音叉中的能量量子化课件.ppt
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- 音叉 中的 能量 量子化 课件
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1、僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 2015CHAPTER 2 波的粒子特性波的粒子特性 Particle Properties of Waves1僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 2015僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 2015 內容單元2n2.1電磁波n2.2黑體輻射n2.3光電效應n2.4光是什麼?n2.5 x 射線 n2.6 x 射線繞射 n2.7康普頓效應n2.8配對產生n2.9光子與重力僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 20
2、1532.1 電磁波電磁波 Electromagnetic Waves電與磁的耦合振盪以光速行進並且顯示出典型的波動行為在 1864 年,英國物理學家詹姆士 克拉克 馬克士威爾(James Clerk Maxwell)做出了重大的假設,加速電荷能產生無限傳播於空間中且相互連結的電擾動和磁擾動(disturbance)。馬克士威爾提出反向的看法(磁生電):一個變化的電場也會產生相關的磁場。但僅為對稱性的假設規點,而非實驗上發現。馬克士威推論:光是由電磁波所組成。疊加原理疊加原理(superposition principle):當同樣性質的兩個或多個波動在同一時間通過同一點時,瞬間振幅為其各別波
3、之瞬間振幅的總和。瞬間振幅(instantaneous amplitude)為某特定空間和時間波動變數(wave variable)之數值。(振幅是指波動變數的極大值。)僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 20154僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 20152.1 電磁波電磁波 Electromagnetic Waves馬克士威爾能夠證明自由空間的電磁波速度c 為其中0 為自由空間中的介電率(permittivity),而0 為導磁率(permeability)。僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,
4、版權所有,侵害必究 20155僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 20152.1 電磁波電磁波 Electromagnetic Waves僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 20156僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 20152.1 電磁波電磁波 Electromagnetic Waves僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 20157僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 20152.1 電磁波電磁波 Ele
5、ctromagnetic Waves僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 20158僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 20152.1 電磁波電磁波 Electromagnetic Waves僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 20159僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 20152.1 電磁波電磁波 Electromagnetic Waves僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 2015 2.2黑體輻射黑體輻
6、射Blackbody Radiation 10只有光量子理論可以解釋其來源根據赫茲的實驗,光基本特性的問題似乎非常清楚:光是由符合馬克士威爾定律的電磁波所組成。在室溫下,大部分的輻射都位於光譜中的紅外(infrared)光部分,因此是看不見的。為方便起見,可以假設有一個理想的物體,它可以吸收所有入射的輻射能量而不論其頻率為何;這樣的物體稱為黑體(blackbody)。黑體輻射(blackbody radiation)特性僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 201511紫外線大災難紫外線大災難實驗:在絕對溫度T 時腔體的內部輻射,而腔壁為完美的反射器以產生一
7、連串的電磁駐波電磁駐波(standing wave)(圖2.7),這是一個在拉伸繩索中的三維駐波一般化的結果。頻率n 越高時,波長越短,其可能的駐波數目也會越多。根據古典物理的支柱即能量均分定律(theorem of equipartition of energy)。波茲曼常數波茲曼常數:(2.1)瑞利金斯公式瑞利金斯公式:(2.2)僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 2015122.2黑體輻射黑體輻射Blackbody Radiation僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 2015132.2黑體輻射黑體輻射Black
8、body Radiation僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 2015142.2黑體輻射黑體輻射Blackbody Radiation僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 2015152.2黑體輻射黑體輻射Blackbody Radiation僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 2015162.2黑體輻射黑體輻射Blackbody Radiation僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 201517普朗克輻射公式普朗克輻射公式 普朗克輻射公式:(
9、2.4)普朗克常數:(2.5)振盪器能量:(2.6)每個駐波實際平均能量:(2.7)346.62610 J sh僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 201518例2.1 假設一個660 Hz 的音叉(fork)可視為一個振動能量為0.04 J 的諧振子。比較此音叉和吸收頻率為 橘色光的原子振盪器之間的能量量子。解解 145.0010 Hz(a)對音叉而言 因此音叉的振動總能量為量子能量 hv 的 倍,音叉中的能量量子化(quantization)很明顯地太小以致於無法被觀測到,而我們確認音叉現象仍遵守古典物理。僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教
10、師使用,版權所有,侵害必究 201519(b)對於原子振盪器而言以原子物理中較常用的能量單位電子伏特來表示,這在原子尺度中是很大的能量,而古典力學無法解釋這樣尺度中的現象也並不令人驚訝。Blackbody RadiationThe technology that utilize the dispersion of light into different colors(wavelength)is called spectroscopy.When an object reaches thermal equilibrium with the environment,its temperature
11、will be constant.It continuously absorb and emit radiation with equal amount.The electromagnetic radiation emitted by such an object is called thermal radiation.A body that absorbs all radiation incident on it is called an ideal blackbody.-Stefan-Boltzmann law:The power per unit area radiated by an
12、blackbody.-Wien displacement law:m is wavelength of maximum emission.Any body that emits radiation at each wavelength in a constant ratio less than unity to that emitted by a black body at the same temperature.An opaque object under equilibrium will emit less radiation than a blackbody.The ratio is
13、called emissivity.4284/1067037.5 KmWTImKTm3108978.2constantu()CommentsPlanks Law8hc-5/exp(hc/kT)1 match with experimental data Raleigh-Jeans Law8kT-4good approximation at long wavelength onlyultraviolet catastropheWien Lawc1-5exp(-c2/T)good approximation at short wavelength only Blackbody Radiation
14、Formulammjoulu3intervalength unit waveleunit volumenergy represents)(ultraviolet catastrophe0)(duworks only for long wavelengthsWien law works only for short wavelengths(Raleigh-Jeans law)constant.sPlanck calledconstant a is 1 and ,.3,2,1,0 where,of multipleinterger is soscillator theofenergy The va
15、riable.discrete a isradiation)theofenergy thehence(and soscillator theofenergy theassumingby explained becan data empiricalradiation blackbody that thefoundPlanck equation.Jeans-Raleighin used iswhich)(is oscillatoran ofenergy average The.energy with soscillator theoffraction theis)(andt coefficien
16、a isA where )(:ondistributiBoltzmann-Maxwell follows soscillator ofon distributienergy The s.oscillator harmonic like areThey electrons.ngacceleratiby produced arecavity a inside wavesEM they,Classicall00hehvEnnhvEhvkTdEEAedEEEfEEEfAeEfkThvnkTE-kTE-The difference betweenboth theories11)1()1(,(*)1()1
17、(1 respect toit with ateDifferenti .11.1(*)back toit Put 1(*)11.)1()(becomes nowon distributiBoltzmann-Maxwell The2000020203203200kThvkTkTkTkTnkTnnkTnnkTEnnnnkTkTnkTnkTkTnkTnkTkThvkThvkThvnkTnkThvkThvkThvkThvkThvnkTnhvnnkTnhvkTnnehvEeeeeneAAenAeEfEEThereforeeeneeekTekTneeeeeeAeAeeeAeAfAeAeEfnpage in
18、 this explained is 1kThvehvEDensity of Oscillation Modes443222222zyxzyx8)(is space-in e)unit volumper modes ofnumber (the modes ofdensity The824 is space-in modes ofnumber The224812 is to from modes ofnumber The e.unit volum cubic 1 occupies modeEach .coordinate-nin indices integral point with a as
19、expressed becan that mode goscillatinan toingcorrespond is)n ,n ,(n ofset A wave)(standing 2L and integers positive are n ,n ,n sinsinsinsinsinsin),(as expressed becan which wavestanding a bemust function waveits box,theinsidestably exist can waveEMan if box,cubic metal aIn gdLdLLdLdnLndnndnndnnnnwh
20、erezLnyLnxLnAzkykxkAzyxEizyxzyx08)(lengthshort wavefor Whileformula Jeans-Raleigh )8)(or 8)(h)wavelengt(long 1 11 .1 )1(818)()(1818)()(functionon distributienergy The8)(888)(5324233325432322444kThcvkThcxkThvkThvvvkThckThcvehcuckTvukTuandkThcfor kThcefor xxxeBecauseechvehvcvEvgvuehcehcEgucvvgdvcvdvvc
21、cvddgawPlancks l僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究 2015302.3光電效應光電效應 Photoelectric Effect電被光所釋放之電子能量和光的頻率相關當光的頻率夠高時會放出電子,這個現象被稱為光電效應光電效應(photoelectric effect),且被放出的電子稱為光電子光電子(photoelectron)。光的頻率越高時,光電子能量越多(圖2.11),藍光所產生的電子能量比紅光還多。每一種金屬均具有特定的臨界頻率臨界頻率(critical frequency)。僅供用書教師使用,版權所有,侵害必究僅供用書教師使用,版權
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