量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)第1頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二索爾維會(huì)議（SolvayConference）1927.10.24夢(mèng)幻全明星——二十世紀(jì)科技巨匠合影

參加會(huì)議的29人中，有17人獲諾貝爾獎(jiǎng)第2頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第3頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

黑體輻射

光電效應(yīng)

康普頓效應(yīng)主要內(nèi)容與要求重點(diǎn)：黑體輻射、光電效應(yīng)難點(diǎn)：黑體輻射、康普頓效應(yīng)第4頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

十九世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到了相當(dāng)完善的程度，正當(dāng)人們歡呼：邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，否定了絕對(duì)參照系的存在黑體輻射與“紫外光災(zāi)難”

“科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。”

--開(kāi)爾文--兩朵烏云：

重新思考物理學(xué)的基本概念，在曲折艱苦的陣痛中終于誕生了相對(duì)論(1905)和量子論(1900)。第5頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二量子力學(xué)的誕生（QM---QuantunMechanics）第6頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第7頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第8頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二早期量子論量子力學(xué)相對(duì)論量子力學(xué)普朗克能量量子化假說(shuō)愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)康普頓效應(yīng)玻爾的氫原子理論德布羅意實(shí)物粒子波粒二象性薛定諤方程波恩的物質(zhì)波統(tǒng)計(jì)解釋海森伯的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系狄拉克把量子力學(xué)與狹義相對(duì)論相結(jié)合量子力學(xué)的誕生過(guò)程第9頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第一節(jié)黑體輻射(RadiationofBlackBody)一、熱輻射定義：由于熱運(yùn)動(dòng)所引起的輻射稱為熱輻射。1.單色輻射出射度

一定溫度下物體在單位時(shí)間、單位表面發(fā)射在范圍內(nèi)的輻射能量與波長(zhǎng)間隔的比值。特點(diǎn)：溫度不同，能量隨波長(zhǎng)(頻率)不同。第10頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.輻射出射度

單位時(shí)間、單位面積上所輻射出的各種波長(zhǎng)的電磁波的能量總和，與物體的溫度和自身性質(zhì)有關(guān)。3.平衡熱輻射

物體從外界吸收的熱能恰好等于它因輻射而失去的能量。

物體吸收某區(qū)間的輻射能占該區(qū)間總輻射能的比值。4.吸收本領(lǐng)第11頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

任何物體在同一溫度T下的單色輻射出射度與相應(yīng)的吸收本領(lǐng)的比值是一個(gè)與物質(zhì)無(wú)關(guān)的普適函數(shù)5.基爾霍夫熱輻射定律二、黑體輻射的物體稱為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體。普適函數(shù)就是絕對(duì)黑體的單色輻射出射度第12頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二例：不透明材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。

研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。測(cè)量黑體輻射出射度實(shí)驗(yàn)裝置第13頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

能完全吸收照射到它上面的各種頻率的電磁輻射的物體稱為黑體（黑體是理想模型）。第14頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二0100020001.00.5

0100020001.00.5

3000K6000K1.斯特藩-玻耳茲曼定律（1879年）

輻射出射度2.維恩位移定律（1893年）

第15頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二維恩利用熱力學(xué)相關(guān)理論導(dǎo)出：3.瑞利-金斯公式（1900年）瑞利-金斯利用經(jīng)典電磁理論和能量均分定理導(dǎo)出：長(zhǎng)波范圍符合很好，短波區(qū)域偏離嚴(yán)重，紫外災(zāi)難。第16頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

1900年10月的一個(gè)秋日的午后，在柏林近郊一條幽靜的林間小路上，普朗克和他六歲的兒子正在散步。

“埃爾文，你知道嗎？爸爸可能已經(jīng)做出了可與牛頓力學(xué)相媲美的偉大發(fā)現(xiàn)?！?--量子的發(fā)現(xiàn)！

1900年12月14日，普朗克在柏林亥姆霍茲研究所的物理學(xué)會(huì)議上宣讀讓物理學(xué)家們即興奮、又煩惱的發(fā)現(xiàn)。第17頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二4.普朗克公式（1900年）

能量量子化假設(shè)：，(Planck,1858–1947)

1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

能量交換只能是量子化的k——玻爾茲曼恒量黑體由帶電諧振子組成，和周圍的電磁場(chǎng)交換能量能量子第18頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二例1.已知在紅外線范圍內(nèi)，人體可近似看作一個(gè)黑體。假設(shè)成人表面面積的平均值為1.73m2，表面溫度為33℃

，求人體輻射的總功率。解：人體單位面積的輻射功率為人體輻射的總功率為黑體的溫度和周圍環(huán)境溫度不等時(shí)，黑體輻射的凈功率是假設(shè)周圍環(huán)境溫度Ts=20℃=293K第19頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二第二節(jié)光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)一、光電效應(yīng)（PhotoelectricEffect）

光束射到金屬表面使電子從金屬中脫出的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。VAi光電子KA陽(yáng)極

光電效應(yīng)現(xiàn)象是赫茲1887年發(fā)現(xiàn)的，在1896年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子之后，勒納德才證明了所發(fā)出的帶電粒子是電子。第20頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)伏安特性曲線

存在遏止電勢(shì)差

單位時(shí)間內(nèi)從陰極逸出的光電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度成正比

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論光強(qiáng)如何微弱，從光照射到光電子出現(xiàn)只需要<10–9s的時(shí)間。

瞬時(shí)響應(yīng)性質(zhì)第21頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

對(duì)于給定的金屬，當(dāng)照射光頻率小于金屬的紅限頻率，則無(wú)論光的強(qiáng)度如何，都不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。

存在遏止頻率v0第22頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二金屬

紅限頻率（10Hz）14逸出功（eV)金屬

紅限頻率（10Hz）14逸出功（eV)某些金屬和半導(dǎo)體的紅限頻率及逸出功

鎢

W

10.974.54

鈣Ca6.552.71

鈉Na5.532.29

鉀K

5.432.25

銣Rb

5.152.13

銫Cs

4.691.94

鈾U

8.763.63

鉑Pt

15.286.33

銀Ag

11.554.78

銅Cu

10.804.47

鍺Ge

11.014.56

硅Si

9.904.10

硒Se

11.404.72

鋁Al

9.033.74

銻Sb

5.682.35

鋅Zn

8.063.34第23頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二波動(dòng)理論所遇到的困難1.光電子初動(dòng)能應(yīng)當(dāng)隨光強(qiáng)而不是隨頻率增大可見(jiàn)光的波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.電磁振動(dòng)激發(fā)電子只要強(qiáng)度足夠就應(yīng)該激發(fā)3.電磁振動(dòng)激發(fā)電子需要一定響應(yīng)時(shí)間第24頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2.愛(ài)因斯坦的光量子論光是以光速c運(yùn)動(dòng)的微粒流，稱為光量子組成愛(ài)因斯坦光量子假設(shè)(1905)光子的能量光量子具有“整體性”（光的發(fā)射、傳播、吸收都是量子化的）

一個(gè)光子將全部能量交給一個(gè)電子，電子克服金屬對(duì)它的束縛，從金屬中逸出。愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程第25頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，故無(wú)須時(shí)間的累積。光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，光電流大光的波粒二象性第26頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位，獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第27頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二例2.已知金屬鎢的逸出功A=7.2×10-19J，分別用頻率為7×1014Hz的紅外光和5×1015Hz的紫外光照射鎢的表面，能不能產(chǎn)生光電效應(yīng)？解：金屬鎢的紅限頻率只有頻率大于紅限頻率的光才可產(chǎn)生光電效應(yīng)7×1014Hz的紅外光不行5×1015Hz的紫外光可以第28頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二二、康普頓效應(yīng)（ComptonEffect）1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（Compton,1892-1962）

1922年間康普頓觀察X射線通過(guò)物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射的波長(zhǎng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。第29頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二(吳有訓(xùn),1897–1977)1921年赴芝加哥大學(xué)，隨康普頓從事物理學(xué)研究，1926年獲博士學(xué)位。1926年秋回國(guó)。

他在參與X射線散射研究的工作中，以精湛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和卓越的理論分析，驗(yàn)證了康普頓效應(yīng)。中國(guó)近代物理學(xué)奠基人，教育家。第30頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二rl

l

l

0波長(zhǎng)偏移量檢測(cè)系統(tǒng)晶體l

0l

4j5rlj153l

0l

rlj09l

0l

rlj散射角l

0j0

射線源Xl

0散射體jlr隨的增大而增大，與物質(zhì)種類無(wú)關(guān)。

△~j

實(shí)驗(yàn)第31頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二j153j153j153l

0l

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0l

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rlZ16Z26X射線X射線X射線Z6原子序數(shù)原子序數(shù)l0l0l0原子序數(shù)碳C碳硫硫S鐵鐵FeFell0譜線的強(qiáng)度增強(qiáng)；譜線的強(qiáng)度減弱。lr各種散射物質(zhì)對(duì)同一散射角，波長(zhǎng)偏離量相等。j若散射物質(zhì)的原子序數(shù)增加，散射線中不同散射物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)對(duì)同一散射角j

第32頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期二光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋高能光子和低能自由電子彈性碰撞的結(jié)果若光子和外層電子