广东工业大学：《大学物理》课程教学课件（讲稿）第六篇 近代物理基础 第16章 量子物理基础（黑体辐射、普朗克量子假设、光电效应、爱因斯坦光子理论）

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第16章 量子物理基础 大学物理A教案 第六篇 近代物理基础 第16章 量子物理基础

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素SuanadongUniversity ofTechnology(1)量子物理主要内容：黑体辐射普朗克量子假设光电效应爱因斯坦光子理论

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 量子物理(1) 黑体辐射 普朗克量子假设 主要内容： 光电效应 爱因斯坦光子理论

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素uanadongUniversity ofTechnology前言：量子物理的发展经历了旧量子论和量子力学两个阶段旧量子论发展的三个标志：1900年普朗克提出能量子假设，成功解释了黑体辐射的问题1905年爱因斯坦提出光量子假设，成功解释了光电效应。康普顿散射进一步证实了光的波粒二象性。1913年玻尔提出氢原子理论，建立了量子化定态的概念和定态之间跃迁的频率法则，成功解释了氢原子光谱的规律性。量子力学的诞生：1924年德布罗意提出物质波假设，指出实物粒子也有波粒二象性，在物质波的基础上，薛定、海森伯建立了波动力学即量子力学。从而导致了近代量子物理的诞生和发展。量子力学的基本概念、规律和方法与经典物理截然不同。本篇介绍有关量子力学的基本知识

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 旧量子论发展的三个标志： 1900年 普朗克提出能量子假设，成功解释了黑体辐射的问题。 1905年 爱因斯坦提出光量子假设，成功解释了光电效应。 1913年 玻尔提出氢原子理论，建立了量子化定态的概念和定态 之间跃迁的频率法则，成功解释了氢原子光谱的规律性。 量子力学的诞生： 1924年 德布罗意提出物质波假设，指出实物粒子也有波粒二 象性，在物质波的基础上，薛定谔、海森伯建立了波动力学即 量子力学。从而导致了近代量子物理的诞生和发展。 量子力学的基本概念、规律和方法与经典物理截然不同。本 篇介绍有关量子力学的基本知识。 康普顿散射进一步证实了光的波粒二象性。 前言： 量子物理的发展经历了旧量子论和量子力学两个阶段

广东工業大学第16章量子物理基础大学物理A教素uangdongUpiversityofTechnologyS16.1量子概念的诞生一热辐射和普朗克量子假设(Heat Radiation andPlanck'Quantum Supposition1.热辐射根据经典电磁理论，带电粒子的加速运动将向外辐射电磁波。一切物体都以电磁波的形式向外辐射能量（（辐射能）例如加热一个物体，开始时物体是暗淡的，温度升高，物体的颜色将由红变黄再由黄变白，温度极高时，变为青白色1900度物体辐射的总能也随温度的升高而增加。火炉一定时间内，辐射能的多少，以及辐射能按波长的分布都与温度有关，故称这种辐射为热辐射

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 1.热辐射 根据经典电磁理论，带电粒子的加速运动将向外辐射电磁 波。一切物体都以电磁波的形式向外辐射能量（辐射能）。 §16.1 量子概念的诞生 热辐射和普朗 克量子假设 （Heat Radiation and Planck’ Quantum Supposition） 火 炉 1000 600 4度度 一定时间内，辐射能的多少，以及辐射能 按波长的分布都与温度有关，故称这种辐 射为热辐射。 例如加热一个物体，开始时物体是暗淡 的，温度升高，物体的颜色将由红变黄， 再由黄变白，温度极高时，变为青白色。 物体辐射的总能也随温度的升高而增加

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素suanadonaUniversity ofTechnoloay2.描述热辐射的物理量*单色辐出度（单色发射本领）若在单位时间内从物体表面单位面积上辐射的波长在→+d范围内的能量为dE，，则dEW/m3单色辐出度dae,与温度和波长都有关，是和T的函数，记为e,(T)或e(a,T)单色辐出度反映了在不同温度下辐射能按波长分布的情况。*#辐出度（总辐射能）单位时间内从物体表面单位面积上辐射的各种波长的总辐射能量辐出度，用（单位面积上的辐射功率），称为该物体的E表示。E(T)= e,(T)daW/m?

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 * 单色辐出度（单色发射本领） 单色辐出度 若在单位时间内从物体表面单位面积上辐射的波长 在λ →   + d 范围内的能量为 dE ，则 单色辐出度反映了在不同温度下辐射能按波长分布的情况。 d d E e    = W/m3 2.描述热辐射的物理量 * 辐出度(总辐射能） 0 E T e T ( ) ( )d    =  W/m2 单位时间内从物体表面单位面积上辐射的各种波长的总辐 射能量（单位面积上的辐射功率），称为该物体的 辐出度 , 用 E表示。 e 与温度和波长都有关，是  和T 的函数，记为 e  (T) 或 e (,T)

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素uanadongUniversity ofTechnoloay3.黑体辐射的实验定律利用黑体模型型（开有小孔的空腔），用实验方法可以测出黑体的单色辐出度e，（T)随波长变化的关系实验装置图：PB黑体三棱镜准直系统测量系统从黑体A的小孔上发出的辐射，经透镜和平行光管成为平行光束入射于棱镜P上，不同波长的射线有不同的偏向角，平行光管L,对准某一方向，这一方向的射线将聚焦在热电偶C上，因而可测出这一波长射线的功率（单位时间入射于热电偶的能量）调节测量系统的方向，即可测出不同波长的功率

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 3.黑体辐射的实验定律 实验装置图： A L1 B P L2 C 黑体 准直系统 三棱镜 测量系统 从黑体A的小孔上发出的辐射，经透镜和平行光管成为平行 光束入射于棱镜P上，不同波长的射线有不同的偏向角，平行光 管L2对准某一方向，这一方向的射线将聚焦在热电偶C上，因而 可测出这一波长射线的功率（单位时间入射于热电偶的能量） 调节测量系统的方向，即可测出不同波长的功率。 利用黑体模型（开有小孔的空腔），用实验方法可以测出黑 体的单色辐出度 e T 0 ( ) 随波长变化的关系

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素uanadongUniversityofTechnology黑体的e,（T）随a和T变化的实验曲线：分析曲线得出两条实验规律：e,(T)1700K(1)斯忒潘（Stefan）一波尔兹曼（Boltzmann）定律1500K每条曲线反映了在一定温度1300K下，黑体的单色辐出度随波长分布的情况。1100K每条曲线下的面积等于黑体345在该温度下的总辐射能(μm)E(T)温度升高，面积迅速增大。E(T)= αT4斯藩常量 =5.67×10-8 W·m-2.K-4

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 （1） 斯忒潘（Stefan) — 波尔 兹曼(Boltzmann)定律 温度升高，面积迅速增大。 斯忒藩常量 8 2 4  5.67 10 W m K − − − =    分析曲线得出两条实验规律： 每条曲线下的面积等于黑体 在该温度下的总辐射能 E T( ) 4 E T T ( ) = 每条曲线反映了在一定温度 下，黑体的单色辐出度随波长 分布的情况。 0 1 2 3 4 5 ( m) e T( )  黑体的 e T  ( ) 随  和 T 变化的实验曲线：

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素uangdong University otTechnologyte,(T)(1)斯忒潘一波尔兹曼定律1700KM(T)=αT41500K = 5.67×10-8 W·m-2.K-41300K(2)维恩位移定律1100K每条曲线的峰值叫最大单色辐射强度，与峰值对应的波长用几表示。34D2(μm)T个→向短波方向移动，与T的关系2m·T=bb=2.898x10-3m·K维恩常量这两个定律反映出热辐射的量值随温度的升高而迅速增加而且热辐射的峰值波长也随温度的升高而向短波方向移动。热辐射的规律在现代科学技术上的应用很广泛，它是测高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 （1） 斯忒潘 — 波尔兹曼定律 8 2 4  5.67 10 W m K − − − =    （2） 维恩位移定律 m  = T b b = 2.89810−3 mK 维恩常量 4 M(T) =T 每条曲线的峰值叫最大单色辐射 强度，与峰值对应的波长用 表 示。 m m m T →  向短波方向移动， 与T 的关系 这两个定律反映出热辐射的量值随温度的升高而迅速增加, 而且热辐射的峰值波长也随温度的升高而向短波方向移动。 热辐射的规律在现代科学技术上的应用很广泛，它是测高 温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。 0 1 2 3 4 5  ( m) e T( ) 

广东工业大学第16章量子物理基础大大学物理A教素uanadongUniversity ofTechnology例1实验测得太阳辐射谱的峰值波长为490nm，将太阳视为黑体，试计算太阳的辐射功率和地球每秒内接收到的太阳能。（已知太阳半径R=6.96×108m，地球半径r=6.37×10m，日地距离d=1.496×1011m）解由维恩位移定律计算太阳表面温度2.897×10-3b= 5.9×103 K490×10-9由斯潘一波尔兹曼定律得E=αT4=5.67×10-8×(5.9×103)W.m-?= 6.9×10°

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 例1 实验测得太阳辐射谱的峰值波长为 490nm ，将太阳视为黑 体，试计算太阳的辐射功率和地球每秒内接收到的太阳能。 （已知太阳半径 R = 6.96×108 m ，地球半径 r = 6.37×106 m ， 日地距离 d = 1.496×1011 m ） 解 由维恩位移定律计算太阳表面温度 5.9 10 K 490 10 2.897 10 3 9 3 m =    = = − −  b T 由斯忒潘 — 波尔兹曼定律得 4 8 3 4 7 2 5.67 10 (5.9 10 ) 6.9 10 W m E T − − = =    =  

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素aanadongUniversityofTechnology太阳辐射总功率为P= E.4元R2 =4.2×1026 W这功率分布在以太阳为中心，以日、地距离d为半径的球面上，故地球表面单位面积接收到的辐射功率PP=1.5×103W4元d2地球接收到的辐射功率Pe = P' ·元 r2 =1.9×1017 W

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 太阳辐射总功率为 2 26 P E R =  =  4 4.2 10 W  这功率分布在以太阳为中心，以日、地距离 d 为半径的 球面上，故地球表面单位面积接收到的辐射功率 PE = PE   r 2 =1.91017 W 地球接收到的辐射功率 3 E 2 1.5 10 W 4 P P d  = = 