物理3-5第17章第一节能量量子化

第一节第一节 能量量子化能量量子化 光的粒子光的粒子 考点考点 1 1 黑体和黑体辐射黑体和黑体辐射 1 1 热辐射现象 热辐射现象 1 定义 任何物体在任何温度下都要发射各种波长的电磁波 并且其辐射能量的大小及 辐射能量按波长的分布都与温度有关 2 热辐射 我们周围的一切物体都在辐射电磁波 这种辐射与物体温度有关 所以叫热辐射 这种由于物质中的分子 原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射 3 热辐射的特性 物体在任何温度下都会辐射能量 物体既会辐射能量 也会吸收能量 物体在某个频率范围内发射电磁波能力越大 则它 吸收该频率范围内电磁波能力也越大 辐射强度按照波长的分布情况随物体的温度变化而有所不同 a 当物体温度较低时 如 室温 热辐射的主要成分是波长较长的电磁波 在红外线区域 不能引起人的视觉 b 当 温度升高时 热辐射中较短波长的成分越来越强 可见光所占份额增大 如燃烧饿炭块会 发出醒目的红光 辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡 此时温度恒定不变 实验表明 物体辐射能多少决定于物体的温度 物体的温度 T T 辐射的波长 时间的长短和发射的 辐射的波长 时间的长短和发射的 面积 面积 2 2 黑体黑体 1 定义 如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射 这种物体 就是绝对黑体 简称黑体 2 理解 能全部吸收各种频率的电磁辐射 是理想模型 绝对黑体实际是不存在的 3 模型 不透明的材料制成带小孔的空腔 可近似看成黑体 4 物体具有向四周辐射能量的本领 又有吸收外界辐射来的能量的本领 5 黑体是指在任何温度下 全部吸收任何波长的辐射的物体 3 3 黑体辐射黑体辐射 黑体辐射的特点 一般物体辐射的电磁波的情况除了与温度有关之吻 还与材料的 种类以及表面的情况有关 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关 4 4 黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律 1 温度一定时 黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值 2 随着温度的升高 一方面 各种波长的黑体辐射强度都有增加 另一方面 辐射强度 的极大值向波长较短方向移动 3 19 世纪末 物理学家从实验和理论两方面严重各种温度下的黑体辐射 测量了他们 的黑体辐射强度按波长分布如图所示 5 5 黑体辐射的实验规律的理论解释黑体辐射的实验规律的理论解释 1 黑体中存在大量不停运动的带电微粒 带电微粒的振动产生变化 的电磁场 向外辐射电磁波 2 维恩维恩公式解释 1896 年 德国物理学家维恩从热力学理论出发 得到一个公式 但是它只在短波区与实验非常接近 在长波区则 与实验偏离很大 3 瑞利瑞利公式解释 1900 年 英国物理学家瑞利从经典电磁波理论出发推导出一个公式 其预测结果如图所示 在长波区与实验基本一致 但是在短波区与实验严重不符 不 符合 而且当波长趋于 0 时 辐射强度竟变成无穷大 这种情况当时称为 紫外灾难 考点考点 2 2 普朗克能量量子化假说普朗克能量量子化假说 1 1 量子论量子论 1 创立标志 1900 年普朗克在德国的 物理年刊 上发表 论正常光谱能量分布定律 的 论文 标志着量子论的诞生 2 量子论的主要内容 普朗克认为物质的辐射能量并不是无限可分的 其最小的 不可分的能量单元即 能量 子 或称 量子 也就是说组成能量的单元是量子 物质的辐射能量不是连续的 而是以量子的整数倍跳跃式变化的 3 量子论的发展 1905 年 爱因斯坦奖量子概念推广到光的传播中 提出了光量子论 1913 年 英国物理学家玻尔把量子概念推广到原子内部的能量状态 提出了一种量子化 的原子结构模型 丰富了量子论 到 1925 年左右 量子力学最终建立 2 2 能量子能量子 振动着的带单微粒的能量只能是某一最小能量值 的整数倍 例如 可能是 或 2 3 当带电微粒辐射或吸收能量时 也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸 收 这个不可再分的最小能量值 叫做能量子 3 3 能量子公式能量子公式 h 其中 叫能量子的能量 h 叫普朗克常量 h 6 63 10 34J S 电磁波的频率 4 4 能量的量子化能量的量子化 在微观世界中能量不能连续变化 只能取分立值 这种现象叫做能量的量子化 5 5 能量子假说的意义能量子假说的意义 普朗克常量 h 是自然界中最基本的常量之一 考点考点 3 3 光电效应光电效应 1 1 定义 定义 在光 包括不可见光 的照射下物体发射出电子的现象叫光电效应光电效应 发射出来的 电子叫光电子光电子 2 2 光电效应的实验规律 装置 如图 光电效应的实验规律 装置 如图 图图 1 1 图图 2 2 1 实验装置 如图 2 所示 阴极 K 和阳极 A 是封闭在真空玻璃管中的两个电极 K 在受 到光照时能够发射电子 电源加在 K A 之间的电压大小可以调整 正负极可以对调 电源 按如图极性连接时 阳极 A 吸收阴极 K 发出的光电子 在电路中形成光电流 2 实验现象 光线经石英窗照在阴极上 便有电子逸出 光电子 光电子在电场作用 下形成光电流 3 光电效应的实验结果 存在饱和电流 遏止电压 光电子具有最大的初动能 首先在入射光强度和频率不变的 情况下 I U 的实验曲线如图所示 曲线表明曲线表明 a 当加速电压 U 增大到一定值时 光电流达到饱和值 Im 这是因为单位时间内 从 阴极 K 射出的电子全部到达阴极 A 若单位时间内从阴极 K 上逸出的光电子数目为 n 则饱和电流饱和电流 Im neIm ne 式中 e 为电子电荷量 b 当电压 U 减小到零 并开始反向时 光电流并没有减小到零 这表明从阴极逸 出的的电子具有初动能 电子具有初动能 所以尽管电场阻碍它运动 仍有部分光电子到达阳极 A 胆当反 向电压等于 UcUc 时 就能阻止所有光电子飞向阳极 A 使光电子降为 0 这个电压就叫遏止遏止 电压 电压 它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极 A 如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接 触电势差 那么就能根据遏止电压 Uc 来确定电子的最大初速度 vm 即mvmv eUm eUm 2 1 2 m 存在截止频率 在用相同频率 不同强度的光去照射阴极 K 时时 得到 I U 曲线如图 2 所示 IO1 IO2 IO3表示入射光的强度 它显示了不同强度的光 Uc 是相同的 Im 是不 同的 这说明相同频率 不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的 饱和电流 Im 是不同的 此外 用不同频率的光去照射阴极 K 时 实验结果 频率越高 Uc 越大 如图 3 所示 还得到了遏止电压与入射光的频率的图线是成线性关系的 如图 4 所示 频率低于 c 的 光 不论光强多大 都不能产生光电子 因此 c c 称为截止频率 不同材料的截止频率不称为截止频率 不同材料的截止频率不 同同 图图 2 2 图图 3 3 图图 4 4 4 光电效应的实验规律 饱和电流和入射光强度的关系 饱和电流 Im 的大小与入射光的强度成正比 也就是单位单位 时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比 时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比 任何一种金属都有一个极限频率 入射 光的频率必须大于这个极限频率才能发生光电效应 低于极限频率的光不能发生光电效应 光光电子的最大初动能与入射光的强度的关系 电子的最大初动能 或遏止电压 与入 射光的强度无关无关 只与入射光的频率有关 频率越高 光电子的最大初动能 或遏止电压 频率越高 光电子的最大初动能 或遏止电压 越大越大 光电效应的产生与入射光的频率和光强的关系 a 任何一种金属都有一个极限频率 入 射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应 b 频率低于极限频率的入射光 无论 光电流强度 反映单位时间发射出的光电子数的多少 多大 照射时间多长都不能是光电 子逸出 光电效应的瞬时性 光的照射和光电子的逸出几乎是同时的 在测量精度范围内 光电 子的发射一般不超过 10 9秒 观察不出这两者之间存在滞后现象 即光电效应几乎是瞬时 的 考点考点 4 4 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 1 光子说 1905 年爱因斯坦爱因斯坦提出 空间传播的光也是不连续的 而是一份一份的 每一份称为一 个光子 光子具有的能量与光的频率成正比 即 h 其中是电磁波的频率 h为普朗克恒量 h 6 63 10 34 sJ 2 光电效应方程 0 WhEk 其中 Ek mvmv为光电子的最大初动能 W0为金属的逸出功 2 1 2 m 1 式中 Ek是光电子的最大初动能 就某个光电子而言 其离开金属时的动能大小可以 是 0 Ek范围内的任何数值 2 光电效应方程表明 光电子的最大初动能与入射光的频率 v 成线性关系 不是正比关 系 与光强无关 3 光电效应方程包含了产生光电效应的条件 即 0 亦即 hv W0 v 0 WhEk v0 而 v0 就是金属的极限频率 当Ek 0 时 c为极限频率 c h 0 W h 0 W h W0 4 光电效应方程实质上是能量守恒方程 5 逸出功 W0 电子从金属中逸出所需要的束缚而消耗的能量的最小值 叫做金属的逸 出功 光电效应中 从金属表面逸出的电子消耗能量最少 3 光子说的重要意义 1 光子说能很好地解释光电效应 2 光由大量的微粒即光子构成 光具有粒子性 3 光子与光电子 光子是指在空间传播时的每一分能量 光子不带电 光电子是金属表面受到光照射时 发射出来的电子 其本质是电子 光子是光电效应的因 光电子是果 考点 5 光电效应曲线 1 Ek v 曲线 如图 1 所示的是光电子最大初动能 Ek随入射光频率 v 的变化曲线 这里 横 轴上的截距是阴极技术的极限频率 纵轴上的截距是阴极金属的逸出功负值 斜率为普朗 克常量 Ek v 是一次函数的关系 不是正比 0 WhEk 2 I U 曲线 如图 2 所示的是光电流 I 随光电管两极板间电压 U 的变化曲线 图中 Im 为饱 和电流 Uc 为遏止电压 3 说明 1 利用mvmv eUm eUm 可得光电子的最大初动能 2 1 2 m 2 利用 Ek v 曲线可得极限频率和普朗克常量 图 1 图 2 考点考点 6 6 康普顿效应康普顿效应 1 光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用 因而传播方向发生改变 这种现象叫做光 的散射 2 康普顿效应 1923 年美国物理学家康普顿康普顿在做石墨对 X 射线散射的实验时 发现散射 线中除有与入射线波长 0相同的成分射线外 还有波长大于 0的成分 这个现象叫康普 顿效应 3 经典物理的理论无法解释康普顿效应 按照经典物理的理论 由于光是电磁振动的传播 入射光将引起物质内部带电粒子的受 迫振动 振动着的带电粒子从入射光吸收能量 并向四周辐射 这就是散射光 散射光的 频率应该等于带电粒子受迫振动的频率 也就是入射光的频率 因而散射光的波长与入射 光的波长应该相同 不应该出现 0的散射光 4 用光子说解释康普顿效应 康普顿认为 X 射线的光子不仅具有能量 也像其他粒子那样具有动量 X 射线的光子与 晶体中的电子碰撞时要遵守能量守恒定律和动量守恒定律 求解这些方程 可以得出散射 光波长的变化量 理论结果与实验符合的很好 下图为 X 射线的光子与石墨中电子碰撞前后状态的示意图 5 光子的动量 狭义相对论告诉我们 质量为 m 和能量 E 有简单的对应关系 E mc2 一个光子的能量 是 hv 所以它的质量是 m 借用质子 电子等粒子动量的定义 动量 质量 速度 2 c hv 可得光子的动量 注意 光子的静质量为零 这里所说光子质量是光子的相对质量 P mc P mc c c 即 即 P P 2 c hv h h 在康普顿效应中 入射光子与晶体中的电子碰撞时 把一部分动量转移给电子 光子的在康普顿效应中 入射光子与晶体中的电子碰撞时 把一部分动量转移给电子 光子的 动量变小 由动量变小 由 P P 知动量越小意味着波长越长 知动量越小意味着波长越长 h 总结总结 1 1 光子不仅具有能量 还具有动量 在与其他微粒作用过程中遵守能量守恒定 光子不仅具有能量 还具有动量 在与其他微粒作用过程中遵守能量守恒定 律律 和动量守恒定律和动量守恒定律 2 2 光电效应和康普顿效应都说明 光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性光具有粒子性 3 3 对于康普顿的理解可以类比于实物粒子的弹性碰撞 在散射过程中要遵守动量 对于康普顿的理解可以类比于实物粒子的弹性碰撞 在散射过程中要遵守动量 守恒定律守恒定律 4 4 是否发生光电效应或康普顿效应取决于 是否发生光电效应或康普顿效应取决于入射光的波长 入射光的波长 当波长较短的当波长较短的 X X 射线或射线或 射线入射时 产生康普顿效应 当波长较长的可见光或者紫外光入射时 主射线入射时 产生康普顿效应 当波长较长的可见光或者紫外光入射时 主 要产生光电效应 要产