《医学物理学教学资料》第十五章-量子力学基础(简)课件.ppt

1、量子革命的导火线量子革命的导火线辐射问题辐射问题 热的物体发光，越热发出的光越明亮。热的物体发光，越热发出的光越明亮。光谱的范围很广，当温度升高时，物体呈光谱的范围很广，当温度升高时，物体呈现出的颜色向短波方向移动，人们试图结现出的颜色向短波方向移动，人们试图结合热力学和电磁学作出解释，不过所有的合热力学和电磁学作出解释，不过所有的尝试均以失败告终。尝试均以失败告终。就连当时赫赫有名对物理学各方面都做出过重要贡献就连当时赫赫有名对物理学各方面都做出过重要贡献的权威人物开耳文勋爵在一篇于的权威人物开耳文勋爵在一篇于1900年发表的瞻望二年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：十世纪物理学发展

2、的文章中也说：“在已经基本建成的在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了工作就行了”，不过他还不愧为一名确有远见卓识的物，不过他还不愧为一名确有远见卓识的物理学家，因为他接着又指出：理学家，因为他接着又指出：“但是在物理晴朗天空的但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌云远处，还有两朵小小令人不安的乌云”，即运用当时的，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个实验现象。物理学理论所无法正确解释的两个实验现象。一个是热辐射现象中的紫外灾难一个是热辐射现象中的紫外灾难 另一个是否定绝对时空观的迈克尔逊另一个是

3、否定绝对时空观的迈克尔逊莫雷实验莫雷实验 正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。事实上还有第建立近代物理学的理论基础作出了贡献。事实上还有第三朵小小的乌云，这就是三朵小小的乌云，这就是放射性现象放射性现象的发现，它有力地的发现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元，原子也是可以分表明了原子不是构成物质的基本单元，原子也是可以分割的。割的。对于许多人来说，也许量子力学比相对论更为对于许多人来说，也许量子力学比

4、相对论更为有用。后者一般用于研究基本粒子的产生和相互转有用。后者一般用于研究基本粒子的产生和相互转化以及大尺度的时空结构，但对于化以及大尺度的时空结构，但对于2020世纪人类的生世纪人类的生产生活，原子层次的世界显得更为重要。在产生活，原子层次的世界显得更为重要。在量子力量子力学基础学基础上，材料科学、激光技术、超导物理等学科上，材料科学、激光技术、超导物理等学科蓬勃发展，为深刻影响蓬勃发展，为深刻影响2020世纪人们生活方式的计算世纪人们生活方式的计算机技术、信息技术、能源技术的发展打下了基础。机技术、信息技术、能源技术的发展打下了基础。2 2、辐出度辐出度物体单位时间在单位表面积上辐射的能

5、量称为物体单位时间在单位表面积上辐射的能量称为辐出辐出度，度，用用M(T)表示；（表示；（T 表示表示辐出度与温度有关）辐出度与温度有关）物体对某一单色光的辐出度称为物体对某一单色光的辐出度称为单色辐出度单色辐出度，单色辐出度单色辐出度用用M(T)表示，单位为：表示，单位为：Wm-2-2 某一温度下物体对所有波长的总辐出度为：某一温度下物体对所有波长的总辐出度为：d d(T T)M M(T T)d dM MM M(T T)0 00 04、黑体黑体(black body)如果一个物体对入射的电磁波能全部吸收，即称为如果一个物体对入射的电磁波能全部吸收，即称为黑体黑体(black(black bo

6、dy)body)。用一个耐高温不透明材料做成一个大空腔，外面开一个小用一个耐高温不透明材料做成一个大空腔，外面开一个小孔，入射光线不会被反射，此空腔可看作是黑体模型。孔，入射光线不会被反射，此空腔可看作是黑体模型。给黑体模型加热，由小孔处发出的辐射就是给黑体模型加热，由小孔处发出的辐射就是黑体黑体辐射辐射。用分光技术把从空腔发出的辐射拍摄成光谱，再用分光技术把从空腔发出的辐射拍摄成光谱，再测量各种波长的功率，可得出测量各种波长的功率，可得出黑体辐射的能量分黑体辐射的能量分布曲线布曲线，如图。，如图。此曲线给出两个重要的定律：此曲线给出两个重要的定律：M (T)1 2 3 4 (m)1100K1

7、100K1300K1300K1500K1500K1700K1700K5 5、黑体辐射能谱曲线、黑体辐射能谱曲线由左图可看出温度由左图可看出温度T T升升高，各波长的能量增高，各波长的能量增加，实验确定：黑体加，实验确定：黑体总辐射能量总辐射能量M(T)=(T)=M(T)d(T)d与绝对温度与绝对温度T T的四次方的四次方成正比成正比，即，即斯特藩斯特藩(J.Stefan,18351893)(J.Stefan,18351893)建立了黑体面辐射强建立了黑体面辐射强度与绝对温度之间关系的经验公式，制成辐射高温度与绝对温度之间关系的经验公式，制成辐射高温计，测得太阳表面温度约为计，测得太阳表面温度约

8、为60006000；18841884年玻尔兹曼同时也从热力学理论上证明了此公年玻尔兹曼同时也从热力学理论上证明了此公式成立，故此定律称为式成立，故此定律称为斯特藩斯特藩-玻尔兹曼定律。玻尔兹曼定律。实验证明：总辐射能量实验证明：总辐射能量M M（T T）=M=M(T)d(T)d与与绝对温度绝对温度T T的四次方成正比，即的四次方成正比，即 M M (T)=T(T)=T 4 4 =5.67=5.671010-8-8 w/m w/m2 2k k4 4 ，称为斯特藩常数。，称为斯特藩常数。作用；在已知物体表面温度时，我们可以求出物作用；在已知物体表面温度时，我们可以求出物体因辐射损失的能量。体因辐射

9、损失的能量。斯特藩斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律维恩根据热力学理论指出：维恩根据热力学理论指出：m=b/Tm=b/T 常数常数b=2.898b=2.8981010-3-3 mkmk，此结果称为此结果称为维恩位移定律。维恩位移定律。铁块被加热铁块被加热 M (T)1 2 3 4 (m)1100K1100K1300K1300K1500K1500K1700K1700K 每一曲线都对应每一曲线都对应一个辐射能量最大一个辐射能量最大的波长的波长(峰值波长峰值波长)mm，mm随温度升随温度升高向短波方向位移。高向短波方向位移。mm维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律的作用：维恩位移定律的作用：已知温度已知

10、温度,确定物体辐射电磁波的波长范围确定物体辐射电磁波的波长范围如人体温度为如人体温度为35(308k)35(308k)，其辐射电磁波的峰值，其辐射电磁波的峰值波长波长mm约为多少？约为多少？m=b/308=93m=b/308=931010-7-7m=93000A m=93000A 在远红外线范围在远红外线范围普朗克公式如何给出与实验曲线完全的符合的黑体辐射公式如何给出与实验曲线完全的符合的黑体辐射公式(即即M M与与T T、的关系的关系)？1 1、瑞利、瑞利金斯公式金斯公式1900190019051905年间，瑞利和金斯根据经典电动力学和年间，瑞利和金斯根据经典电动力学和统计物理学导出：统计物

11、理学导出：M M(T)=C(T)=C1 1-4-4 T T 此公式在长波区域与曲线符合，短波时此公式在长波区域与曲线符合，短波时M M(T(T）趋于）趋于无穷大，不符合曲线。历史上称其为无穷大，不符合曲线。历史上称其为“紫外区灾紫外区灾难难”。2 2、维恩辐射公式、维恩辐射公式 1896年，维恩把热力学和多普勒原理结合起来年，维恩把热力学和多普勒原理结合起来并由并由此得出：此得出：M M(T)=C(T)=C1 1-5-5e e C C2 2/T /T 此公式在短波区与曲线相符，长波时误差大。此公式在短波区与曲线相符，长波时误差大。3 3、普朗克公式、普朗克公式19001900年，马克思年，马克

12、思普朗克，根据能量量子化的假普朗克，根据能量量子化的假设拟合实验曲线得出一个经验公式：设拟合实验曲线得出一个经验公式：1 11 12 2h hc c (T T)M M k kT Th hc c5 52 2e e此式与实验曲线完全符合，此式与实验曲线完全符合，称为普朗克公式。称为普朗克公式。o实验值/m)(0TM维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线12345678黑体辐射实验是物理学晴朗天空中黑体辐射实验是物理学晴朗天空中 一朵令人不安的乌云。一朵令人不安的乌云。普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十

13、多年的努力证明任何复念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信定地相信h h的引入确实反映了新理论的本质。的引入确实反映了新理论的本质。1918 1918年他荣获诺贝尔物理学奖。年他荣获诺贝尔物理学奖。在适当波长光的照射下，在适当波长光的照射下，金属表面逸出电子的现象金属表面逸出电子的现象称为光电效应称为光电效应光电效应实验装置光电效应实验装置OOOOOOVGAKBOOm 一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律 1、电子的逸出功应决定于光强；、电子的逸出功应决定于光强；二、经典电磁波理论的缺

14、陷二、经典电磁波理论的缺陷3、电子积累能量需要时间，光电效应不是瞬时的。、电子积累能量需要时间，光电效应不是瞬时的。2、任何频率的光，只要有足够的光强，、任何频率的光，只要有足够的光强，都应该产生光电效应；都应该产生光电效应；三、三、爱因斯坦方程爱因斯坦方程 光量子（光子）光量子（光子）爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程Amh 221 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说：h h一束光是以光速一束光是以光速 C 运动的运动的粒粒子（称为光子）流，子（称为光子）流，光子的能量为：光子的能量为：一一部分转化为光电子的动能，即：部分转化为光电子的动能，即：金属中的自由电子吸收一个光子能量金属中的自

15、由电子吸收一个光子能量一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸出功出功A,以后，以后，3.从方程可以看出光电子初动能和照射光的从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率频率 成线性关系。成线性关系。爱因斯坦对光电效应的解释：爱因斯坦对光电效应的解释：2.2.电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积。所以无须时间的累积。1.1.光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以 光电流也大。光电流也大。4.4.从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到 红限频率：红限频率：Amh 221hA 0 A.A.爱因斯坦爱因斯坦 对现物理方面的贡对现物理方面的贡献，特别是阐明光献，特别是阐明光电效应的定律电效应的定律