第7章 光的量子性ppt课件

第七章光的量子性,主要内容,1、光速及其测定方法；,2、以光的量子性为基础，介绍光电效应和康普顿效应；,3、光的波粒二象性。,第一单元（1）：光速及其测定方法；第二单元（23）：热辐射的经典定律和普朗克量子假设。第三单元（45）：光电效应，光电效应方程。第四单元（6）：康普顿效应。第五单元（78）：量子理论对光本性的认识。,教学目的：,理解光速的概念，牢固掌握能量子概念和光电效应方程，能应用光电光电效应方程进行实验规律的解释和实际计算；理解光电效应和康普顿效应所体现的光的量子性。,内容分析：,重点难点：,能量子假设、光电效应。,7.1光速及其测定,一、真空中的光速,1、理论值：,2、测量值：,二、测量方法,最可靠值,1、天文学方法：,木星卫星蚀法（罗默，1676年）：,天文学方法受观测精度的影响，精度很低。,恒星光行差法（布喇法雷，1728年）：,2、实验室方法：,伽利略法：,旋转齿轮法（斐索，1849年）：,旋转镜法（付科，1851年）：,激光测速法：,三、相速度和群速度,1、相速度：单色光波等相面的传播速度。通常意义上的光速。,2、群速度：光波的某一确定振幅（能量）的传播速度：,3、相速、群速的关系（瑞利公式）：,7.2热辐射,一、辐射的分类：,经典电磁理论观点：电磁场是连续的，其能量是连续分布于场所在的整个空间。,19世纪末20世纪初，黑体辐射、光电效应、康普顿效应的相继出现，造成了经典电磁理论的困难。促使人们挣脱经典连续观念的束缚，从全新的角度重新考虑经典理论的适用性。从而建立了量子理论。,1、定义：物体向外发射能量的过程称为辐射,2、分类：在向外辐射能量的过程中，物体将消耗本身的能量，要维持辐射，必须要从外界不断补充能量或物体内部产生某种变化。按能量补充的不同形式，辐射可作如下分类：,化学发光：由自身内部化学变化（如燃烧）补充能量；,光致发光：由外来光或其它辐射不断或预先照射补充能量；,场致发光：由外加电场补充能量；（如火花放电、电弧光、辉光等）；,阴极发光：由电子束轰击固体物质所产生的辐射；,热辐射：外加热源补充能量。,二、热辐射,任何温度下的任何物体都能发出热辐射；,热辐射的能量大小和成份取决于辐射体温度，遵从基尔霍夫定律；,温度越低，辐射能量越小，长波（如红外线）成份越多；温度越高，辐射能量越大，短波（如紫外线）成份越多。,三、黑体辐射,1、黑体：表面不反光，能在任何温度下吸收入射的一切频率电磁波的物体，称为绝对黑体，简称黑体。,2、黑体辐射实验曲线：,每条曲线有一个极大值,随温度升高，辐出度（能量）快速增大；,随温度升高，极大值向短波移动；,0,M0,3、黑体辐射的经典规律：,从上图可看出，解决黑体辐射问题关键是找出辐出度M（，T）的具体表达式。围绕该图，众多物理学家从经典理论出发，进行了大量的工作，其中以下述结论相对有效：,A：斯忒藩波尔兹曼定律：辐射总能量T4。与曲线总趋势吻合,B、维恩位移定律：,T增大时，曲线最大值向短波移动；,T不太高时，辐射能量主要集中一长波区，发出红外线和红色光；,T较高时，辐射能量主要集中一短波区，发出紫外线和白光；,在温度较高时，维恩定律结论与实验曲线基本吻合。,C、瑞利金斯定律：,在长波区与实验曲线相当吻合；,随波长的减小，与实验曲线差距增大；,紫外灾难,7.3Plank量子假设能量子,一、Plank量子假设,1900年，Plank分析了前述三种经典规律认为：其之所以不能真实反映黑体辐射的客观规律，最根源是经典理论的连续性。他认为：,辐射体由很多谐振子组成，每个谐振子发出一种单色波；每个振子的能量不能连续变化，只能处于某些特殊的能量状态：一个最小能量单位的整数倍,在发射或吸收能量时，振子只能从这些特殊状态之一飞跃到另一状态，发射或吸收能量只能是E0的整数倍；,可能的能量状态能级；能量的不连续变化能量量子化；,最小能量单位E0能量子，简称量子。,频率为的能量子,二、Plank黑体辐射公式：,Plank利用量子假设，得出了黑体辐射有公式，并园满解释了实验规律，证明了量子假设的正确性。,7.4光电效应,1905年，在研究光电效应的过程中，Einstein将局限于振子辐射过程的Plank能量子假设推广到整个电磁场，认为电磁波的能量均以能量子的形式存在。从而，光不仅是一种波动（电磁波），也是一种粒子（光子）。并园满解释了不电效应现象。,一、定义：,当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象。,逸出的电子称为光电子。,光电子由阴极K运动到阳极A所产生的电流光电流,三、实验定律：,1、光电流与入射光强度的关系：,当入射光频率和强度不变时，加速电压V增大则光电流I值增大；光电流I有一饱和值，此时单位时间内由阴极逸出的光电子全部到达阳极。若单位时间内逸出的光电子数为n，则I饱和值Im=ne,保持入射光频率不变，光强改变时，饱和电流Im将改变：光强越大，单位时间内从金属K上被击出的电子数n越多；反之，亦然。,规律一：饱和电流Im的大小与入射光强度成正比。亦即单位时间内被击出的是光电子数与入射光强度成正比。,2、光电子初动能与入射光频率的关系：,当频率不变时，加速电压V减小，则光电流I也减小；如上页图当V=0时，I0，证明光电子具有初动能；当加上反向电压V=Vg时，I=0，称Vg为遏止电压。,当频率不变时，光电流随入射光强度而变化，但其为遏止电压Vg是相同的，即：不同强度的入射光所产生的光电子的最大初动能是相同的。,遏止电压Vg值与入射光强无关，仅与入射光频率有关，当增大时，Vg增大，即光电子初动能随频率增大而增大。,光电效应存在一个极限频率0。当0时，不论光强如何，均不产生光电效应现象。0称为阈频率，不同的金属材料阈频率不同。,规律二：光电子的最大初动能（或Vg）与入射光强无关，仅与入射光频率有关，越高，光电子能量越大。,规律三：频率低于阈频率0的入射光，不论强度多大、照射时间多长，都不能使光电子逸出。,规律四：光的照射和光电子的释放几乎是同时的，在测量精度范围内(109秒)观察不到滞后现象。,四、实验事实与经典波动理论的矛盾,经典波动理论无法解释光电效应的实验规律,按波动观点：,A、逸出表面的光电子的初动能取决于入射光的强度；光愈强，传给电子的能量越大，光电子获得的初动能就愈大。,与实验规律二矛盾：与入射光强无关，只随频率线性增加。,B、只要光强足够大，任何频率的入射光均可产生光电子。,与实验规律三矛盾：只有频率大于阈频率0的入射光才能产生光电子。,C、电子从入射光中获得足够的能量以挣脱束缚逸出表面，必须要一定的时间积累。光愈弱，积累时间越长。,与实验规律四矛盾：入射与产生光电子（光电流）同时。,7.5Einstein量子解释,一、光量子假设,1905年，Einstein在对普朗克能量量子化假说进行了5年的思考、研究的基础上，发表了题为关于光的产生和转化的一个试探性观点的著名论文。文中作为光量子假说的例证之一，解释了光电效应产生的机制。爱因斯坦因此贡献而获得1921年诺贝尔物理学奖。,光在传播中表现出波动性，而在发射吸收等相互作用中则具有类似粒子的性质。光能量集中在光量子（简称光子）上，每个光子的能量为。,所以：光在与其它物质相互作用过程中，可看成是由很多光子组成的光子流。,二、Einstein光电效应方程,光电效应的产生机制：当一个光子入射时，其全部能量被一个电子吸收，其中的一部分用作电子的逸出功，剩余部分成为电子的初动能。,由能量守恒和转换定律，以上过程可以表示为：,爱因斯坦光电效应方程。,三、光电效应的量子解释,1、因为入射光强I0决定着光子的总数N，逸出的光电子数nN，而光电流I=ne，所以光电流IN，即光电流与入射光强成正比。,2、对一种金属而言，逸出功A为定值。根据光电效应方程，当入射光频率增高时会使得光电子的初动能增大，即初动能与入射光频率成正比。,3、由光电效应方程可知，只有当时，才可产生光电效应现象，0为光电效应的极限频率。与0对应的波长称为红限波长。,因为一个电子一次吸收一个光子的全部能量，所以瞬间便可产生光电效应，延迟时间与入射光强无关。,四、遏止电压Vg与入射光频率的关系,1914年，密立根经过近十年的艰苦实验，测得遏止电压Vg与入射光频率为线性关系，从而验证了爱因斯坦光电效应方程的正确性。密立根因此项工作于1923年获诺贝尔物理学奖。,直线与横轴的交点：,五、光子的质量和动量,光子既然具有能量，就必然具有质量。对于速度为光速或接近光速的粒子，应以狭义相对论中的有关结论来讨论。,由狭义相对论中能量质量关系：,可得光子质量：,由狭义相对论中质量速度关系：,由于光子的运动速度为光速c，故光子的静止质量m0=0。,由狭义相对论中能量动量关系：,可得光子动量：,7.6Compton效应,式中：入射光与散射光方向之间的夹角。k：当=90时波长的改变值，为一常量。k=2.42630810-12m,到1923年，Compton用了5年时间研究X射线散射，获得重大突破，再次验证光的量子性。他因此而于1927年获诺贝尔物理学奖。,一、定义：,X射线通过石墨晶体发生散射时，散射谱线中除了与入射波长相同的成份外，还有一些波长增大的成份，这种波长改变的散射称康普顿效应。,三、实验结果：,波长的改变量与入射光波长无关，与散射物质无关，仅取决于散射方向，即：,四、说明：,由于X射线波长极短，即使通过不含杂质的物质时