《光的量子性》PPT课件.ppt

第七章光的量子性 7 1光束的测定光的相速度和群速度 7 2经典辐射定律 7 3普朗克辐射公式能量子 7 4光电效应 7 5爱因斯坦的量子解释 7 6康普顿效应 7 7德布罗意波和波粒二象性 7 1光束的测定光的相速度和群速度7 2经典辐射定律7 3普朗克辐射公式能量子7 4光电效应7 5爱因斯坦的量子解释7 6康普顿效应7 7德布罗意波和波粒二象性 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 7 1光速的测定光的相速度和群速度 一 光速测定 光速测定历史 1849斐索齿轮法 1941安德孙克尔盒 1926迈克耳孙旋转棱镜法 1851傅科旋转镜法 1970美国国家标准局c 299792 458 0 001 km s 1983光速作为常量 二 光的相速度和群速度 相速度 严格的单色波所特有的波传播速度 群速度 非严格的单色波的波群的振幅向前传播速度 真空中 u 观察到的是能量传播 即振幅向前传播速度 群速 7 2经典辐射定律 一 热辐射 基尔霍夫定律 辐射种类 化学发光 光致发光 场致发光 阴极发光 热辐射 1 几个物理量 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 幅出度 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 2 基尔霍夫定律 普适函数与材料无关 与材料有关 一 热辐射 基尔霍夫定律 二 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 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 三 黑体的经典辐射定律及其困难 1 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 2 经典辐射定律及其局限性 维恩公式 热力学 瑞利 金斯定律 能量均分定理 k 1 38 10 38J K 紫外灾难 三 黑体的经典辐射定律及其困难 玻尔兹曼常数 维恩线 瑞利 金斯线 7 3普朗克辐射公式能量子 一 能量子 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 每个振子平均能量为 普朗克黑体辐射公式为 二 普朗克公式 二 普朗克公式 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 7 4光电效应 一 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年爱因斯坦对光电效应研究 电磁场以量子的形式存在 从实验中得到光电效应的规律 1 饱和电流Im 入射光强I 2 遏止电压Vg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 一 光电效应的实验规律 光电子的最大初动能 eVg 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 所以饱和电流Im 入射光强I 二 光电效应与波动理论的矛盾 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 二 光电效应与波动理论的矛盾 2 照射的光强 接受的能量愈多 Vg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 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 7 5爱因斯坦的量子解释 一 爱因斯坦的光子假设和光电效应方程 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 二 对光电效应的量子解释 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Vg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 三 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 四 光子的质量和动量 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 3 动量 能量关系 p 动量 2 光子的质量和动量 四 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 已知 波长为 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 铝红限波长 解 1 2 3 7 6康普顿效应 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 一 实验现象 无法用波动理论解释 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 二 康普顿现象的量子解释 式中的m是指电子的质量 二 康普顿现象的量子解释 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