第16章量子物理基础ppt课件

1、回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页1回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页2 十九世纪末，物理学经过三次大的综合后，经典物理已相十九世纪末，物理学经过三次大的综合后，经典物理已相当成熟，对物理现象本质的认识似乎已经完成。当成熟，对物理现象本质的认识似乎已经完成。 1900 1900年元旦，年元旦，Kelvin Kelvin 勋爵在新年献词中十分满意地宣布：勋爵在新年献词中十分满意地宣布：“在已基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的在已基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了修补工作就行了

2、”。 但在喜悦的气氛中，一系列实验发现无法用经典物理学解但在喜悦的气氛中，一系列实验发现无法用经典物理学解释释 在物理学晴空万里的天际出现了两朵乌云：在物理学晴空万里的天际出现了两朵乌云： 第一朵乌云：迈克尔逊的否定性实验，涉及以太和有质第一朵乌云：迈克尔逊的否定性实验，涉及以太和有质量物体之间的相对运动；这里引出的是第三章讲到的相对论。量物体之间的相对运动；这里引出的是第三章讲到的相对论。 第二朵乌云：黑体辐射，涉及关于分子体系的能量按自由第二朵乌云：黑体辐射，涉及关于分子体系的能量按自由度均分的度均分的MaxwellBoltzmannMaxwellBoltzmann定律的失败。定律的失败。

3、 这迫使人们跳出传统的物理学框架，去寻找新的解决途这迫使人们跳出传统的物理学框架，去寻找新的解决途径，从而导致了量子理论的诞生。径，从而导致了量子理论的诞生。 历史上，量子论首先是在黑体辐射问题上突破的。历史上，量子论首先是在黑体辐射问题上突破的。 回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页3第十五章第十五章 量子物理基础量子物理基础普朗克普朗克玻尔玻尔海森堡海森堡回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页4回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页51 1、辐射：、辐射：辐射可分为几种不同的形式。辐射可

4、分为几种不同的形式。 化学发光、光致发光、场致发光、阴极发光、热辐射化学发光、光致发光、场致发光、阴极发光、热辐射2 2、热辐射：、热辐射：3 3、热辐射的一般特点：、热辐射的一般特点：(1(1物质在任何温度下都有热辐射。物质在任何温度下都有热辐射。 (2(2温度越高，发射的能量越大，发射的电磁波的波长越短。温度越高，发射的能量越大，发射的电磁波的波长越短。 一、热辐射一、热辐射4 4、平衡热辐射：、平衡热辐射：以下只讨论平衡热辐射。以下只讨论平衡热辐射。 在任一时刻在任一时刻, , 如果物体辐射的能量等于所吸收的能量，辐射如果物体辐射的能量等于所吸收的能量，辐射过程达到热平衡，称为平衡热辐射

5、。此时物体具有固定的温度。过程达到热平衡，称为平衡热辐射。此时物体具有固定的温度。 组成物质的诸微观粒子在热运动时都要使物体辐射电磁波，组成物质的诸微观粒子在热运动时都要使物体辐射电磁波，产生辐射场。这种与温度有关的辐射现象，称为热辐射产生辐射场。这种与温度有关的辐射现象，称为热辐射 是物质以发射电磁波的形式向外界输出能量。是物质以发射电磁波的形式向外界输出能量。回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页6二、单色辐射本领二、单色辐射本领 为了定量地描述不同物体在不同温度下物体进行热辐射的能为了定量地描述不同物体在不同温度下物体进行热辐射的能力，而引入单色辐射本领

6、。力，而引入单色辐射本领。ddMTM)(即1 1、单色辐射本领、单色辐射本领 M M（T T） 单位时间内从物体单位表面发出的波长在单位时间内从物体单位表面发出的波长在 附近单位波长附近单位波长间隔内的电磁波的能量间隔内的电磁波的能量 M （T）。称单色辐射本领）。称单色辐射本领(单色辐单色辐出度出度) 单色辐本领反映了在不同温度下辐射能按波长分布的情况。单色辐本领反映了在不同温度下辐射能按波长分布的情况。 单色辐射本领单色辐射本领 M M （T T是温度是温度T T和波长和波长的函数。的函数。 实验表明：不同的物体，不同的表面如光滑程度其单色发实验表明：不同的物体，不同的表面如光滑程度其单色

7、发射本领是大不相同的。射本领是大不相同的。（例如：如果我们目的是散热，（例如：如果我们目的是散热，则应：加大表面积，则应：加大表面积， 使表面粗糙，使其颜色加深）使表面粗糙，使其颜色加深）回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页72、吸收比、吸收比 反射比反射比基尔霍夫定律基尔霍夫定律（1 1吸收比吸收比 反射比反射比吸收比：物体吸收的能量和入射总能量的比值，吸收比：物体吸收的能量和入射总能量的比值，（，T T）反射比：物体反射的能量和入射总能量的比值，反射比：物体反射的能量和入射总能量的比值，（，T T）（2 2基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基尔霍夫在基尔霍夫在1

8、8601860年从理论上推得年从理论上推得 物体单色辐射本领与单色物体单色辐射本领与单色吸收比之间的关系吸收比之间的关系: :恒量)()(TTM 所有物体的单色辐射本领所有物体的单色辐射本领 M M （T T与该物体的单色吸收与该物体的单色吸收比的比值为一恒量。比的比值为一恒量。 回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页8 这个恒量与物体的性质无关，而只与物体的温度和辐射能的这个恒量与物体的性质无关，而只与物体的温度和辐射能的波长有关。波长有关。 说明物体的单色吸收比大的物体，其单色辐出度也大。（例说明物体的单色吸收比大的物体，其单色辐出度也大。（例如黑色物体，

9、吸热能力强，其辐出本领也大）如黑色物体，吸热能力强，其辐出本领也大） 若物体不能发射某一波长的辐射能，那么该物体也就不能吸若物体不能发射某一波长的辐射能，那么该物体也就不能吸收这一波长的辐射能。收这一波长的辐射能。关于物体颜色的说明：关于物体颜色的说明：均指可见光范围。例如，均指可见光范围。例如，红色红色表示除红光外，其余都吸收余类推）表示除红光外，其余都吸收余类推）白色白色表示对所有波长的光都不吸收。表示对所有波长的光都不吸收。黑色黑色表示对所有波长的光都吸收表示对所有波长的光都吸收晚上在灯光下看物体的颜色和白天看的结果不一样。晚上在灯光下看物体的颜色和白天看的结果不一样。回上页回上页下一页

10、下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页9三、绝对黑体三、绝对黑体1 1、绝对黑体模型、绝对黑体模型 由于物体辐射的光和吸收的光相同。因此黑体能辐射各种波由于物体辐射的光和吸收的光相同。因此黑体能辐射各种波长的光。它的长的光。它的 M M （T T最大且只和温度有关。最大且只和温度有关。 用不透明材料制成的开一个小孔的用不透明材料制成的开一个小孔的空腔。小孔面积远小于空腔内表面积，空腔。小孔面积远小于空腔内表面积，射入的电磁波能量几乎全部被吸收。射入的电磁波能量几乎全部被吸收。小孔能完全吸收各种波长的入射电磁小孔能完全吸收各种波长的入射电磁波而成为黑体模型。波而成为黑体模型。 有

11、一类物体不论它们组成成分如何，它们在常温下，几乎对有一类物体不论它们组成成分如何，它们在常温下，几乎对所有波长的辐射能都能吸收。所有波长的辐射能都能吸收。黑体黑体: : 能完全吸收照射到它上面的各种波长的光的物体能完全吸收照射到它上面的各种波长的光的物体. . 例如优质烟煤和黑色珐琅对太阳光的吸收能力可达例如优质烟煤和黑色珐琅对太阳光的吸收能力可达9999。回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页10（1 1任何物体的单色辐射本领和单色吸收比等于一个恒量，而任何物体的单色辐射本领和单色吸收比等于一个恒量，而这个恒量就是同温度下绝对黑体的单色辐射本领。这个恒量就是

12、同温度下绝对黑体的单色辐射本领。（2 2若知道了绝对黑体的单色辐射本领，就可了解所有物体的若知道了绝对黑体的单色辐射本领，就可了解所有物体的辐射规律，因此，研究绝对黑体的辐射规律就对研究热辐射极为辐射规律，因此，研究绝对黑体的辐射规律就对研究热辐射极为重要。重要。式中式中 MB(T叫做绝对黑体的单色辐射本领。叫做绝对黑体的单色辐射本领。 （）（）BTTMTTM)()()()(2211由基尔霍夫定律由基尔霍夫定律2 2、绝对黑体就是吸收系数等于、绝对黑体就是吸收系数等于 ( ( , T) , T) 1 1 的物体。的物体。 可知，这类物体在温度相同时，发射的辐射能按波长分布的可知，这类物体在温度

13、相同时，发射的辐射能按波长分布的规律就完全相同。规律就完全相同。回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页113 3、绝对黑体单色辐射本领按波长分布曲线、绝对黑体单色辐射本领按波长分布曲线 M M （T T只和温度有关只和温度有关 保持一定温度，用实验方法可测出单色辐射本领随波长的变保持一定温度，用实验方法可测出单色辐射本领随波长的变化曲线。取不同的温度得到不同的实验曲线，如图。化曲线。取不同的温度得到不同的实验曲线，如图。1100K1300K1500K1700K()MB（T）20003000回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页

14、12 对待这个实验曲线，许多物理学家从不同的侧面进行了研究，对待这个实验曲线，许多物理学家从不同的侧面进行了研究，并得出许多重要结论。下面是有代表意义的两条：并得出许多重要结论。下面是有代表意义的两条：v 斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律1100K1300K1500K1700K()MB（T）20003000v 维恩位移定律维恩位移定律 由图可看出对应于每一条单色辐射本领按波长分布的曲线都由图可看出对应于每一条单色辐射本领按波长分布的曲线都有一个极大值。与这极大值对应的波长，叫做峰值波长有一个极大值。与这极大值对应的波长，叫做峰值波长m m。该定律主要是计算分布曲线下的面积。该定律主要是计算

15、分布曲线下的面积。 4TTMBbTm回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页13四、经典物理学所遇到的困难四、经典物理学所遇到的困难1 1、维恩公式、维恩公式 上述结果并没有给出单色辐射本领的具体函数式，十九世纪上述结果并没有给出单色辐射本领的具体函数式，十九世纪未，有许多物理学家，用经典理论导出的未，有许多物理学家，用经典理论导出的M M （T T公式都与实公式都与实验结果不符合，其中最典型的是维恩公式和瑞利验结果不符合，其中最典型的是维恩公式和瑞利金斯公式。金斯公式。 维恩假设：黑体的辐射可看成是由许多具有带电的简谐振子维恩假设：黑体的辐射可看成是由许多具有

16、带电的简谐振子分子，原子的振动所发射，辐射能按频率波长分布的规分子，原子的振动所发射，辐射能按频率波长分布的规律类似于麦克斯韦的分子速度分布律。于律类似于麦克斯韦的分子速度分布律。于18961896年得出绝对黑体的年得出绝对黑体的单色辐出度与波长单色辐出度与波长, ,温度关系的一个半经验公式温度关系的一个半经验公式 TCBeCTM251)(按照这个函数绘制出的曲线按照这个函数绘制出的曲线, ,其在高频其在高频( (即短波即短波) )部份与实验曲线部份与实验曲线能很好地相符能很好地相符, ,但在低频但在低频( (长波长波) )部份与实验曲线相差较远。部份与实验曲线相差较远。decdET/c231

17、回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页142 2，瑞利金斯公式，瑞利金斯公式 他们把分子物理中的能量按自由均分的原理运用到电磁辐射他们把分子物理中的能量按自由均分的原理运用到电磁辐射上，并认为在黑体空腔中辐射的电磁波是谐振子所发射的驻波，上，并认为在黑体空腔中辐射的电磁波是谐振子所发射的驻波，这样得到的公式为这样得到的公式为E E 瑞瑞- -金线金线维恩线维恩线实验结果实验结果回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页15在低频段，瑞在低频段，瑞-金线与实验曲线符合的很好；金线与实验曲线符合的很好； 在高频段，瑞在高频段，瑞-金线

18、与实验曲线有明显的偏离。金线与实验曲线有明显的偏离。kTcTMB42)(dkTcdE238E E 瑞瑞- -金线金线维恩线维恩线实验结果实验结果回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页16五、普朗克的能量子假说和黑体辐射公式五、普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 普朗克既注意到维恩公式在长波普朗克既注意到维恩公式在长波( (即低频方面的不足，又即低频方面的不足，又注意到了瑞利金斯在短波即高频方面的不足，为了找到注意到了瑞利金斯在短波即高频方面的不足，为了找到一个符合黑体辐射的表达式，普朗克作了如下两条假设，一个符合黑体辐射的表达式，普朗克作了如下两条假设， 普朗克

19、假定普朗克假定1900年）年）(1)(1)黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波，并和周围黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波，并和周围的电磁场交换能量。的电磁场交换能量。(2)(2)这些谐振子的能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些这些谐振子的能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些分立值是最小能量分立值是最小能量的整数倍，即的整数倍，即,2,2，33，nn，nn为正整数，为正整数，e称为能量子，称为能量子，h h称为普朗克常数称为普朗克常数 e h = 6.6260755h = 6.626075510-34 Js 10-34 Js 。而且假设频率为而且假设频率为的谐振子的最

20、小能量为的谐振子的最小能量为 =h=h回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页172.2.普朗克公式普朗克公式 能量不连续的概念是经典物理学完全不容许的！能量不连续的概念是经典物理学完全不容许的！112)(52kThcBehcTMdecdET/c1231当当，趋于维恩公式；，趋于维恩公式；当当0 0，趋于瑞利，趋于瑞利金斯公式。金斯公式。 但从这个假定出发，但从这个假定出发，PlankPlank导出了与实验曲线极为符合的普朗导出了与实验曲线极为符合的普朗克公式：克公式：回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页183 3、普朗克假设

21、的意义、普朗克假设的意义 当时普朗克提出的能量子的假设并没有很深刻的道理，仅当时普朗克提出的能量子的假设并没有很深刻的道理，仅仅是为了从理论上推导出一个和实验相符的公式。仅是为了从理论上推导出一个和实验相符的公式。 这件事本身对物理学的意义是极其深远的。能量子假设是这件事本身对物理学的意义是极其深远的。能量子假设是对经典物理的巨大突破，它直接导致了量子力学的诞生。对经典物理的巨大突破，它直接导致了量子力学的诞生。 能量子概念在提出能量子概念在提出5 5年后没人理会，首先是爱因斯坦认识到年后没人理会，首先是爱因斯坦认识到其深远的意义，并成功地解释了其深远的意义，并成功地解释了“固体比热和固体比热

22、和“光电效应光电效应”。 普朗克本入一开始也没能认识到这一点。普朗克本入一开始也没能认识到这一点。1313年后才接收了年后才接收了他自己提出的这个概念他自己提出的这个概念19181918年，获诺贝尔奖）。年，获诺贝尔奖）。回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页19一、光电效应一、光电效应 金属及其化合物在光波的照射下发金属及其化合物在光波的照射下发射电子的现象称为光电效应，所发射射电子的现象称为光电效应，所发射的电子称为光电子的电子称为光电子1 1、实验装置、实验装置（1 1） 饱和光电流强度饱和光电流强度 ImIm与入射光强与入射光强成正比（成正比（不变）。

23、不变）。 单位时间内从金属表面逸出的光电单位时间内从金属表面逸出的光电子数和光强成正比。子数和光强成正比。 ne ne I I GVGDKA光光2 2、光电效应的实验规律、光电效应的实验规律 当光电流达到饱和时，阴极当光电流达到饱和时，阴极K K上逸上逸出的光电子全部飞到了阳极出的光电子全部飞到了阳极A A上。上。即即ImImneeuneeu回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页20v 截止电压截止电压(遏止电势差）遏止电势差）ameUmv 221光电子的最大初动能与入射光强无关。光电子的最大初动能与入射光强无关。 im2im1I2I1-UaU这表明：从阴极逸

24、出的光电子必有初动能这表明：从阴极逸出的光电子必有初动能 ( (指光电子刚逸出金属指光电子刚逸出金属表面时具有的动能表面时具有的动能) )。则对于最大初动能有。则对于最大初动能有。当电压当电压 U =0 U =0 时，光电流并不为零；时，光电流并不为零；只有当两极间加了反向电压只有当两极间加了反向电压 U=U=Ua Ua 0 0 0，无论光多微弱，从光照，无论光多微弱，从光照射阴极到光电子逸出，驰豫时间不超过射阴极到光电子逸出，驰豫时间不超过10-9s10-9s，无滞后现象。，无滞后现象。 (3) (3) 只有当入射光频率只有当入射光频率大于一定的红限频率大于一定的红限频率0 0时，才会产生时

25、，才会产生光电效应。光电效应。KU00 当入射光频率当入射光频率 降低到降低到 0 0 时，光电子的最大初动能为时，光电子的最大初动能为零。若入射光频率再降低，则无论光强多大都没有光电子产生，零。若入射光频率再降低，则无论光强多大都没有光电子产生，不发生光电效应。不发生光电效应。0 0 称为这种金属的红限频率称为这种金属的红限频率( (截止频率截止频率) ) 。回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页23二、经典物理学所遇到的困难二、经典物理学所遇到的困难 自 由 态逸出功 束 缚 态 按照经典的物理理论，金属中的自由电子是处在晶格上正电按照经典的物理理论，金属

26、中的自由电子是处在晶格上正电荷所产生的荷所产生的“势阱之中。这就好象在井底中的动物，如果没势阱之中。这就好象在井底中的动物，如果没有足够的能量是跳不上去的。有足够的能量是跳不上去的。1 1、逸出功，初动能与光强，频率的关系、逸出功，初动能与光强，频率的关系+rU单原子势场单原子势场双原子势场双原子势场多原多原子势子势场场E1E2回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页24 按照经典的波动理论，光波的能量应与光振幅平方成正比亦按照经典的波动理论，光波的能量应与光振幅平方成正比亦即应与光强有关。因此，按经典理论，光电子的初动能应随入即应与光强有关。因此，按经典理论，

27、光电子的初动能应随入射光的光强的增加而增加。射光的光强的增加而增加。 但实验表明，光电子的初动能与光强无关，而只与入射光的但实验表明，光电子的初动能与光强无关，而只与入射光的频率呈线性增加，且存在光电效应的频率红限。频率呈线性增加，且存在光电效应的频率红限。 当光波的电场作用于电子，电子将从光波中吸取能量，克当光波的电场作用于电子，电子将从光波中吸取能量，克服逸出功，从低能的束缚态，跳过势垒而达到高能的自由态，服逸出功，从低能的束缚态，跳过势垒而达到高能的自由态，并具有一定的初动能。并具有一定的初动能。2 2、 光波的能量分布在波面上，电子积累能量需要光波的能量分布在波面上，电子积累能量需要一

28、段时间，光电效应不可能瞬时发生。一段时间，光电效应不可能瞬时发生。回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页25三、爱因斯坦的光量子论及爱因斯坦方程三、爱因斯坦的光量子论及爱因斯坦方程1 1普朗克的假定是不协调的普朗克的假定是不协调的eh2. 2. 爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设19051905）h h为普朗克常数为普朗克常数 h=6.626176h=6.62617610-34 Js 10-34 Js (1) (1) 电磁辐射是由以光速电磁辐射是由以光速c c 运动，并局限于空间某一小范围的运动，并局限于空间某一小范围的光量子光量子( (光子光子) )组成，

29、每一个光量子的能量组成，每一个光量子的能量 与辐射频率与辐射频率 的的关系为关系为 (2) (2) 光量子具有光量子具有“整体性整体性”。一个光子只能整个地被电子吸收。一个光子只能整个地被电子吸收或放出。或放出。 普朗克假定物体只是在发射或吸收电磁辐射时才以普朗克假定物体只是在发射或吸收电磁辐射时才以“量子量子的方式进行，并未涉及辐射在空间的传播。相反，他认为电磁的方式进行，并未涉及辐射在空间的传播。相反，他认为电磁辐射在空间的传播还是波动的。辐射在空间的传播还是波动的。回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页26（一束光就是一束以光速运动的粒子流，单色光的能流

30、密（一束光就是一束以光速运动的粒子流，单色光的能流密度，即等于单位时间内通过单位面积的光子数和每个光子能量度，即等于单位时间内通过单位面积的光子数和每个光子能量之积，即之积，即hnS n n表示单位时间内通过单位面积的光子数。表示单位时间内通过单位面积的光子数。 这也说明，在能量密度一定时，每个光子的能量越大即这也说明，在能量密度一定时，每个光子的能量越大即频率越高光子数频率越高光子数N N就越小。就越小。回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页273 3、对光电效应的解释、对光电效应的解释 光照射到金属表面时，一个光子的能量可以立即被金属中的光照射到金属表面时

31、，一个光子的能量可以立即被金属中的电子吸收。但只有当入射光的频率足够高，以致每个光量子的电子吸收。但只有当入射光的频率足够高，以致每个光量子的能量足够大时，电子才有可能克服逸出功能量足够大时，电子才有可能克服逸出功 A A 逸出金属表面。根逸出金属表面。根据能量守恒与转换律据能量守恒与转换律Amvhm221Ahmvm221爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程hA0 因此存在红限频率因此存在红限频率 回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页28hnS 又因为Im=neeu S=n hvne n v v一定时，光强大的光束，说明包含的光子数多，其照射到金一定时，

32、光强大的光束，说明包含的光子数多，其照射到金属板上被电子吸收的机会也多，因而从金属中逸出的电子数也多，属板上被电子吸收的机会也多，因而从金属中逸出的电子数也多，这就说明了光电流随光强增加而增加。这就说明了光电流随光强增加而增加。 在光子流中，光的能量集中在光子上，电子与光子相遇，只在光子流中，光的能量集中在光子上，电子与光子相遇，只hvhv要足够大，电子就可以立刻吸收一个光子的能量而逸出金属要足够大，电子就可以立刻吸收一个光子的能量而逸出金属表面，因而不会出现滞后效应。表面，因而不会出现滞后效应。式中式中ImIm是饱和电流，是饱和电流，u u是电子定向运动的速度，是电子定向运动的速度，nene

33、光电子数；光电子数；S S 是光强，是光强，n n 是光子数。是光子数。 Im S回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页29四、光的波粒二象性四、光的波粒二象性 每个光子的能量每个光子的能量 eh 描述光的波动性：波长描述光的波动性：波长 ，频率，频率 描述光的粒子性：能量描述光的粒子性：能量 ，动量，动量P P420222cmcpe按照相对论的质能关系按照相对论的质能关系因此光子无静质量因此光子无静质量 m0=0 m0=0 光子的动量光子的动量ehchcpehknph2hnk2 2引入引入回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首

34、页30 光子具有动量，显示其有粒子性，光子具有波长，又说明其光子具有动量，显示其有粒子性，光子具有波长，又说明其有波动性。这说明，光具有波粒二象性，即在传播过程中充分有波动性。这说明，光具有波粒二象性，即在传播过程中充分显示它的波动性如干涉，衍射等而在光与实物粒子相作用显示它的波动性如干涉，衍射等而在光与实物粒子相作用时，又充分显示它的粒子特性，光的波，粒二重特性，充分地时，又充分显示它的粒子特性，光的波，粒二重特性，充分地包含在包含在ehhp 回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页31五、光电效应的应用五、光电效应的应用1 1、测量普朗克常数、测量普朗克常数

35、h hAhmvm2210221eUekmvm将爱氏方程与实验方程结果比较有将爱氏方程与实验方程结果比较有 ekh K K可由实验测定，由此可测出值可由实验测定，由此可测出值 h h，也能检测爱氏方程，也能检测爱氏方程的正确与否的正确与否 2 2、 有声电影、电视、闪光计数器、自动控制中都有有声电影、电视、闪光计数器、自动控制中都有着重要作用着重要作用回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页32回顾回顾（1 1） 饱和光电流强度饱和光电流强度 ImIm与入射光强成正比（与入射光强成正比（不变）。不变）。一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律ameUmv 22

36、1（2 2） 光电子的最大初动能随入射光的频率的增大而光电子的最大初动能随入射光的频率的增大而增大增大 最大初动能与截止电压的关系最大初动能与截止电压的关系 (3) (3) 只有当入射光频率只有当入射光频率大于一定的红限频率大于一定的红限频率0 0时，时，才会产生光电效应。才会产生光电效应。（4 4光电效应是瞬时发生的光电效应是瞬时发生的0221eUekeUmvam回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页33eh二、爱因斯坦光量子假设二、爱因斯坦光量子假设19051905）(1) 电磁辐射由以光速c 运动，并由局限于空间某一小范围的光量子(光子)组成，每一个光量

37、子的能量 与辐射频率 的关系为 (2) 光量子具有“整体性”。一个光子只能整个地被电子吸收或放出。 (3) 一束光就是一束以光速运动的粒子流，单色光的能流密度，即等于单位时间内通过单位面积的光子数和每个光子能量之积，即hnS 回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页343 3、对光电效应的解释、对光电效应的解释Ahmvm221爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程hA0 因此存在红限频率因此存在红限频率 ne n Im I v v一定时，光强大的光束，说明包含的光子数多，其照射到金一定时，光强大的光束，说明包含的光子数多，其照射到金属板上被电子吸收的机会也多，

38、因而从金属中逸出的电子数也多，属板上被电子吸收的机会也多，因而从金属中逸出的电子数也多，这就说明了光电流随光强增加而增加。这就说明了光电流随光强增加而增加。 在光子流中，光的能量集中在光子上，电子与光子相遇，只在光子流中，光的能量集中在光子上，电子与光子相遇，只hvhv要足够大，电子就可以立刻吸收一个光子的能量而逸出金属要足够大，电子就可以立刻吸收一个光子的能量而逸出金属表面，因而不会出现滞后效应。表面，因而不会出现滞后效应。回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页35六、康普顿效应六、康普顿效应1 1实验装置：实验装置： 19221923 19221923年康

39、普顿研究了年康普顿研究了X X射线被较轻物质射线被较轻物质( (石墨、石蜡石墨、石蜡等等) )散射后散射后X X光的成分，发现散射谱线中除了有波长与原入射光的成分，发现散射谱线中除了有波长与原入射X X波长相同的成分外，还有波长较长的成分。这种散射现象称为波长相同的成分外，还有波长较长的成分。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应。康普顿散射或康普顿效应。X X射线源射线源铅板铅板散射物质散射物质 探测器探测器康普顿效应进一步证实了光的量子性。康普顿效应进一步证实了光的量子性。回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页362 2实验规律：实验规律：2sin2)co

40、s1 (2000cmhcmh 在散射的在散射的X X射线中，除有波长与入射射线相同的成分外，还有波射线中，除有波长与入射射线相同的成分外，还有波长较长的成分。波长的偏移量为长较长的成分。波长的偏移量为 康普顿散射的波长偏康普顿散射的波长偏移与散射角的关系如下移与散射角的关系如下图所示。图所示。 0 0：入射波波长，：入射波波长， ：散射波波长，：散射波波长， ：散射角：散射角- -散射方向与入射方向之间的夹角。散射方向与入射方向之间的夹角。 =0o=0o =45=45o o =90=90o oI I =135=135o o 0 0M0: M0: 是电子的质量是电子的质量回上页回上页下一页下一页

41、回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页373 3康普顿效应的特点：康普顿效应的特点：波长偏移波长偏移 只与散射角有关，而与散射物质及入射只与散射角有关，而与散射物质及入射X X射射线线 的波长的波长0 0无关：无关：00000（2 2只有当入射波长只有当入射波长 0 0 与电子的康普顿波长与电子的康普顿波长c c可可比拟时，康普顿效应才显著。比拟时，康普顿效应才显著。因此选用因此选用X X射线观察。射线观察。（3 3原子量较小的物质，康普顿散射较强，反之，原子量大的原子量较小的物质，康普顿散射较强，反之，原子量大的物质康普顿散射较弱。物质康普顿散射较弱。 =0o=0o =45o=45

42、o =90o=90oI I =135o=135o 0 0电子的康普顿波长：电子的康普顿波长：cmhc00024263. 0A回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页38七、康普顿效应验证了光的量子性：1 1经典电磁理论的困难经典电磁理论的困难 2 2康普顿的解释：康普顿的解释： 按经典理论，入射按经典理论，入射X X光是电磁波，散射光的波长是不会改变的。光是电磁波，散射光的波长是不会改变的。 他假设他假设: :入射入射X X射线束不是频率为射线束不是频率为 的波，而是一束能量为的波，而是一束能量为 E Eh h 的光子；光量子与散射物质中的电子之间的发生弹的光子

43、；光量子与散射物质中的电子之间的发生弹性碰撞，且在碰撞过程中满足能量与动量守恒。性碰撞，且在碰撞过程中满足能量与动量守恒。 因为散射物质中的带电粒子是作受迫振动，其频率等于入射因为散射物质中的带电粒子是作受迫振动，其频率等于入射X X光的频率，故带电粒子所发射光的频率应为入射的光的频率，故带电粒子所发射光的频率应为入射的X X光的频率。光的频率。 因康普顿位移与物质材料无关，提醒我们，散射过程与整个因康普顿位移与物质材料无关，提醒我们，散射过程与整个原子无关。经典理论中是被吸收原子无关。经典理论中是被吸收回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页39（如果光子与束

44、缚很紧的电子碰撞，则光子是与整个原子（如果光子与束缚很紧的电子碰撞，则光子是与整个原子交换动量和能量。但原子的质量相对于光子可视为无穷大，按交换动量和能量。但原子的质量相对于光子可视为无穷大，按碰撞理论，这时光子不会显著地失去能量碰撞理论，这时光子不会显著地失去能量, ,故而散射光的频率故而散射光的频率就不会明显地改变，所以入射光中就有与入射光波长相同的散就不会明显地改变，所以入射光中就有与入射光波长相同的散射光。射光。（轻原子中的电子一般束缚较弱，而重原子中只有外层（轻原子中的电子一般束缚较弱，而重原子中只有外层电子束缚较弱，因此，原子量小的物质康普顿散射较强，重电子束缚较弱，因此，原子量小

45、的物质康普顿散射较强，重原子物质康普顿散射较弱。原子物质康普顿散射较弱。（当光子与自由电子或束缚较弱的电子发生碰撞时，入射（当光子与自由电子或束缚较弱的电子发生碰撞时，入射光子把一部分能量传给了电子，同时光子则沿一定方向被弹开，光子把一部分能量传给了电子，同时光子则沿一定方向被弹开，成为散射光。由于光子的能量成为散射光。由于光子的能量 E0E0h h0 0 已有一部分传给了已有一部分传给了电子，因而被散射的光子的能量电子，因而被散射的光子的能量 E Eh h 就较之入射光子的能就较之入射光子的能为低，为低，E Eh h E0 E0h h0 0 0 0回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回

46、上页下一页下一页回首页回首页40e enchv 00nchv vm3 3、定量计算、定量计算利用能量与动量守利用能量与动量守恒定律有：恒定律有：2200mchcmh解出的波长偏移：解出的波长偏移：cos100cmhvnnmhh00光量子能量光量子能量 电子的束缚能，电子的束缚能， 电子可视为电子可视为“自在的自在的回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页414 4、康普顿散射实验的意义、康普顿散射实验的意义 (1) (1)有力地支持了有力地支持了“光量子概念。也证实了普朗克假设光量子概念。也证实了普朗克假设 = = h h。 (2) (2)首次实验证实了爱因斯坦

47、提出的首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量的假设。光量子具有动量的假设。 (3) (3)证实了在微观的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍证实了在微观的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。然是成立的。回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页42* *光电效应与康普顿效应的区别：光电效应与康普顿效应的区别：、光电效应是处于原子内部束缚态的电子、光电效应是处于原子内部束缚态的电子 与光子与光子 的作用，的作用，这时束缚态的电子吸收了光子的全部能量而逸出金属表面；这时束缚态的电子吸收了光子的全部能量而逸出金属表面；、康普顿效应则是光子与准自由电子的

48、弹性碰撞，光子只是、康普顿效应则是光子与准自由电子的弹性碰撞，光子只是将一部分能量传给电子，被散射光子的能量因而频率低于将一部分能量传给电子，被散射光子的能量因而频率低于入射光子的能量，入射光子的能量， 可以证明：只有处于束缚态的电子才可能吸收光子，自由可以证明：只有处于束缚态的电子才可能吸收光子，自由电子不能吸收光子。电子不能吸收光子。回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页43解：由题知光电子的最大初动能为解：由题知光电子的最大初动能为JEk191004.akeUE 而VeEUka52106110041919.KEhAhA0 例例15-1 15-1 当波长为

49、当波长为30003000的光照射某种金属表面时，光电子的光照射某种金属表面时，光电子的能量范围从的能量范围从0 0到到4.04.010-19J 10-19J ，在作上述光电效应实验时，在作上述光电效应实验时，遏止电压遏止电压|Ua|=|Ua|=V V，此金属的红限频率，此金属的红限频率 v0v0。 kEhcHzhEck14100 . 4AhEk回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页44答：选答：选D D。 例例15-2 15-2 关于光电效应有下列说法：关于光电效应有下列说法：(1)(1)任何波长的可见光照射到任何金属表面都能产生光电效应；任何波长的可见光照射

50、到任何金属表面都能产生光电效应；(2)(2)若入射光的频率均大于一给定金属的红限，则该金属分别若入射光的频率均大于一给定金属的红限，则该金属分别受到不同频率的光照射时释出电子的最大初动能也不同；受到不同频率的光照射时释出电子的最大初动能也不同；(3)(3)若入射光的频率均大于一给定金属的红限，则该金属分别若入射光的频率均大于一给定金属的红限，则该金属分别受到不同频率，强度相等的光照射时，单位时间释出的电子数受到不同频率，强度相等的光照射时，单位时间释出的电子数一定相等；一定相等； (4) (4) 假设假设 入射光的频率均大于一给定金属的红限，则当入射入射光的频率均大于一给定金属的红限，则当入射

51、光频率不变，而强度增大一倍时，该金属的饱和电流光频率不变，而强度增大一倍时，该金属的饱和电流 也增大也增大一倍。一倍。其中正确的是：其中正确的是： (A) (A) ，(1),(2),(3); (B)(1),(2),(3); (B)， (2),(3),(4)(2),(3),(4)（C)C)， (2),(3); (D) (2),(3); (D) ，(2), (4);(2), (4);回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页45例例15154 4 光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程对此，在以下几种理解中，

52、正确的选项是用过程对此，在以下几种理解中，正确的选项是 （两种效应中电子与光子两者组成的系统都服从动量守恒（两种效应中电子与光子两者组成的系统都服从动量守恒定律和能定律和能 量守恒定律量守恒定律（两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程（两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程 （两种效应都属于电子吸收光子的过程（两种效应都属于电子吸收光子的过程 （光电效应是吸收光子的过程，而康普顿效应则相当于光（光电效应是吸收光子的过程，而康普顿效应则相当于光子和电子子和电子 的弹性碰撞过程的弹性碰撞过程D D回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页46例例15155 5设用

53、频率为设用频率为1 1，2 2的两种单色光，先后照射同一种金的两种单色光，先后照射同一种金属均能产生光电效应，已知金属的红限频率为属均能产生光电效应，已知金属的红限频率为0 0，测得两次照射，测得两次照射时的遏止电压时的遏止电压|Ua2|=2|Ua1|Ua2|=2|Ua1|，则这两种单色光的频率有如下关系：，则这两种单色光的频率有如下关系：(A)(A)2 2 1 10 0，（，（B B） 2 2 1 10 0， （C C）2 2 2 21 10 0， （D D） 2 2 1 12 20 0，0121121hUeAmvhva01222hUeAUehvaa联立得：联立得：0122vvv答案答案CC

54、解：红限频率光子的能量刚好等于光电子的逸出功解：红限频率光子的能量刚好等于光电子的逸出功由光电效应方程由光电效应方程0hA电子的最大初动能与截止电压的关系为电子的最大初动能与截止电压的关系为aUemv 221回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页47例例15156 6已知一单色光照射在钠光表面上，测得电子的最大动已知一单色光照射在钠光表面上，测得电子的最大动能是能是1.2eV1.2eV，而钠的红限波长是，而钠的红限波长是5400A05400A0，那么入射光的波长是，那么入射光的波长是 （A A5350A05350A0， （B B5000A05000A0， （C

55、 C4350A04350A0， （D D3550A03550A0。答案答案DD解：由光电效应方程，有解：由光电效应方程，有AEhk0hcEhck即8341910834001031063. 6106 . 12 . 11054001031063. 6hcEhck03550 A0hEk回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页48例例15157 7某一波长的某一波长的X X光经物质散射后，其散射光中包含波光经物质散射后，其散射光中包含波长长和波长和波长的两种成分，其中的两种成分，其中的散射成分称为康普顿散射。的散射成分称为康普顿散射。答：答： 不变不变 变长变长 波长变

56、长波长变长 回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页49例例15158 8已知某金属的逸出功为已知某金属的逸出功为A A，用频率为，用频率为1 1的光照射该金的光照射该金属能产生光电效应，则该金属的红限频率属能产生光电效应，则该金属的红限频率0 0，1 10 0，则遏止电势差，则遏止电势差|Ua|=|Ua|=。,0hAv 解：由逸出功与红限频率的关系，有解：由逸出功与红限频率的关系，有AEhvk由于由于eAhvUa1所以所以AUea回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页509 9、以一定频率的单色光照射在某种金属上，测出其光电流

57、曲线、以一定频率的单色光照射在某种金属上，测出其光电流曲线在图中用实线表示，然后保持光的频率不变，增大照射光的强在图中用实线表示，然后保持光的频率不变，增大照射光的强度，测出光电流曲线在图中用虚线表示，满足题意的图是度，测出光电流曲线在图中用虚线表示，满足题意的图是IU（A）IU（B）IU（C）IU（D）回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页51解：解： 光的强度光的强度 NhS N N是单位时间通过单位面积的光子数。是单位时间通过单位面积的光子数。 光电流光电流 NeI e e是电子电荷。是电子电荷。 由由 AeUAmvha221可见当可见当v,Av,A不变

58、时，不变时，UaUa不变。不变。 S S 增大，则增大，则I I增大。增大。 选图选图B B） 回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页52一、原子光谱的实验规律一、原子光谱的实验规律1 1、光谱的分类、光谱的分类（1 1线状光谱线状光谱 光谱成线状，是分立的，离散的，光谱成线状，是分立的，离散的， 谱线分明且清楚。这是原子光谱谱线分明且清楚。这是原子光谱（2 2带状光谱带状光谱 谱线分段密集的。每段中很多有波谱线分段密集的。每段中很多有波 长相近的谱线，这是分子光谱长相近的谱线，这是分子光谱（3 3连续光谱连续光谱 光谱是连续变化，谱线密接成一片，光谱是连续变

59、化，谱线密接成一片， 这是一般物体的热辐射光谱。如白炽灯的光谱这是一般物体的热辐射光谱。如白炽灯的光谱 在十九世纪在十九世纪, ,化学化学, ,电磁学的发展电磁学的发展, ,都把原子结构作为自己的都把原子结构作为自己的研究对象研究对象, ,而原子发光是反映原子内部结构或能态变化的重要而原子发光是反映原子内部结构或能态变化的重要现象。因此，对光谱的研究现象。因此，对光谱的研究, ,是了解原子结构的重要方法。是了解原子结构的重要方法。光谱是电磁辐射的波长成份和强度分布的一种记录。光谱是电磁辐射的波长成份和强度分布的一种记录。按光谱的形状，其可分为三类按光谱的形状，其可分为三类一、原子光谱的实验规律

60、一、原子光谱的实验规律二、玻尔的氢原子理论二、玻尔的氢原子理论三、玻尔理论的缺陷三、玻尔理论的缺陷回上页回上页下一页下一页回首页回首页回上页回上页下一页下一页回首页回首页532 2、氢原子光谱的规律性、氢原子光谱的规律性 下图是氢原子可见光谱图，它是分立的线状光谱。各谱线的波下图是氢原子可见光谱图，它是分立的线状光谱。各谱线的波长是经光谱学测定的。波长越短、谱线的间隔越小。长是经光谱学测定的。波长越短、谱线的间隔越小。6562.8H4101.7H4861.3H4861.3H4340.5H （1 1巴尔麦公式巴尔麦公式422nnB式中式中n =3, 4, 5, .n =3, 4, 5, .等为正