量子物理基础6-2(基础物理课堂讲稿下第二十八讲).ppt

6 1黑体辐射和普朗克的量子假设 6 2光电效应和爱因斯坦的光子理论 6 3康普顿效应 6 4玻尔的氢原子理论 6 5微观粒子的波动性 6 6波粒二象性分析 6 7不确定关系 6 8波函数和概率幅 6 9薛定谔方程 6 10薛定谔方程应用举例 普朗克 玻尔 问题 3 光的波粒二象性怎么理解 1 什么是光电效应四现象 2 爱因斯坦光子理论是怎样解释光电效应四现象 4 什么是康普顿效应 它揭示了什么 5 爱因斯坦光子理论是怎样解释康普顿效应 6 微观世界里能量守恒吗 动量守恒吗 7 可见光有康普顿效应吗 6 2光电效应和爱因斯坦的光子理论 1886年 德 赫兹发现了电磁波 1887年接收器 纸暗室里 火花暗了 发现了光电效应 紫外光照效果更明显 1888年 俄 斯托列托夫实验 现象 网接正 板接负 有电流 网接负 板接正 无电流 紫外光照效果更明显 结论 负电极在光照下放出负电粒子形成电流 光电效应实验规律 1899年 英 汤姆生实验e m 实验现象 光电粒子返回到阴极 磁场足够强 无电流 光电粒子作园弧运动 根据电压 磁场和金属板间距 可计算出光电粒子的荷质比e m 与阴极射线电子荷质比e m比较相同 结论 光电效应是光照射使金属内部的自由电子获得大动能 从金属表面逃逸到空间的一种现象 1899年 德 勒纳德实验逸出能量和最大速度 A 实验现象 加正向电压 有饱和电流 零电压 有电流 加小反向电压 有电流 当反向电压超过一定值 遏止电压U0 时 无电流 U0与光强无关 光电子vmax与光强无关 A 由U0求vmax 光电子减速运动 光电子加速 进 步发现 光照后即刻有光电流 低于某频率光照射无光电效应 加阴极射线研究勒纳德1905年获诺贝尔物理奖 实验结果归纳如下 饱和电流I 一定光强E 电压U 光电流I饱和 饱和值I与入射光强E成正比 遏止电压U0 反向电压 U U0 无光电流 截止频率 0 红限 0的光照射 无光电效应 U0与入射光频率 成正比 弛豫时间 10 9s 照射后即刻产生光电流 E1 E2 E3 不同金属材料 0不同 但斜率同 U0 光的波动说遇到的困难 按照光的波动说光能量 光振幅2 爱因斯坦光子理论 1905年爱因斯坦 普朗克能量子 hv 启发 发表了 关于光的产生和转化的一个试探性观点 论文 提出光子理论 解释了光电效应 爱因斯坦论文指出 光子理论 不仅在发射和吸收时 光的能量是一份一份的 而且光本身就是由一个个集中存在的 不可分割的能量子组成 其能量为hv 对于时间平均值即统计的平均现象 光表现为波动 但对于瞬时值即涨落现象 光却表现为粒子 爱因斯坦认为这是 非常革命 的 爱因斯坦光子理论 解释光电效应 光照下 金属中自由电子 吸收一个光子能量hv 一部分用来克服金属表面的逸出功A 由能量守恒 爱因斯坦方程 或 金属物理模型 金属离子浸在电子海中 另一部分为逸出时的动能 1 2 mv2 金属 光强一定 光子数一定 光电子数一定 饱和 光强 光子数 光电子数 饱和电流 1 2 mv2 hv A 与v成正比 与光强无关 1 2 mv2 hv A 0 才有光电子 截止频率 0 A h 红限 电子吸收hv 无需积累能量时间 即刻产生光电流 爱因斯坦光子理论成功解释了光电效应 但仍有人不服 进一步作什么实验才能让世人口服心服 请同学们思考 不同金属材料 0不同 但斜率同 用不同频率v光对不同金属材料作实验 实验曲线如图 实测斜率值 爱因斯坦理论斜率值 斜率 h e 若h爱 h普普朗克常数 便成功 普朗克常数h爱 e 实测斜率 1915年 美 密立根改进勒纳德实验如图 实验难度分析 表面氧化物 接触电势差 影响测量结果 用刮刀把金属表面氧化物去掉 让新鲜表面露出 用汞灯光经光栅出来的6根谱线 1 6单色光分别入射 调反向电压U 无光电流 遏止电压U0 紫外光 可见光 1916年密立根发表的两张实验曲线如下 爱因斯坦获1921年诺贝尔奖 补发 密立根获1923年的诺贝尔物理学奖 斜率 h爱 6 56 10 34J s h普 6 65 10 34J s h爱 h普 偏差 0 5 结论 爱因斯坦光子理论正确 六个频率的遏止电压接成直线 6 3康普顿效应 概述 1905年爱因斯坦提出光子理论 并成功解释了光电效应 1916年密立根实验判决性地证明光子理论正确 但仅可见光紫外光的实验 而其仅占整个电磁波范围极少部分 推广光子概念遍及整个电磁波 汞有3根紫外光谱线 3根可见光谱线 因此 仍有物理学家们对此光子概念有疑虑 爱因斯坦光子概念 电磁波由光子组成 光子是整体起作用 光子能量E hv mc2 光子动量p mc hv c h 康普顿效应实验规律 康普顿自制设备如图 电流表 测散射X光强 高能X射线入射 使游离室里气体分子电离 散射X光强越大 则气体分子电离越多 电离电流值越大 反之亦然 测散射X光波长 由布拉格公式 2dsin k k 1 2 3 已知晶面间距d 电离电流值极大 可测 测出波长 见本教材p75 77 散射光强极大对应一个波长 实验结果 散射X光中两个波长 0 原入射波长 0 0 且 0散射X光强度 散射X光强度 在相同散射角下 不同金属 不同 0 但 相同 原子序数 0强度 原子序数 强度 康普顿效应理论解释 经典电磁理论无法解释 光的散射过程 入射光 电偶子吸收能量受迫振荡 空间变化电场 变化磁场 变化电场 电磁波 散射波 受迫振动 散射光频率 入射光频率 散射 入射 爱因斯坦光子理论可以解释 入射X光子 弹性碰撞 物中静止自由电子 自由电子 反冲电子 根据能量守恒和动量守恒有 相对论效应 x y 康普顿常数 散射X光中两个波长 0 原入射波长 并且 0 光子理论解释康普顿效应如下 核外层电子束缚弱 高能X光碰撞 产生散射光 核内层电子束缚强 高能X光碰撞 产生散射光 0 碰撞 能量守恒 反冲电子能量增加 hv散 hv入 0 解释 0 且 0散射X光强度 散射X光强度 电子反冲小 电子反冲大 反冲电子 散射X光子 不易脱离原子核 如同与原子碰撞 易脱离原子核 如同电子碰撞 公式上 物理上 反冲电子能量 0散射光强度 散射光强度 hv入 hv散能量差值 解释 在相同散射角下 不同金属 0不同 但 相同 原子序数 0强度 强度 原子序数 电子数 外层电子数相对减少 0强度 强度 解释 不同金属内电子本身是相同的 相同 公式上 相同 相同 物理上 康 肯定了在微观领域里能量守恒仍然成立动量守恒仍然成立 更重要的 具有判决性的实验工作 是用康普顿效应测普朗克常数并比较之 实验结果 h康 h普 h爱 康普顿效应重要意