光学教程第五版第七章光的量子性ppt课件.ppt

第七章光的量子性 1 7 2维恩公式和瑞利 金斯公式 7 3普朗克量子理论能量子假说 7 4光电效应光子 7 5康普顿效应的量子解释 7 6波粒二象性 7 1单色辐射出射度和吸收比基尔霍夫定律 2 相对论 测定光速 量子论 黑体辐射 光电现象 光学发展 微粒说 波动说 波粒二象性 二十世纪物理学的重大革命 起始于一些当时无法解释的光学现象 3 7 1单色辐射出射度和吸收比基尔霍夫定律 7 1 1热辐射和发光 热辐射 热运动能量转变为光能向外辐射的过程 辐射源不发生内部状态的变化 平衡热辐射 温度辐射 从外界吸收的热量等于辐射减少的热运动能量 辐射体温度不变 发光 辐射源内部状态发生变化向外辐射光能的过程 电致发光 光致发光 化学发光 热致发光 4 1 单色辐射出射度 物体表面单位面积在单位频率间隔内辐射的功率 辐射出射度 物体表面单位面积辐射的功率 单色幅出度 7 1 2单色辐射出射度和吸收比 5 2 单色吸收比 dW表示照射到温度为T的物体的单位面积上 频率在 d 范围内的辐射能 dW 表示温度为T的物体单位面积所吸收的频率在 d 范围内的辐射能 普适函数与材料无关 与材料有关 7 1 3基尔霍夫定律 物体的单色辐射出射度和单色吸收比的比值与物体的性质无关 只与温度和波长有关 6 7 2 1黑体 黑体 在任何温度状态下 全部吸收任何波长的电磁波 基尔霍夫定律 普适常数就是黑体的单色幅出度 由 黑体 同样温度下 黑体的辐射最大 绝对黑体不存在 黑体模型 曲线图 如右图 黑体是否一定是黑的 黑色物体是否就是黑体 7 2维恩公式和瑞利 金斯公式 7 1 斯特藩 玻尔兹曼定律 斯特藩 玻尔兹曼常数 5 67032 10 8w m2K4 2 维恩位移定律 黑体的幅出度 b 2 8978 10 3m K 两个实验定律 有一极大值 所对应的波长 随着温度的升高 极值波长向短波方向移动 7 2 1斯特藩 玻尔兹曼定律和维恩位移定律 8 经典辐射定律有局限性 维恩公式 热力学 瑞利 金斯定律 能量均分定理 k 1 38 10 23J K 紫外灾难 玻尔兹曼常数 维恩线 瑞利 金斯线 7 2维恩公式和瑞利 金斯公式 9 例 P266 1 已知 求表面温度 由维恩位移定律 2 已知E 1 352w m2 R 1 50 108kmd 1 39 106km 物体表面单位面积辐射的功率 太阳辐射的总功率 E 地面单位面积接受的辐射功率 10 1900年 普朗克提出一个假设 实用主义解释实验 但由此步入量子化 有质的飞跃 h 6 626176 10 34J s 普朗克常数 E0 2E0 吸收外来辐射 2E0 E0 辐射能量 辐射体由各种振动频率的谐振子组成 辐射能量连续 谐振子振动频率 3 谐振子从一个能量状态到另一个能量状态 2 每个谐振子能量不连续变化 只能处于某些分立的能量状态 最小的能量单位E0即为能量子 E0 2E0 3E0 7 3普朗克量子理论能量子假说 11 每个振子平均能量为 普朗克黑体辐射公式为 由普朗克假设 并根据玻耳兹曼分布振子处在温度T 能量E nE0状态的概率 普朗克公式 12 结果 1 与实验曲线完全相符合 2 短波时 小 相当于维恩公式 长波时 大 相当于瑞利 金斯公式 3 计算 常数 与实验定律一致 求极值 系数b与实验定律一致 反之 从实验测 和b 由普朗克公式推得h和k 其值与其它实验结果一样 说明普朗克公式有其正确方面 实现从经典 量子的过渡 13 7 4 1光电效应的实验规律 光电效应 电子在光的作用下从金属表面发射出来的现象 逸出来的电子称为光电子 实验装置 I V的实验曲线 普朗克 振子辐射能量量子化 但辐射场是连续的电磁波 1905年爱因斯坦研究光电效应 电磁场以量子的形式存在 7 4光电效应光子 14 1 饱和电流Im 入射光强I 2 遏止电压Uo与入射光频率有关 与I 无关 3 入射光频率 0 某一频率 无论照射多长时间 无光电流产生 4 只要 0 不管I 多弱 一照上去 就有光电流产生 1 光电效应的实验规律 光电子的最大初动能 eUo 15 可见 电子的最大动能 1 照射光愈强 逸出表面的电子数多 当电压足够大时 全部电子到达阳极 7 4 2光的波动理论困难 w 逸出功 自由电子脱出金属表面所需能量 用波动理论解释光电效应 w 自由电子运动到金属表面的能量 电子从光波获得的能量 所以饱和电流Im 入射光强I 16 2 照射的光强 接受的能量愈多 Uo应与光强有关 实际却与光的频率有关 矛盾 3 照射时间长 积累能量多 只要照射足够长时间 总会有电子逸出 有电流 实际却是若入射光频率 0 无论照射多长时间 无光电流产生 矛盾 4 光很弱 必须要照射长时间 十多分钟 才能积累足够的能量 使电子从金属表面逸出 但实际却只要 0 不管I 多弱 一照上去 就有光电流产生 矛盾 17 7 4 4光电效应的量子解释 1 光子假设 普朗克 吸收 辐射是分立的 电磁波是连续的 即振子能量量子化 而辐射场仍作连续的 爱因斯坦 光在传播过程中具有波动性 而在与物质相互作用过程中 能量集中在光 量 子上 每个光子能量 发射和吸收能量时 以一个光子为最小单位 辐射频率 h 普朗克常数 2 光电效应方程 光子能量 逸出功 光电子最大动能 一个电子吸收一个光子能量 一对一吸收 18 3 对光电效应的量子解释 1 入射光强I0 Nh 逸出光电子数n N 当电压足够大时 全部电子到达阳极 饱和电流Im ne 入射光强I 2 频率高 遏止电压V0大 3 频率高 能量h 大 只有在h W才会有电子逸出 4 只要h W 不管入射光多弱 有一个光子 就会有电子逸出 无需时间积累 0 c 0 红限波长 截止频率 19 4 实验验证 1916年 密立根用 接触电势差 替代 阳极 阴极 实验上证实了爱因斯坦假设 密立根获1923年诺贝尔奖 20 7 4 4光子 1 相对论的质量和能量公式 m0 静止质量 1 2 质能公式 静止能量 光子是一种粒子 但它不同于微粒 具有波粒二象性 粒子总能量 动能 适用于 c 21 3 动量 能量关系 p 动量 2 光子的质量和动量 光子的静止质量 m0 0 光子的能量 光子的质量 光子的动量 22 已知 波长 200nm的光入射铝表面 铝逸出功W 4 2ev 求 1 出射最快电子动能 2 Vg 3 铝红限 截止 波长 解 1 2 3 4 入射光强2w m2 求单位时间单位面积的光子数 4 23 实验结果 1 散射光有 0 0的波长 2 0 3 与散射物质以及入射波长 无关 只跟 有关 Is 0 Is Is 0 随散射物质的原子序数的增加而增大 Is 随散射物质的原子序数的增加而减小 1923年发现此现象 1927年康普顿获诺贝尔奖 7 5 1康普顿效应及实验规律 无法用波动理论解释 7 5康普顿效应的量子解释 24 光子与散射原子中电子的弹性碰撞过程 能量守恒 动量守恒 由余弦定理 得 康普顿波长 0 00241nm 7 5 1康普顿现象的量子解释 式中的m是指电子的质量 25 说明 1 能解释实验现象中 并与散射物质以及入射波长 无关 2 c 0 00241nm与实验测得的结果一致 3 在可见光范围 10 5 可忽略 表现经典散射 X射线 0 1nm 10 2 显示量子性 4 实际散射物质中 存在束缚电子 看成光子与原子碰撞 0 散射光中有原波长 0 原子序数增大 束缚电子增多