量子物理学基础1.ppt

第11章 量子物理学基础,近年来的发展,* 粒子物理：高能加速器产生新粒子，已发现300种。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。,* 天体物理：运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。,* 太阳中微子短缺问题,* 引力波存在的问题,* 物体的速度能否超过光速的问题,* 非平衡热力学及统计物理,物理学发展的总趋向：,* 学科之间的大综合。,* 相互渗透结合成边缘学科。,20世纪物理学中两个重要的概念：场和对称性。,从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出, 光电效应 康普顿效应。, 黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难”。, 原子的线光谱和原子结构。,11.1 热辐射 普朗克量子化假说（略）,11.1 热辐射 普朗克量子化假说（略）,11.2 光电效应 爱因斯坦光量子假说,11.2.1 光电效应,如图所示，为光电效应的基本装置。 S：真空的玻璃容器 m：石英玻璃窗 A：阳极 K：阴极（金属板）,当紫外线或波长很短的可见光照在阴极时，金属板将释放电子，即光电子。,（1）饱和光电流强度与入射光强度成正比。,或者说：单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光强成正比。,如图即为相同频率，不同入射光强度。,1.光电效应的实验规律（实验结果）,Is称为饱和光电流,U0称为遏止电压（I=0 的电压）,（2）光电子的初动能与入射光强度无关，而与入射光 的频率成正比。,（3）产生光电效应的金属具有一定的截止频率。,（4） 光电效应具有瞬时性，或说响应速度很快，10-9s。,只要 ，则在光照射金属表面后，几乎立即就有光电子逸出，与光的强度无关。,* 经典认为，光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动能也该大，即初动能正比于光强。但实验上光电子初动能只与频率有关，而与光强无关。,* 只要频率高于红限，即使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，光强再大也没有光电流。而经典认为，有无光电效应不应与频率有关。,* 瞬时性。经典认为，光能量分布在波面上，吸收能量要一定的时间，即需能量的积累过程。,11.2.2 经典理论的困难,例如：强度为1W/m2的光照在金属Na 上需107s，即115天电子才能逸出。（经典）,11.2.3 光量子假说,1.爱因斯坦光量子假说：光子论,假设：一束光是一粒一粒以速度c运动的粒子流，这些粒子称光子，但它们仍保留频率、波长的概念。,认为光不仅在与物质相互作用（发射和吸收）时具有粒子性，而且在传播过程中也有粒子性。,一个频率为 的光子具有能量 ，其中h为普朗克常数，值为：,由相对论知识可知：,2.用光量子假说解释光电效应,（2）当入射光子的能量小于逸出功时，光电子的初动 能为零，不能逸出；只有当hA时，才能产生光电效应。截止频率=A/h。,（3）光的强弱只表明光子数的多少，而光子的能量恒 定。一个光子的能量是一次地被电子吸收的，所以，只要hA，电子吸收光子即逸出，具有瞬时性。,3.光电效应在近代技术中的应用,光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等。,光电倍增管,解：,例1 设有一半径为1.010-3 m的薄圆片，它距光源1.0m。此光源的功率为1W，发射波长为589nm的单色光。假定光源向各个方向发射的能量是相同的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数。,1920年，美国物理学家康普顿在观察X射线被物质散射时，发现散射线中含有波长发生变化了的成分。,11.3 康普顿效应,实验装置,实验结果,（1）在散射X 射线中除有与入射波长相同的射线外，还有波长比入射波长更长的射线。,（2）波长的增加量 与散射角 有关。,（3）当散射角 确定时，波长的增加量 与散射物质的性质无关。,（4）散射的强度与散射物质有关。原子量小的散射较强，即正常峰较低；反之相反。,经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率。经典理论无法解释波长变化。,经典理论的困难,电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理。,1.物理模型,入射光子（ X 射线或 射线）能量大。,固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子。,量子解释,电子热运动能量 ，可近似为静止电子。,范围为：104 eV105 eV,2.理论分析,能量守恒,动量守恒,康普顿波长,康普顿公式,实验总结的结果：,可见：实验与理论结果符合得相当好！,散射光波长的改变量 仅与 有关,散射光子能量减小,3.结论,康普顿散射进一步证实了光子论，证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒两象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。,应用光子概念解释康普顿散射：,（1）一个光子与散射物中一个自由电子或束缚较弱的电子发生碰撞后，光子将沿某一方向散射，即康普顿散射的方向。在碰撞时，光子的一部分能量传给电子，所以散射光子的能量比入射光子的能量小，即散射光波的波长要比入射光波的波长大。,（2）若光子与原子中束缚很强的电子碰撞，由于整个原子的质量比光子大得多，光子的能量没有显著变化，所以散射光的频率没有显著变化，即散射光波的波长与入射光波的波长相等。,解：（1）,例1 波长0=1.0010-10m的X射线与静止的自由电子作弹性碰撞，在与入射角成90角的方向上观察，问：,（2） 反冲电子的动能,（3） 光子损失的能量反冲电子的动