屬的束縛，發射出來。2.光電子：逸出的電子叫光電子。3.光電流：光電子的定向運動就形成光電流。第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五311.實驗裝置VGOO照射光.KA光電管二、光電效應的實驗定律問題一：電壓表測哪部分電路電壓？問題二：電流表測哪部分電路電流？第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五32VGOO照射光.KA光電管第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五332.實驗條件：①入射光的頻率一定。②陰極K的材料一定。3.對實驗曲線的分析——實驗定律及結論第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五當光電管加正向電壓時，電流表可測得光電流，正向電壓增大，電流增大，并存在飽和電流。1）實驗定律一：VGOOUaIOU截止電壓第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五35UaIOU截止電壓2）實驗定律二：當光電管加反向電壓時，存在截（遏）止電壓VGBOO照射光.KA光電管第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五36IOU光強較強光強較弱光電效應伏安特性曲線Im飽和電流實驗所得曲線：第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五37CsCaNa4.06.08.010.0U0Vn1014Hz4.02.03）實驗定律三：要想光電管發生光電效應，光的頻率必須要大于某個數值，也就是存在截止頻率對于一種材料，入射光頻率與截止電壓（光電子初動能）成正比。第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五384）實驗定律四：光電效應的瞬時性：從光線開始照射直到金屬釋出電子，無論光強如何，幾乎是瞬時的（其時間間隔不超過。）

第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五39三、波動理論所遇到的困難經典電磁理論：光波的能量與振幅的平方成正比，即決定于光的強度。①光電子的初動能應決定于光的強度-----與實驗矛盾；②只要光強足夠大，就可產生光電效應----與定律三矛盾；③如果光強很弱，光電子從光波中吸收能量就需要一定的時間-----與定律四矛盾。第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五40且光量子具有“整體性”，光的發射、傳播、吸收都是量子化的。（一個電子一次只能吸收，發射一個光子）光是一粒一粒以光速運動著的粒子流，這些光粒子稱為光量子，簡稱光子。每一光子的能量是光的強度I決定于單位時間內通過單位面積的光子數N，即=h1.愛因斯坦光量子假設(1905年)四、愛因斯坦的光量子論第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五412.光電效應方程（愛因斯坦方程）：

1）內容：一個電子吸收一個光子的能量后，一部分用于從金屬中逸出所需的逸出功A，另一部分則轉化為電子的初動能。2）公式：A：逸出功光電效應方程第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五423.光子理論對光電效應的解釋：1）存在一飽和電流，且此飽和電流正比于光強光強I=Nhν，光強一定，則N一定，打出的最多電子數就是N，即存在一飽和電流Im

。

I光子數N打出光電子多

Im

2）第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五433）存在截止頻率：當

＜A/h時不發生光電效應截止頻率4）光電效應的瞬時性：當金屬中的自由電子與光子相遇時，電子將立即吸收光子的能量，且只要，電子就立即從金屬中逸出，成為光電子，而不需要時間以積累能量。第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五441916年密立根實驗

h=6.5710-34Js證實了愛因斯坦理論4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五45愛因斯坦由于對光電效應的理論解釋和對理論物理學的貢獻獲得1921年諾貝爾物理學獎密立根由于研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位而獲得1923年諾貝爾物理學獎。第45頁，共50頁，2023年，2月20日，星期五46五、光子的性質能量質量但光子