量子力学的实验基础60473

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1、量子力学的实验基础实验基础量子力学quantummechanicsexperimentalbasisof四个主要内容实验基础量子力学主要内容黑体辐射光电效应与康普顿效应氢原子的光谱实验规律物质的波粒二象性热辐射黑体辐射一、热辐射任何物体在任何温度下都能辐射电磁波物体辐射能量的多少辐射能量按波长的分布一定时间内与物体的温度有关这种与温度有关的辐射称为热辐射定性图述先定性粗略描述某铁球单位时间单位面积发射的辐射能随铁球的温度变化其辐射能按波长的分布情况亦发生变化炽热状态温度逐渐下降可见光红外线紫外线波长曲线覆盖面积示意单位时间、单位面积发射的各种波长的总辐射能单色辐出度设某物体单位时间

2、单位面积l+l在某波长微区域的辐射能为定义该物体对波长的单色辐射出射度简称单色辐出度是辐射体的辐射波长和热力学温度的函数，且与物体的材料及表面情况有关。辐出度设某物体单位时间单位面积l+l在某波长微区域的辐射能为定义该物体对波长的单色辐射出射度简称单色辐出度是辐射体的辐射波长和热力学温度的函数，且与物体的材料及表面情况有关。单色辐出度从物体单位表面上辐射的各种波长的总辐射功率为称为物体的辐射出射度，简称辐出度其单位为其单位为单位时间的辐射能单位面积单位波长一般辐射的复杂性不透明体二、黑体辐射外来各种波长的辐射能反射某些波长的辐射能吸收某些波长的辐射能（随物而异）发射各种波长的热辐射

3、能（故亦随物而异）故一般物体的研究显得较复杂。实际物体热辐射的复杂性但理论研究表明各种同温物体对同一波长辐射能的单色吸收本领单色发射本领比值相同而且都等于一个同温的“黑体”对同一波长辐射能的单色发射本领。黑体辐射成为研究实际物体热辐射问题的基础。什么是黑体？（随物而异）黑体不透明体二、黑体辐射外来各种波长的辐射能反射某些波长的辐射能吸收某些波长的辐射能（随物而异）（随物而异）发射各种波长的热辐射能（故亦随物而异）故一般物体的研究显得较复杂。实际物体热辐射的复杂性但理论研究表明各种同温物体对同一波长辐射能的单色吸收本领单色发射本领比值相同而且都等于一个同温的“黑体”对同一波长辐射能的

4、单色发射本领。黑体辐射成为研究实际物体热辐射问题的基础。什么是黑体？假设有这样的物体无任何反射这种假设的物体称为黑体。绝对理想的黑体并不存在，但它是热辐射的重要理论模型。值得注意的是实验室中常用的黑体经典实验模型：（随物而异）能全部吸收入射各种波长的辐射能二、黑体辐射黑体实验模型黑体的实验模型通过小孔进入腔内的辐射能几乎全被腔壁吸收反射回小孔出射的机会极少，小孔表面好比黑体（吸收全部入射的辐射能而无反射）对空腔加热至某热平衡温度对空腔加热至某热平衡温度从小孔表面出射的就是处于某一热平衡温度的实验黑体的辐射能，进而探索其能谱分布规律。不透明材料空腔不透明材料空腔黑体辐射测量黑体（小孔

5、表面）集光透镜平行光管分光元件会聚透镜及探头分光元件（如棱镜或光栅等）将不同波长的辐射按一定的角度关系分开，转动探测系统测量不同波长辐射的强度分布。再推算出黑体单色辐出度按波长的分布。黑体辐射测量系统示意图黑体辐射规律2000K黑体辐射的基本规律黑体的辐出度s=5.67×10W·m·K-2-8-4斯特藩-玻耳兹曼定律黑体单色辐出度的峰值波长随的升高而向短波方向移动维恩位移定律b=2.898×10m·K-3M(T)Bl黑体的单色辐出度1750K1500K1000K10m-6123456波长l0紫外灾难但沿用经典物理概念（如经典电磁辐射理论和能量均分定理）去推导一个符合实验规律的黑体单

6、色辐出度函数均遇到困难。其中一个著名的推导结果是（瑞利—金斯公式）当时，即波长向短波（紫外）方向不断变短时，则经典物理概念竟然得出如此荒唐的结论，物理学史上称之为“紫外灾难”。黑体辐射问题所处的困境成为十九世末“物理学太空中的一朵乌云”，但它却孕育着一个新物理概念的诞生。普朗克公式三、普朗克公式及能量子假说普朗克公式1900年10月19日，德国物理学家普朗克提出了一个描述黑体单色辐出度分布规律的数学公式，光在真空中的速率玻耳兹曼常量普朗克常量数值为6.63×10J·s-34并很快被检验与实验结果相符。其波长表达式为理论曲线波长l10m-6002431M(T)Bl10Wmm11-1-

7、2123452000K1750K1500K1000KM(T)=Bl2phcl52ehcklT11单色辐出度函数及曲线线普朗克的黑体能量子假设普朗克的能量子假设普朗克普朗克MaxPlanckMaxPlanck1858-19471858-19471900年12月24日，普朗克在《关于正常光谱的能量分布定律的理论》一文中提出能量量子化假设，量子论诞生。这些谐振子和空腔中的辐射场相互作用过程中吸收和发射的能量是量子化的，只能取一些分立值：e,2e,，ne;可视为带电的线性谐振