量子物理学基础市公开课获奖课件

1、第11章量子物理学基础第1页第1页物理学分支及近年来发展总趋势物理学典型物理当代物理力学热学电磁学光学相对论量子论非线性时间 t关键概念发展力学电磁学热学相对论量子论1600 1700 1800 1900第2页第2页第3页第3页近年来发展 * 粒子物理：高能加速器产生新粒子，已发觉300种。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化办法。* 天体物理：利用物理学试验办法和理论对宇宙各种星球进行观测和研究，从而得出相应天文规律学科。应用典型、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。* 太阳中微子短缺问题* 引力波存在问题 * 物体速度能否超出光速问题第4页第4页* 非平衡热力学及统计物理 物理学

2、发展总趋向：* 学科之间大综合。* 互相渗入结合成边沿学科。20世纪物理学中两个主要概念：场和对称性。从典型物理学到量子力学过渡时期三个重大问题提出 光电效应 康普顿效应。 黑体辐射问题，即所谓“紫外劫难”。 原子线光谱和原子结构。11.1 热辐射 普朗克量子化假说（略） 第5页第5页11.1 热辐射 普朗克量子化假说（略） 第6页第6页11.2 光电效应 爱因斯坦光量子假说11.2.1 光电效应 UGmSAK 如图所表示，为光电效应基本装置。S：真空玻璃容器m：石英玻璃窗A：阳极K：阴极（金属板）当紫外线或波长很短可见光照在阴极时，金属板将释放电子，即光电子。第7页第7页（1）饱和光电流强度

3、与入射光强度成正比。或者说：单位时间内从金属表面逸出光电子数目与入射光强成正比。U0312UIIS0如图即为相同频率，不同入射光强度。 1.光电效应试验规律（试验结果） Is称为饱和光电流U0称为遏止电压（I=0 电压）（2）光电子初动能与入射光强度无关，而与入射光 频率成正比。第8页第8页U03U02U01312UIIS0红限频率截止电压大小反应 光电子初动能大小 由上图可知：I=0时有截止电压与入射光频率有线性关系试验证实：Ua对不同金属有不同值, eUa称逸出功第9页第9页（3）产生光电效应金属含有一定截止频率。由可知，只有当 ， 从金属表面逸出电子才含有初动能，即产生光电效应。 （4）

4、 光电效应含有瞬时性，或说响应速度不久，10-9s。 几种纯金属截止频率金属截止频率4.5455.508.06511.53铯 钠 锌 铱 铂 19.29只要 ，则在光照射金属表面后，几乎马上就有光电子逸出，与光强度无关。 第10页第10页 * 典型认为，光强越大，饱和电流应当大，光电子初动能也该大，即初动能正比于光强。但试验上光电子初动能只与频率相关，而与光强无关。* 只要频率高于红限，即使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，光强再大也没有光电流。而典型认为，有无光电效应不应与频率相关。 * 瞬时性。典型认为，光能量分布在波面上，吸取能量要一定期间，即需能量积累过程。11.2.2 典型理论困难

5、 比如：强度为1W/m2光照在金属Na 上需107s，即115天电子才干逸出。（典型）第11页第11页11.2.3 光量子假说 1.爱因斯坦光量子假说：光子论假设：一束光是一粒一粒以速度c运动粒子流，这些粒子称光子，但它们仍保留频率、波长概念。认为光不但在与物质互相作用（发射和吸取）时含有粒子性，并且在传播过程中也有粒子性。一个频率为 光子含有能量 ，其中h为普朗克常数，值为：由相对论知识可知： 第12页第12页可见：光子既含有粒子特性m ，P，又含有波动性，。我们将这种波动性和粒子性并存性质称为光波粒二象性。光波动性（p）和粒子性（）是通过普朗克常数联系在一起。2.用光量子假说解释光电效应（

6、1）由 可看出，光子初动能与光频率成正比，而与光强无关。该式称为爱因斯坦光电效应方程。 由能量守恒得： ，A为逸出功。 第13页第13页（2）当入射光子能量小于逸出功时，光电子初动 能为零，不能逸出；只有当hA时，才干产生光电效应。截止频率=A/h。（3）光强弱只表明光子数多少，而光子能量恒 定。一个光子能量是一次地被电子吸取，因此，只要hA，电子吸取光子即逸出，含有瞬时性。第14页第14页3.光电效应在近代技术中应用光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等。光电倍增管放大器接控件机构光光控继电器示意图第15页第15页解： 例1 设有二分之一径为1.010-3 m薄圆片，它距光源1.0m。此

7、光源功率为1W，发射波长为589nm单色光。假定光源向各个方向发射能量是相同，试计算在单位时间内落在薄圆片上光子数。第16页第16页19，美国物理学家康普顿在观测X射线被物质散射时，发觉散射线中含有波长发生改变了成份。11.3 康普顿效应试验装置第17页第17页试验结果（相对强度）（波长）（1）在散射X 射线中除有与入射波长相同射线外，尚有波长比入射波长更长射线。（2）波长增长量 与散射角 相关。（3）当散射角 拟定期，波长增长量 与散射物质性质无关。（4）散射强度与散射物质相关。原子量小散射较强，即正常峰较低；反之相反。第18页第18页典型电磁理论预言，散射辐射含有和入射辐射同样频率。典型理

8、论无法解释波长改变。典型理论困难 第19页第19页光子电子 电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理。 1.物理模型 入射光子（ X 射线或 射线）能量大。 固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子。量子解释电子光子 电子热运动能量 ，可近似为静止电子。 范围为：104 eV105 eV 第20页第20页2.理论分析能量守恒动量守恒第21页第21页 康普顿波长 康普顿公式试验总结结果： 可见：试验与理论结果符合得相称好！ 第22页第22页 散射光波长改变量 仅与 相关 散射光子能量减小康普顿公式3.结论第23页第23页康普顿散射进一步证实了光子论，证实了光子能量、动量表示式正确性，光确实含有波粒两

9、象性。另外证实在光电互相作用过程中严格遵守能量、动量守恒定律。应用光子概念解释康普顿散射：（1）一个光子与散射物中一个自由电子或束缚较弱电子发生碰撞后，光子将沿某一方向散射，即康普顿散射方向。在碰撞时，光子一部分能量传给电子，因此散射光子能量比入射光子能量小，即散射光波波长要比入射光波波长大。（2）若光子与原子中束缚很强电子碰撞，由于整个原子质量比光子大得多，光子能量没有明显改变，因此散射光频率没有明显改变，即散射光波波长与入射光波波长相等。第24页第24页解：（1） 例1 波长0=1.0010-10mX射线与静止自由电子作弹性碰撞，在与入射角成90角方向上观测，问：（2）反冲电子得到多少动能？（1）散射波长改变量 为多少？（3）在碰撞中，光子能量损失了多少？（2） 反冲电子动能 （3） 光子损失能量反冲电子动能第25页第25页例2 在康普顿散射中，入射光波长为0.030，反冲电子速度为c60%。求：散射光子波长及散射角。解：由已知，入射光能量 ，散射光子能