1.光電效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)規(guī)律
在1886年~1887年,赫茲在證實(shí)電磁波的存在和光的麥克斯韋電磁理論的實(shí)驗(yàn)過程中,已經(jīng)注意到:當(dāng)兩個(gè)電極之一受到紫外光照射時(shí),兩電極之間的放電現(xiàn)象就比較容易發(fā)生.然而當(dāng)時(shí)赫茲對(duì)這個(gè)現(xiàn)象并沒有繼續(xù)研究下去.直到電子發(fā)現(xiàn)后,人們才知道這是由于紫外光的照射,使大量電子從金屬表面逸出的緣故.這種電子在光的作用下從金屬表面發(fā)射出來的現(xiàn)象,稱為光電效應(yīng),逸出來的電子稱為光電子.
研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示,陰極K和陽(yáng)極A封閉在真空管內(nèi),在兩板之間加一可變電壓,用以加速或阻擋釋放出來的電子.光通過石英小窗W照到電極K上,在光的作用下,電子從電極K逸出,并受電場(chǎng)加速而形成電流,這種電流稱為光電流.
實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)光和光電流之間有一定的關(guān)系.
首先在入射光的強(qiáng)度與頻率不變的情況下,電流-電壓的實(shí)驗(yàn)曲線如圖8-9所示.曲線表明,當(dāng)加速電壓V增加到一定值時(shí),光電流達(dá)到飽和值,這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)從陰極K射出的光電子全部到達(dá)陽(yáng)極A.若單位時(shí)間內(nèi)從電極K上擊出的光電子數(shù)目為n,則飽和電流I=ne.
另一方面,當(dāng)電位差V減小到零,并逐漸變負(fù)時(shí),光電流并不降為零,就表明從電極K逸出的光電子具有初動(dòng)能.所以盡管有電場(chǎng)阻礙它運(yùn)動(dòng),仍有部分光電子到達(dá)電極K.但是當(dāng)反向電位差等于-Ve時(shí),就能阻止所有的光電子飛向電極A,光電流降為零,這個(gè)電壓叫遏止電壓.它使具有最大初速度的電子也不能到達(dá)電極A.如果不考慮在測(cè)量遏止電壓時(shí)回路中的接觸電勢(shì)差,那么我們就能根據(jù)遏止電壓 來確定電子的最大速度和最大動(dòng)能,即
在用相同頻率不同強(qiáng)度的光去照射電極時(shí),得到的電流-電壓曲線如圖所示.它表示出對(duì)于不同強(qiáng)度的光,Vg是相同的,這說明同一種頻率不同強(qiáng)度的光所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能是相同的.
此外,用不同頻率的光去照射電極K時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果是頻率愈高,Vg愈大.并且與Vg成直線關(guān)系,頻率低于的光,不論強(qiáng)度多大,都不能產(chǎn)生光電子,因此不同的材料,閾頻率不同.
總結(jié)所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,光電效應(yīng)的規(guī)律可歸納為如下幾點(diǎn):
4.紫外災(zāi)難
(1)基爾霍夫定律(Kirchhoff's Law):
熱平衡狀態(tài)時(shí),任何物體的單色輻出度與單色吸收比之比,等于同溫度條件下絕對(duì)黑體的單色輻出度
因此,“絕對(duì)黑體的單色輻出度”,是當(dāng)時(shí)研究的尖端課題.
推論:
a.若TA=TB,則輻射多的吸收也多,不能輻射亦不能吸收;
b.一定時(shí),絕對(duì)黑體輻射和吸收的能量比同溫度下的其它物體都多.
經(jīng)典理論在短波段的這種失敗成為“紫外災(zāi)難”.
(2)普朗克假設(shè):
a.空腔黑體可用一些線性諧振子來代表.
b.諧振子只能處于某些特殊的不連續(xù)的狀態(tài)中,它們的能量只能是的整數(shù)倍.
c.發(fā)射和吸收的能量只能是的整數(shù)倍.
[例1](1)有一金屬圓柱體的表面積為S,其內(nèi)部裝有電熱絲,通電流后可以生熱,供熱的功率為,起始時(shí)圓柱體的表面以砂紙磨亮,其輻射發(fā)射率可視為零.經(jīng)通電加熱后,利用熱電偶測(cè)得圓柱體表面達(dá)成熱平衡時(shí)的溫度為.現(xiàn)利用蠟燭將該圓柱體表面熏黑,其輻射發(fā)射率可視為1,以同樣的方式通電加熱,則圓柱體表面的熱平衡溫度為T.設(shè)當(dāng)時(shí)金屬圓柱體周圍的環(huán)境溫度為,在實(shí)驗(yàn)期間穩(wěn)定不變.因熱傳導(dǎo)和對(duì)流而損失的熱量功率,可合理假設(shè)為正比于圓柱體表面溫度和環(huán)境溫度的差值.試求T和上述已知量,即S、P、、和,之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為何?
(2)下列為已知量的數(shù)值:
電熱絲的供熱功率
金屬圓柱體的表面積
金屬圓柱體表面磨亮?xí)r的熱平衡溫度
環(huán)境溫度.
試求圓柱體表面熏黑時(shí)的熱平衡溫度T為何?
[解析](1)當(dāng)金屬圓柱體表面磨亮?xí)r,沒有因輻射而致的熱損失,只有因傳導(dǎo)和對(duì)流而致的熱損失.后者根據(jù)題中的假設(shè),與圓柱表面溫度和環(huán)境溫度之間的差值成正比,故
(1)
式中k為比例常數(shù).當(dāng)圓柱體表面熏黑時(shí),除了因傳導(dǎo)和對(duì)流的熱損失外,還須加計(jì)輻射的熱損失.設(shè)圓柱體表面的熱平衡溫度為T,則
(2)
由上兩式消去比例常數(shù)k,可得
(3)
(2)將已知數(shù)值代入(3)式,可得
利用逼近求根法如下表:
T(K) |
(K4) |
434.0 |
|
435.0 |
|
435.5 |
|
435.6 |
|
435.7 |
|
436.0 |
|
若取三位有效數(shù)字,則
[總結(jié)]
第二講 光電效應(yīng)
普朗克提出了能量子概念以后,許多物理學(xué)家都想從經(jīng)典物理學(xué)中求得解釋,但始終無(wú)法成功.為了盡量縮小與經(jīng)典物理學(xué)之間的差距,普朗克把能量子的概念局限于振子輻射能量的過程,而認(rèn)為輻射場(chǎng)本身仍然是連續(xù)的電磁波.直到1905年愛因斯坦在光電效應(yīng)的研究中,才突破了普朗克的認(rèn)識(shí),看到了電磁波能量普遍都以能量子的形式存在.從光和微觀粒子相互作用的角度來看,各種頻率的電磁波都是能量為的光粒子(稱作光子)體系,這就是說,光不僅有波的性質(zhì)而且有粒子的性質(zhì).
3.黑體的經(jīng)典輻射定律
1879年,斯忒藩(J.Stefan,1835~1893年)從實(shí)驗(yàn)觀察到黑體的輻出度與絕對(duì)溫度T的四次方成正比,即:
1884年玻爾茲曼從理論上給出這個(gè)關(guān)系式.其中.
對(duì)一般物體而言,,為發(fā)射率,J為輻出度, ,式中,稱為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù).通常<1,但對(duì)黑體而言,e = 1 (即為完全輻射).
如果物體周圍的環(huán)境溫度為,則須考慮物體表面對(duì)入射輻射能的吸收.假定入射的輻射能通量密度為,為物體表面的吸收率,則該物體表面所吸收的輻射能通量密度為,通常a < 1,但對(duì)黑體而言,(即為完全吸收).因此物體表面對(duì)入射能量的反射率為.
從理論上我們不難證明物體表面的放射率和吸收率相等,即,此稱為我們可以說:容易輻射能量的物體,也容易吸收入射的能量.
處于熱平衡時(shí),黑體具有最大的吸收比,因而它也就有最大的單色輻出度.
2.黑體
熱輻射的規(guī)律是很復(fù)雜的,我們知道,各種物體由于它有不同的結(jié)構(gòu),因而它對(duì)外來輻射的吸收以及它本身對(duì)外的輻射都不相同.但是有一類物體其表面不反射光,它們能夠在任何溫度下,吸收射來的一切電磁輻射,這類物體就叫做絕對(duì)黑體,簡(jiǎn)稱黑體.
絕對(duì)黑體是我們研究熱輻射時(shí)為使問題簡(jiǎn)化的理想模型.實(shí)際上黑體只是一種理想情況,但如果做一個(gè)閉合的空腔,在空腔表面開一個(gè)小孔,小孔表面就可以模擬黑體表面.這是因?yàn)閺耐饷嫔鋪淼妮椛,?jīng)小孔射入空腔,要在腔壁上經(jīng)過多次反射,才可能有機(jī)會(huì)射出小孔.因此,在多次反射過程中,外面射來的輻射幾乎全部被腔壁吸收.在實(shí)驗(yàn)中,可在繞有電熱絲的空腔上開一個(gè)小孔來實(shí)現(xiàn),正因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用的絕對(duì)黑體都是空腔輻射,因此,黑體輻射又稱為空腔輻射.
1.熱輻射
在上一章中,我們已經(jīng)提到,開爾文勛爵所說的兩朵烏云的第二朵是黑體輻射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果被拔開時(shí),人們發(fā)現(xiàn)了近代物理學(xué)的兩個(gè)基礎(chǔ)理論的另一個(gè)理論即量子力學(xué)論.
量子論
由于溫度升高而發(fā)射能量的輻射源,通常稱為熱輻射.熱輻射體中原子和分子不發(fā)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化.熱輻射能量來自物體的熱運(yùn)動(dòng).物體在任何溫度下(只要不是絕對(duì)零度)都向四周進(jìn)行熱輻射,也從周圍吸收這種輻射.熱輻射的光譜是連續(xù)光譜.一般情況下,熱輻射的光譜不僅與輻射源的溫度有關(guān),還與它的表面特征有關(guān).
為了定量的描述熱輻射與溫度和物體特性的關(guān)系,首先引入下列概念:
(1)輻射出射度(簡(jiǎn)稱輻出度)
溫度為T的熱輻射體,在單位間內(nèi)從單位面積向各個(gè)方向輻射出的所有頻率的輻射能量.又稱為輻射能通量密度.
(2)單色輻射出射度
溫度為T的熱輻射體, 在單位時(shí)間內(nèi)從單位面積向各個(gè)方向所發(fā)射的、在某一頻率附近的單位間隔內(nèi)輻射能量(即功率)叫做該物體的單色輻射出射度.單色輻射出射度與溫度、頻率和物體的表面特性有關(guān).
(3)吸收本領(lǐng)
入射到物體上的輻射通量,一部分被物體散射或反射(對(duì)透明物體,還會(huì)有一部分透射), 其余的為物體所吸收.
一種情況是舉一個(gè)正面的例子、一個(gè)反面的例子,然后,對(duì)這兩個(gè)例子還要進(jìn)一步從正反兩個(gè)方面進(jìn)行分析以證明論點(diǎn)。另一種情況是舉一個(gè)例子,但這個(gè)例子里面含有正反兩種因素,這個(gè)例子舉完了,再?gòu)恼磧蓚(gè)方面來加以對(duì)照性分析以證明論點(diǎn)。注意由事例推及觀點(diǎn),在舉例后輔以論理,一正一反,比較闡述。言之成理,增強(qiáng)說服力。
也叫例后分析評(píng)價(jià)法。就是敘述事實(shí)論據(jù)后用精煉的語(yǔ)言揭示、評(píng)價(jià)事物或事件的效果、價(jià)值、影響,從而證明論點(diǎn)的一種方法。其作用在于由小見大,高度評(píng)價(jià),深入本質(zhì),揭示危害等。意義分析法標(biāo)志性詞語(yǔ)通常為“從……中,發(fā)現(xiàn)……,感受到……”。要緊扣論點(diǎn),選擇恰當(dāng)?shù)慕嵌葋矸治鲈u(píng)價(jià),語(yǔ)言要精煉,要言不繁,點(diǎn)到為止。
即披露一段文字解釋它的含義,在解釋含義過程當(dāng)中,使得這一段話更有說服力,更能證明觀點(diǎn)。當(dāng)然解釋意思本身也是在證明觀點(diǎn)。
不少同學(xué)寫作文喜歡引用名言名句,但往往只是簡(jiǎn)單地引一下就完了,有時(shí)這樣的效果不好,可作適當(dāng)分析。在解釋含義過程當(dāng)中,使得這一段話更有說服力,更能證明觀點(diǎn)。
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