湖南科技学院《大学物理-光学》课件-第7章

1、光学光学光学探光学探究究式教学式教学7.2经经典辐射定律典辐射定律黑体黑体的的经典经典辐辐射射定定律律 及其及其困难困难朱湘萍朱湘萍湖南科技学院湖南科技学院理理学院学院光学光学学学习习内容：内容：斯斯忒忒藩藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律维恩位移定律维恩位移定律 瑞瑞利利金斯定律金斯定律光学光学1884年玻年玻尔尔兹曼兹曼Boltzmann（18441906）从理论上，从理论上，导导出了这个关系出了这个关系式式，其中，其中， 5.67051 10 8 W /(m 2 K 4 )是一个普适常数，是一个普适常数，称称为为斯忒藩玻斯忒藩玻尔兹尔兹 曼常量曼常量.Boltzmann with his wif

2、e Henrietta in 1875困难：只涉困难：只涉及及辐射总能辐射总能量量，没涉及单色，没涉及单色辐辐出度出度。斯忒藩斯忒藩玻玻尔尔兹曼定兹曼定律律（1879-1884）：）：1879年，斯忒藩年，斯忒藩（J. Stefan,1835-1893)在实验中发在实验中发现现，黑体，黑体 的的辐出度与绝对温度的辐出度与绝对温度的四四次方成正次方成正比比，即，即04W B (T ) MB ( , T ) d T光学光学41893年年德国物理学家维恩德国物理学家维恩(WilhelmWien ,1864-1928)根据实验得根据实验得出出，黑体辐射时，单色，黑体辐射时，单色辐辐出度出度 的极大的极

3、大值值所对应的波长与绝对所对应的波长与绝对温温度成反度成反比比，即，即b是一是一个个与温度、波与温度、波长长无关的常数无关的常数，称称为为维恩常维恩常数，数， b2.898103mK，上式称为上式称为维维恩位移定律恩位移定律。维恩位维恩位移移定律表明，当定律表明，当黑黑体绝对温度升高体绝对温度升高时时，具有最大，具有最大 辐出度辐出度的的波长向短波区域移波长向短波区域移动。动。2.维恩位维恩位移移定律定律(1893)：Tm b光学光学MB (T )维恩线维恩线维恩维恩线：线：实验曲线实验曲线-仅在短波仅在短波段段与实验曲线相符与实验曲线相符由于维恩由于维恩最最早发现了热辐早发现了热辐射射，因此

4、获得了，因此获得了1911年诺贝尔年诺贝尔物理物理 学学奖。奖。光学光学6热辐射热辐射的的实验规律在现代科实验规律在现代科学学技术中应用很广技术中应用很广泛泛，它是，它是测测 量高温量高温、遥感、红外追踪等遥感、红外追踪等技技术的理论基础术的理论基础。例如：在例如：在大大 型炼钢型炼钢厂厂中炼钢炉内温度的中炼钢炉内温度的测测量，就是利用量，就是利用维维恩位移定律恩位移定律 来进行来进行测测量量。光学光学7 随后随后，1900年英国物年英国物理理 学家瑞利学家瑞利（L. Rayleigh, 1842 -1919）和金斯和金斯（ J. Jeans18771946 ）把把 分子运动论中的能量分子运动

5、论中的能量按按 自由度均分原理应用于自由度均分原理应用于电磁辐射，电磁辐射，导导出：出：J. Jeans18771946Rayleigh,1904年获年获诺诺贝贝尔尔物物理理 学学奖奖(由由于于氩氩原原子的子的发现）发现）上式称为上式称为瑞瑞利利金斯公式金斯公式，c为光速为光速，k为波耳兹曼常为波耳兹曼常数，数，k1.381023J/k.3.瑞瑞利利金斯定律金斯定律(1900) 4BM( , T ) 2 ckT光学光学42 ckTB M瑞瑞利利-金斯金斯公公式式-根根据据经典的能量均分原经典的能量均分原理理导出导出M(T )B瑞利瑞利金斯线金斯线只只适用于长波段适用于长波段维恩维恩线线瑞利瑞利

6、金金斯斯线线实验结果在实验结果在短短波部分的严重偏波部分的严重偏离离，在物理学史上，在物理学史上，被称为被称为“紫外灾难紫外灾难”。经典经典物物理学的推导均与实验理学的推导均与实验不不符。符。实验实验曲线曲线瑞利瑞利-金斯金斯线线光学光学谢谢你聆听谢谢你聆听欢欢迎下次来迎下次来到到光学微课堂光学微课堂，我们继续我们继续讨讨论论。光学光学朱湘萍朱湘萍湖南科技学院湖南科技学院理理学院学院光学探光学探究究式教学式教学7.4 光光电效应电效应光光电效电效应律应律光学光学学学习习内容：内容：光电效应的概念光电效应的概念光电流和外光电流和外加加电压之间的关系电压之间的关系 光光电电效应的实验规律效应的实验

7、规律光电效应的应用光电效应的应用光学光学1、光电效应相关、光电效应相关概念概念1 1光电效光电效应应：金金属及其化合物在光的属及其化合物在光的照照射下发射电射下发射电 子子的现象称为的现象称为光电光电效效应应，所发射的电子，所发射的电子称称为为光电光电子。子。2 2光电光电流流：光电子向阳极运光电子向阳极运 动而形成动而形成的的电流。电流。光电效应是光电效应是由由赫兹首赫兹首 先发现的先发现的。后来，勒后来，勒 纳德纳德证明了证明了光光电效应电效应 中发出的是中发出的是电电子。子。光学光学遏止遏止 电压电压2、光电流和外加、光电流和外加电电压之间的关系压之间的关系GVKAImg V22mgeV

8、1mV饱和饱和 电流电流VI光电伏安特性曲线光电伏安特性曲线 光光电子存在初动电子存在初动能能1V=0时时，光电流光电流I0，说说明？明？2 2正向电正向电压压 饱和电流饱和电流3 3当当I=0时时？ 遏止电遏止电压压（Vg)光学光学m 2I光强较弱光强较弱Im 1光强较强光强较强VI Vg光电伏安特性曲线光电伏安特性曲线遏止遏止 电压电压饱饱和和 电流电流3、光电效应的实验规律、光电效应的实验规律当入当入射射光的频率一定，入光的频率一定，入射射物质一定时，物质一定时，分分析光电伏安特析光电伏安特性曲性曲线线图图。（1）实验结实验结果果表明：饱和电流的大表明：饱和电流的大小小与入射光的强度成正

9、与入射光的强度成正比。比。mI ne 光学光学光光强较弱强较弱Im 1Im 2光强较强光强较强VI Vg光电伏安光电伏安特特性曲线性曲线遏止遏止 电压电压饱和饱和 电流电流3.光光电效应的实验规律电效应的实验规律当入射光的频当入射光的频率率一定，入射一定，入射物物质一定时，分析光电质一定时，分析光电伏伏安安曲曲 线线图。图。（）（）实验结果表明：遏实验结果表明：遏止止电压（或光电子的最电压（或光电子的最大大初动能初动能）与入与入射射光的强度无光的强度无关。关。光学光学（4）驰豫时间为驰豫时间为零零，光的照射和，光的照射和光光电子的逸几乎是同电子的逸几乎是同时。时。O0截止截止 频率频率 若改变

10、入射若改变入射光光的的频频率，率，可可得遏得遏 止电止电压压与入射光的频率成与入射光的频率成线线性关系性关系。Vg k ( 0 )实验表明：频实验表明：频率率低低于于 0的入的入射射光，不管光的强度有光，不管光的强度有多多大大， 照射时间多长照射时间多长，都不能发都不能发ThTh光电效光电效应。应。|Vg|0（3）红限频率红限频率(或截止频或截止频率率）3、光光电效应的实验规律电效应的实验规律光学光学光电效应在光电效应在农农业、工业、科学技业、工业、科学技术术和国防中应用十分广和国防中应用十分广泛。泛。它可以把光它可以把光能能直接转换成电能直接转换成电能.比比如如：光控继电器光控继电器、自自动

11、动 控控制、自动计制、自动计数数、自动报警、自动、自动报警、自动跟跟踪踪等等.4.光光电效应的应用电效应的应用光控继光控继电电器示意图器示意图光光放放大器大器接接控控件机构件机构光电效应的应用光电效应的应用-光光控继电控继电器器光学光学9思考思考题题：R3896光电倍增光电倍增管管的原理是什的原理是什么？么？Hamamatsu R3896光电倍光电倍增管增管光学光学谢谢你聆听谢谢你聆听欢欢迎下次来迎下次来到到光学微课堂光学微课堂，我们继续我们继续讨论讨论。光学光学朱湘萍朱湘萍湖南科技学院湖南科技学院理理学院学院光学探光学探究究式教学式教学7.4 光光电效应电效应光光电效电效应律应律光学光学学学

12、习习内容：内容：光电效应的概念光电效应的概念光电流和外光电流和外加加电压之间的关系电压之间的关系 光光电电效应的实验规律效应的实验规律光电效应的应用光电效应的应用光学光学1、光电效应相关、光电效应相关概念概念1 1光电效光电效应应：金金属及其化合物在光的属及其化合物在光的照照射下发射电射下发射电 子子的现象称为的现象称为光电光电效效应应，所发射的电子，所发射的电子称称为为光电光电子。子。2 2光电光电流流：光电子向阳极运光电子向阳极运 动而形成动而形成的的电流。电流。光电效应是光电效应是由由赫兹首赫兹首 先发现的先发现的。后来，勒后来，勒 纳德纳德证明了证明了光光电效应电效应 中发出的是中发出

13、的是电电子。子。光学光学遏止遏止 电压电压2、光电流和外加、光电流和外加电电压之间的关系压之间的关系GVKAImg V22mgeV1mV饱和饱和 电流电流VI光电伏安特性曲线光电伏安特性曲线 光光电子存在初动电子存在初动能能1V=0时时，光电流光电流I0，说说明？明？2 2正向电正向电压压 饱和电流饱和电流3 3当当I=0时时？ 遏止电遏止电压压（Vg)光学光学m 2I光强较弱光强较弱Im 1光强较强光强较强VI Vg光电伏安特性曲线光电伏安特性曲线遏止遏止 电压电压饱饱和和 电流电流3、光电效应的实验规律、光电效应的实验规律当入当入射射光的频率一定，入光的频率一定，入射射物质一定时，物质一定

14、时，分分析光电伏安特析光电伏安特性曲性曲线线图图。（1）实验结实验结果果表明：饱和电流的大表明：饱和电流的大小小与入射光的强度成正与入射光的强度成正比。比。mI ne 光学光学光光强较弱强较弱Im 1Im 2光强较强光强较强VI Vg光电伏安光电伏安特特性曲线性曲线遏止遏止 电压电压饱和饱和 电流电流3.光光电效应的实验规律电效应的实验规律当入射光的频当入射光的频率率一定，入射一定，入射物物质一定时，分析光电质一定时，分析光电伏伏安安曲曲 线线图。图。（）（）实验结果表明：遏实验结果表明：遏止止电压（或光电子的最电压（或光电子的最大大初动能初动能）与入与入射射光的强度无光的强度无关。关。光学光

15、学（4）驰豫时间为驰豫时间为零零，光的照射和，光的照射和光光电子的逸几乎是同电子的逸几乎是同时。时。O0截止截止 频率频率 若改变入射若改变入射光光的的频频率，率，可可得遏得遏 止电止电压压与入射光的频率成与入射光的频率成线线性关系性关系。Vg k ( 0 )实验表明：频实验表明：频率率低低于于 0的入的入射射光，不管光的强度有光，不管光的强度有多多大大， 照射时间多长照射时间多长，都不能发都不能发ThTh光电效光电效应。应。|Vg|0（3）红限频率红限频率(或截止频或截止频率率）3、光光电效应的实验规律电效应的实验规律光学光学光电效应在光电效应在农农业、工业、科学技业、工业、科学技术术和国防

16、中应用十分广和国防中应用十分广泛。泛。它可以把光它可以把光能能直接转换成电能直接转换成电能.比比如如：光控继电器光控继电器、自自动动 控控制、自动计制、自动计数数、自动报警、自动、自动报警、自动跟跟踪踪等等.4.光光电效应的应用电效应的应用光控继光控继电电器示意图器示意图光光放放大器大器接接控控件机构件机构光电效应的应用光电效应的应用-光光控继电控继电器器光学光学9思考思考题题：R3896光电倍增光电倍增管管的原理是什的原理是什么？么？Hamamatsu R3896光电倍光电倍增管增管光学光学谢谢你聆听谢谢你聆听欢欢迎下次来迎下次来到到光学微课堂光学微课堂，我们继续我们继续讨论讨论。光学光学朱

17、湘萍朱湘萍湖南科技学院湖南科技学院理理学院学院光学探光学探究究式教学式教学7.5 爱爱因斯坦的量子解释因斯坦的量子解释对光对光电电效应效应的的解解释释光学光学学学习习内容：内容：光电效应与波动光电效应与波动理理论的矛盾论的矛盾对光电对光电效效应的解释应的解释光学光学1.光电效应光电效应与与波动理论的矛盾波动理论的矛盾按照光的波动按照光的波动理理论论，入射光强越，入射光强越大大，光波的振幅，光波的振幅属表面后的初属表面后的初动动能也应越能也应越大大，可，可见见光光电电子的初动子的初动能应该随入射能应该随入射光光强的增加而增加强的增加而增加。在频率红限在频率红限问问题题。矛矛盾一、按照光的波盾一、

18、按照光的波动动理论，理论，光强越大，光光强越大，光电电子的初动能子的初动能 越越大大。但实验表明但实验表明：光电子的光电子的最大初动能最大初动能与与入射光的光强入射光的光强 无关，而与入无关，而与入射射的光频率成线性关的光频率成线性关系。系。矛矛盾二盾二： 按照光的波按照光的波动动理论，理论，光电效应不存光电效应不存在在红限红限频频 率。率。照照光光射射强强时时，间间都都多多能能长长提提，供供都都给给不不电电能能子子发发脱脱T h T h出出光光金金电电属属效效表表应应面面。所所即即需需存存的的在在能能红红量量限限，频频即即率率不不。存存越大，光波供越大，光波供给给电电子子0的能量也越大，的能

19、量也越大，电电子飞出金子飞出金 实实按按验验照照表表光光明明的的：波波频频动动率率论论低低，于于不不论论的的入入入入射射射射光光光光频频，率率不不如如管管何何光光，的的只只光光要要强强有有多多足足大大够够，光学光学4矛盾矛盾三三：光光电电效应驰豫时间问题效应驰豫时间问题按照波动理论，光波按照波动理论，光波能能量是连续传递量是连续传递的的，金属中的电，金属中的电 子子从入射光中从入射光中获得足够获得足够的的能量总需要一定的时能量总需要一定的时间间，并且，并且光光 越越弱，需要积累的时间弱，需要积累的时间越越长长。实验表实验表明明：驰豫时间为零：驰豫时间为零，光的照射和光光的照射和光电电子的逸几子

20、的逸几 乎是同乎是同时。时。可见，光的可见，光的波波动理论不能解释光动理论不能解释光电电效应的实验规效应的实验规律律，说说 明光的波动明光的波动理理论在光电效应问题上论在光电效应问题上又又陷入了困陷入了困境境，需要理，需要理 论创论创新。新。1.光电效应光电效应与与波动理论的矛盾波动理论的矛盾光学光学2.对光电效应对光电效应的的解释解释（1）饱饱和光电流与入射光强和光电流与入射光强成成正比正比。 因为入射光因为入射光的的强度由强度由单位时间到达单位时间到达金金属表面的属表面的光子数目光子数目决定决定的的，而，而逸出的光电子数又与逸出的光电子数又与光光子数目子数目 成正比成正比，这些，这些逸出逸

21、出的的光电子全部到达阳极光电子全部到达阳极A，便形便形成成 了饱和电流了饱和电流，因此，因此饱饱和电流就与逸出的光和电流就与逸出的光电电子数子数成成 正比，也就是达到正比，也就是达到金金属表面的光子数成正属表面的光子数成正比比，即，即与与 入射光强成正入射光强成正比。比。光学光学6可以看出可以看出，对于给定的金对于给定的金属属，逸出功，逸出功A0一定一定，则光子的频则光子的频m率越率越高高，光子最大初动能，光子最大初动能1/2mv2越大。越大。（2）光子的频光子的频率率越高，光子越高，光子最最大初动能大初动能1/2mv2m越越大。大。2.对光电效应对光电效应的的解释解释由爱由爱因因斯坦方程斯坦方程212m0mV Ah光学光学7 如果入射光如果入射光的的频率过频率过低低，以，以致致h0=A0/h时时,才会才会 有光电效应有光电效应产产ThTh。（3）红限频率存在红限频率存在的的解释解释。3.对光电效应对光电效应的的解释解释212m0mV A由爱因