大学物理8光的量子性省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件

第十八章光的量子性与激光发展史普朗克：提出量子概念爱因斯坦：提出光子学说主要内容：波粒二象性激光玻尔：建立量子论，解释原子光谱德布罗意：建立波粒二象性概念“第1页18.1热辐射和普朗克能量子学说一、热辐射（heatradiation）当物体辐射能量等于它同时间内吸收辐射能时，物体温度保持不变，称为平衡热辐射。物体在一定时间内辐射能量多少和辐射能按波长分布与温度相关电磁辐射称为热辐射。

温度

发射能量

电磁波短波成份

——高温物体发出是紫外光；——炽热物体发出是可见光;——低温物体发出是红外光；

1.基本概念注意第2页2.辐射度量[1]光谱辐出度(spectralradiantexcitance)单位时间内,从物体单位出射度用Mλ(λ,T)表示.。单位时间

T单位面积相关原因：T、λ物质种类表面情况激光,日光灯发光不是热辐射限于平衡热辐射讨论。表面发出波长在λ附近单位波长间隔内电磁波能量

,称为光谱辐射不一样温度下辐射能按波长分布。由Mλ(λ,T)分布可确定物体温度。第3页[2]辐出度(radiantexcitance)单位时间内,从物体单位表面发出全部波长电磁波能量

,称为辐出度，用M(T)表示。单位：W/m2二、黑体及辐射规律1.黑体（Black-body）完全吸收各种波长电磁波而无反射物体[3]吸收比与反射比物体单位表面吸收或反射能量与入射能量比值称为吸收比

(λ,T)或反射比

(λ,T).第4页M0(λ,T)最大,且只与温度相关而和材料及表面状态无关。♠

维恩设计黑体——空腔开口面2.黑体辐射基本规律试验规律!（如图）A.黑体辐射谱曲线与横轴围面积就是Mo(T)——基尔霍夫辐射定律第5页B.维恩位移定律(Wiendisplacementlaw)若视太阳为黑体，测得定出：

T表面=5700K1879年斯特藩从试验上总结而得1884年玻耳兹曼从理论上证实C.斯特藩-玻耳兹曼定律M0(T)=

T

4

=5.67

10-8W/m2K4斯特藩—玻耳兹曼常量1893年由理论推导而得，19取得诺贝尔物理学奖第6页三、黑体辐射理论1.经典物理学碰到困难问题：怎样从理论上找到符合试验函数式?著名公式之一：维恩公式（1896年）——从热力学理论及试验数据分析而得。C1,C2为常数著名公式之二：瑞利-金斯公式（19）——从经典电动力学和统计物理学理论推导而得。第7页瑞利—金斯公式

——短波部分完全不符——长波部分出现偏差。维恩公式M

0

(

l,T)l

(10-6m

)1646K♠由经典理论导出M

(T)～

公式都与试验结果不符合！物理学晴朗天空中一朵乌云!“紫外灾难”2.普朗克量子假说辐射物质中含有带电线性谐振子，每个

谐振子只能吸收或发射不连续一份一份能量第8页这个能量正比于振子频率n，而且只能是最小能量单元e0=hn（能量子）整数倍。即振子能量为：En=nhn

由此导出：与试验曲线符合得很好

普朗克常数(Planckconstant)1o极端情况下过渡为维恩、金斯公式当波长很短，温度较低时第9页令：维恩公式当波长很长，温度较高时金斯公式2o对Mo(λ,T)求导和积分，能够给出维恩位移定

律和玻尔兹曼定律。第10页3o注意经典与量子能量观点关系经典能量分布量子

为何在宏观世界中,观察不到能量分离现象?连续不连续例：质量为m=1g、振幅A=1mm、劲度系数k=0.1N/m弹簧振子频率是现在可实现分辨率为：所以宏观能量改变看起来都是连续。第11页1.光电效应现象一、光电效应（photoelectriceffect)赫兹在1887年发觉光照射一些金属时能从表面释放出电子效应。这时产生电子称为光电子。2.试验规律装置：如图所表示规律：观察现象得出勒纳德才证实带电粒子是电子。18.2光电效应和爱因斯坦光子假说第12页II1I2UaIm2Im1(1)饱和光电流Im光照射阴极K，光电子从阴极表面逸出。向阳极A运动，形成光电流。入射光一定，两极电压到达一定数值后，光电流稳定值。饱和光电流与阴极逸出电子数N之间有以下关系——与入射光强度成正比。(2)截止电压Ua使光电流为零所需加反向电压，满足第13页截止电压Ua

与入射光频率ν

呈线性关系其中:

K

是一个普适常数，Uo

与材料相关。——光电子初动能与入射光强无关。(3)截止频率νo对于给定材料，存在一个极限频率νo,ν<νo时，不论入射光多强，不产生光电效应。(4)响应时间很短第14页

光不但在吸收、辐射时是以能量子微粒形式出现，而且在传输中也是以光速运动微粒，称为光量子，简称光子。光子物理量为2.光电效应方程(photoelectriceffectequation)Wm

为逸出功三、爱因斯坦光子理论二、经典理论困难光波动学说不能解释光电效应。1.光子(photon)依据能量守恒得到：第15页电子是一次性吸收光子能量，不需要积累能量时间。3.对试验规律解释光强与入射光子数成正比，光电流与电子数成正比，即光电流与光强成正比。由爱因斯坦光电效应方程，初动能随频率线性增加，与光强无关。光含有波动性光含有粒子性当n<Wm/h=n0时，不产生光电效应。综合含有波粒二象性。四、光电效应应用（略）第16页18.3康普顿效应（Comptoneffect）一、试验规律x光经过不均匀物质时，有些散射线波长增大散射现象。

装置如图规律以下：

光阑X射线管探测器X

射线谱仪晶体

0散射

石墨体(散射物质)j

0散射线为两种：

不变线

l=lo

变线

l>

loDl随散射角j增加而增加，与散射物质无关。变线强度随原子序数增加而减小。1927年获诺贝尔奖。第17页二、康普顿效应理论解释1.经典理论按经典理论，原子中电子受照射光作用，做强迫振动，不存在变线散射光——矛盾。2.量子理论▲x射线光子与“静止”“自由电子”弹性碰撞▲

碰撞过程中能量与动量守恒碰撞

光子把部分能量传给电子

光子能量

散射X射线频率

，波长

外层电子束缚能~eVx射线光子第18页

定量分析：能量守恒：e

m0动量守恒：

利用康普顿散射公式——称为康普顿波长第19页3.康普顿散射试验意义支持了“光量子”概念，深入证实了首次试验证实了爱因斯坦提出“光量子含有动量”假设证实了在微观单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律依然是成立P=E/c=h/c=h/

=h。1o光子与束缚很紧电子发生碰撞

相当于光子和整个原子碰撞,原子质量大；

散射光子能量(波长)几乎不改变2o可见光光子能量不够大，原子内电子不能视为自由，不能产生康普顿效应。第20页康普顿（A.

H.Compton)美国人(1892-1962）第21页一、原子光谱

原子光谱是原子发射光强度随波长分布，是研究原子结构基本方法。A即由此得来。。红蓝紫6562.8Å4340.5Å4861.3Å。‥1853年瑞典人埃格斯特朗（A.J.Angstrom）测得氢可见光光谱谱线，

1885年，观察到氢原子光谱线已经有14条▲巴耳末（J.J.Balmer）公式（可见光波段）波数18.4原子光谱和玻尔原子理论第22页R=1.0967758

107m-1（当代值）B=3645.6Å（经验常数）——里德伯常数▲里德伯（J.R.Rydberg）公式(全波段）Å＝10－10m

m＝1,2,3,4,5谱系分别称为赖曼系、巴耳末系、帕邢系、布喇开系和普芳德系。10原子光谱是分立线状光谱；20谱线间相关，组成线系，可用经验公式表示；30谱线波数能够用两个光谱项之差表示：——

并合标准第23页连续赖曼系巴耳末系帕邢系第24页二、玻尔原子理论▲定态假设：E1<E2<E3…▲量子跃迁假设：▲量子化假设：（1）卢瑟福原子核式模型（2）普朗克、爱因斯坦量子化1.玻尔氢原子理论基础问题:

电子作圆周运动要辐射能量,原子不稳定。2.玻尔氢原子理论基础第25页3.对氢原子计算氢原子所服从方程轨道半径：

牛顿二定律角动量量子化动能＋势能（零点在∞）由此得到量子化物理量：——玻尔半径

对n=1时●+e●-ernvnEnmmp第26页定态能量：分立能级——基态能级——激发态能级

光子频率：符合试验EnEm●

第27页126

534赖曼系（紫外区）巴耳末系(可见区)帕邢系布喇开系氢原子能级图-13.6eV-3.39eV-1.81eV-0.85eVEnl主量子数n由能级算出光谱线频率和试验结果完全一致第28页一、德布罗意波（deBrogliewave)

实物粒子也含有波动性,与实物粒子相联络

2.物质波对玻尔理论解释波频率n、波长l与粒子能量E、动量P关系分别为问题提出光(波)含有粒子性

——实物粒子含有波动性吗?1.德布罗意假设(deBrogliehypothesis)此波称为物质波，对应波长称为德布罗意波长。18.5实物粒子波动性第29页电子轨道周长与德布罗意波长有以下关系（轨道角动量量子化条件）二、电子衍射试验试验装置jUMKG戴维逊/革末单晶衍射试验结果I5101520λr第30页依据布拉格公式理论解释经典理论：电子是粒子，U↑则入射电子流强度↑反射电子流强度↑，无起伏现象。量子理论：电子是波动，则入射电子波波长是只有满足上式电压U，电流强度

I才有极大值，这个结果与试验结论一致。第31页四、实物粒子波粒二象性汤姆逊多晶衍射试验：♠德布罗意获1929年诺贝尔物理奖♠戴维逊、汤姆逊共获1937年诺贝尔物理奖(1)粒子性♂“原子性”或“整体性”♂不是经典粒子,抛弃了“轨道”概念第32页(2)波动性♂含有弥散性、可叠加性、干涉、衍射、偏振♂含有频率和波矢♂不是经典波不代表实在物理量波动底片上出现一个一个点子

含有粒子性。“一个电子”所含有波动性，

起源于而不是电子间相互作用结果。伴随电子增多，逐步形成衍射图样第33页单电子双缝衍射试验：30000700007个电子100个电子第34页微观粒子在一些条件下表现出粒子性，在另一些条件下表现出波动性，而两种性质虽寓于同一体中，却不能同时表现出来。少女？老妇？两种图象不会同时出现在你视觉中。著名卡通画家Ｗ．Ｅ．Ｈｉｌｌ老妇显著鼻子是少女脸庞侧像，而少女衣领连扣则是老妇微笑嘴角。

第35页问题提出：经典粒子运动轨道概念在多大程度上适合用于微观世界？一、坐标和动量不确定关系一束动量为

p电子经过宽度为

d狭缝，则把其余明纹考虑在内，有若考虑中央明纹范围——不确定关系18.6不确定关系（uncertaintyrelation)电子束

PΔPxdx认为电子集中在该区域第36页推广到三个坐标，有严格理论给出不确定性关系(海森堡）:二、能量和时间不确定关系由相对论能量和动量关系不确定关系使微观粒子运动“轨道”概念失去意义。第37页10上式能够说明原子能级宽度与能级寿命之间关系20不确定关系是微观粒子含有波动性反应，是波粒二象性必定结果,

与仪器精度和测量方法缺点无关。30微观粒子力学量（如坐标，动量，势能，动能和角动量等等）不可能同时全部都含有确定值。第38页WernerKarlHeisenberg德国人1901-1976创建量子力学取得1932年诺贝尔物理学奖海森伯第39页例3.功率为P=1W小灯泡均匀辐射,平均波长为求：在距离10km处，垂直面积上每秒所经过光子数.解：将已知量代入，计算出第40页例4.金属制成，今用一单色光照射此光电管，阴极发射出光电子，测得截止电压为|Ua|=5.0V。试求：[1]阴极金属光电效应红限波长；[2]入射光波长。AK光电管阴极用逸出功为Wm=2.2eV解：[1][2]利用第41页例5.用波长光子做康普顿试验。求：[1]散射角康普顿散射波长；[2]分配给反冲电子动能。解：[1]康普顿散射光子波长改变[2]第42页例6.证实在康普顿散射试验中，波长为光子与质量为静止电子碰撞后，电子反冲角与光子散射角之间关系式为：证实：利用得由第43页例7.依据玻尔理论,求解[1]电子在量子数为n轨道上做圆周运动频率[2]该电子跃迁到(n-1)轨道时发出光子频率[3]证实当n很大时，[1]和[2]结果近似相等解：[1]第44页[2][3]第45页例8.氢光谱某一线系极限波长为其中有一谱线波长为求该波长对应始态与终态能级能量。解：极限波数。由玻尔氢原子理论终态始态第46页例9.发射光谱中，仅观察到三条巴耳末系光谱线，试求：这三条光谱线中波长最长那条谱线波长及外来光频率。第一激发态氢原子被外来单色光激发后，解：由n=3→2对应波长最长：外来光频率是n=5→2:第47页例10.氢原子电离发射一个光电子，求此光电子德布罗意波长。（电子质量m0=9.11×10-31kg）解：远离核光电子动能为能量为15eV光子，被处于基态氢原子吸收第48页例12.设子弹质量为0.01kg，枪口直径为0.5cm，解：用不确定关系计算子弹射出枪口时横向速度。说明：这个速度远小于子弹飞行速度，它引发运动方向偏转微不足道。对于宏观粒子，波动性影响很小，仍含有轨道特点。第49页例13.光子波长为，假如确定此波长准确度，试求此光子位置不确定量解：光子动量动量不确定量第50页例14.估算禁闭在原子核中电子动能。解：取原子核大小动量数值不可能小于它不确定度，故电子应用相对论公式：电子在核中动能第51页普朗克其人其事

M.Planck德国人

1858－1947▲普朗克生平：普朗克（MaxK.E.L.Plance）1858年4月23日出生于德国基尔，父亲是基尔大学法学教授。普朗克9岁随父亲来到慕尼黑中学期间品学兼优，对数学物理和音乐表现出天赋才能，做过乐队指挥。在选择音乐还是自然科学有过犹豫，最终选择了物理学。普朗克就读于慕尼黑大学师从于赫姆霍兹和基尔霍夫，1879年以《论热力学第二原理》论文取得博士学位，先后在慕尼黑、基尔、柏林大学任教。第52页“一定要不惜任何代价，找到一个理论依据”。普朗克:1900.12.14普朗克在德国物理学会上汇报了论文“关于正常谱中能量分布理论”——从理论上推出了普朗克公式

1900.10.19普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式：

试验物理学家鲁本斯（Rubens）把它同最新试验结果比较,发觉：——用内插法得出在全波段与试验结果惊人符合▲普朗克公式提出第53页1900.12.14这一天以后被定为“量子论诞生日”