大学物理学 第二卷 近代物理基础 第6版 课件 18 光的波粒二象性

第十八章光的波粒二象性CollegePhysics大学物理

第四节

光的波粒二象性

第三节

康普顿效应

第二节

光电效应第一节

热辐射普朗克能量子假设普朗克CollegePhysics

大学物理本章核心内容1.能量量子化的创新性假设。2.光(波)显示粒子性的物理效应。3.光的波动性与粒子性的相互关联。

第一节热辐射普朗克能量子假设一、基本名词1.热辐射？任意温度下物体发射携带能量的电磁波-紫外-可见-红外-微波-无线电波)(温度↑能量?

固体温度升高

颜色变化?(1)平衡辐射？温度不变情况下的辐射既辐射能量又吸收能量

辐射能量=吸收能量

物体有固定温度(2)辐射电磁波能量与波长关系？第一节热辐射普朗克能量子假设以太阳表面的辐射谱为例辐射波长不同辐射能量不同某一波段范围,辐射能量？整个波段？(3)历史辐射能量的实验室研究工作？(1879斯特藩实验数据总结)

经验公式辐射功率？各量？比较不同辐射源的辐射性能不便2.引入新的描述热辐射物理量？(1)→单色辐出度？第一节热辐射普朗克能量子假设例

太阳辐射纵坐标

单位意义？某温度下,单位面积,在某间隔范围内单位波长的辐射功率严格意义的完全单色光不存在总辐出度（2)？积分→曲线黄色面积值物理意义？

单位面积,所有波长辐射功率之和第一节热辐射普朗克能量子假设单位？→与区别？（平均效果）或（同一辐射源各处辐射能力有别,非均匀)单位面积的辐射功率3.平衡辐射下的吸收与反射？影响吸收与反射因素？

温度波长有关参量？单色吸收率？第一节热辐射普朗克能量子假设？

单色反射率对不透明物体小结：1.实验发现:平衡辐射时与成正比

二、基尔霍夫辐射定律？（德国1859年）(辐射能力、吸收能力)第一节热辐射普朗克能量子假设1.实验发现:平衡辐射时与成正比

2.数学表达式

在热平衡态下,凡强吸收体必然是强辐射体

写成等式？i=1,2,3...

公共的普适函数=?

第一节热辐射普朗克能量子假设三、普适函数引发的研究？1.

函数形式？2.

建一理想模型？绝对黑体能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射对任何波长黑体吸收本领最大,其辐射本领？3.黑体实验模型？第一节热辐射普朗克能量子假设不透明材料制成的带小孔的空腔可近似看作黑体。四、绝对黑体辐射的研究1.实验装置第一节热辐射普朗克能量子假设2.实验曲线(3)峰值随温度变化?

面积？（总辐出度）(1)对一定温度黑体

不同波长辐射不同(2)有一峰值3.曲线揭示黑体辐射实验定律？

特点？(1)黑体的斯特藩-玻尔兹曼定律辐射系数？

曲线下面积第一节热辐射普朗克能量子假设(2)维恩位移定律?峰值波长当黑体的温度升高时,与单色辐出度峰值对应的波长向短波方向移动。常量

斯特藩—玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温(如辐射高温计)、卫星遥感、热像扫描和红外追踪等的物理基础。第一节热辐射普朗克能量子假设例

在地球大气层外的飞船上对太阳光谱照相后，测得太阳单色辐出度的峰值在465nm附近，假定太阳是一黑体，试计算太阳表面的温度和单位面积所辐射的功率。解由维恩位移定律M(T)=σ

T

4由斯特藩-玻耳兹曼定律=5.67×10-8

W·m-2·K-4×

(6232K)4

=

8.55×107

W·m-2五、普朗克的创新性假设？第一节热辐射普朗克能量子假设1.理论上寻找实验曲线

的函数式？维恩(短波长)

瑞利-金斯（长波长）

失败2.普朗克的创新(1900)？德国(1)内插拟合法半经验公式普朗克常量(2)能量量子化假设？(诺奖)第一节热辐射普朗克能量子假设①构成黑体的原子、分子看成是带电的线性谐振子,这些谐振子可以发射或吸收辐射能核心思想：能量量子化(不连续)!

能量

经典量子②带电谐振子在发射和吸收电磁辐射时,只能以的能量单元不连续的进行谐振子的能量只能取一些分立值0，

，2

，3，…第一节热辐射普朗克能量子假设(2)解释黑体辐射,促进量子力学的诞生3.理论创新价值？(1)找到基尔霍夫辐射定律普适函数第二节光电效应一、实验构思设计、数据采集、结果表述？光信号→电信号光能→电能1.待测物理量？

入射光波:光频

光强

电路:电流I

电压U2.实验数据采集法？实验(1)：光频一定,光强一定

改变U

读取数据U、I

绘制曲线I→U？电流出现饱和IH光电流特性曲线第二节光电效应实验(2):光频一定,改变光强I→U曲线?

IH随光强变化,

饱和光电流值与入射光强成正比截止电压与入射光强无关实验(3):光强一定,改变光频,I→U曲线？第二节光电效应

随入射光频率的变化?

红限

量级

可见光范围意味着什么？取决于？

实验(4):

光阴极材料?

CsNaCa材料不同,红限不同红限

Cs:4.54

Na：5.53

Ca：7.73斜率k与材料无关第二节光电效应实验(5):光电转换时间？

“瞬时”响应

10-9s二、实验现象留下的思考?1.经典光波理论?(光是电磁波）

交变电磁场给光阴极电子提供能量→受迫振动能量在一定时间累积到一定程度1）响应时间?经典理论计算S实验结果S

2）红限()存在?第二节光电效应经典理论光强足够强，时间足够长实际对入射光频率有要求,与光强无关,促使新理论的诞生普朗克能量子假说基础上提出(1900)(1926

美化学家-刘易斯

光子)2.爱因斯坦挺身而出解围(1905)?

1）光量子假说?

光传播→光量子流(能量)2）电子吸收光子能量

后逸出?一个光子“整个地”被一个电子吸收瞬时(10-9s)第二节光电效应3.爱因斯坦方程(光电定律)?A表电子受约束,逸出做功1)解释红限()？→A最小值→逸出功

→

令会有光电效应发生吗？第二节光电效应若有光电效应发生不会发生光电效应2)用方程解释遏止电压和光频有关？→(I=0)？与入射光频有关第二节光电效应3)归纳方程的几种等价形式应用：

光控继电器、自动计数、自动报警等

光子与电子相互作用→其它实验设计?第三节康普顿效应一、实验构思设计、数据采集、结果表述?X射线源散射靶(石墨)

波长探测器现象？入射光波长散射光波长二、实验结果?

1.散射角有大小,波长有长短?散射角不同，不同第三节康普顿效应2.的数量关系？与靶材无关(康普顿波长)3.波动理论能不能解释?1)光是电磁波→电子受迫振动→振动辐射电磁波2)电磁波同振动频率,散射波波长不变?4.光子学说如何解释?4.光子学说如何解释?

1)概念入手第三节康普顿效应X射线由的光子组成光子与电子→理想弹性碰撞

X光子能量大受约束电子热运动能量近似视为静止，表面电子受束缚较弱,视为自由电子2)碰撞前后守恒关系？能量、动量双守恒能量守恒？第三节康普顿效应(用相对论知识)？电子反冲速度很大动量守恒？相对论动量？3)计算?第三节康普顿效应技巧：利用余弦定理处理动量守恒方程得将能量守恒

变形为两边平方得第三节康普顿效应两边除以

康普顿波长

康普顿公式康普顿公式康普顿偏移第三节康普顿效应第四节光的波粒二象性

一、单光子单缝衍射实验？一束光→单光子？1.简介(1)1909年

英物理学家泰勒(煤气火光多玻璃衰减缝衣针实验→单光子)

长时间曝光

2000小时(83天

近三个月)坚持与执着(2)1971年拉德罗夫(微弱激光)(3)当代

单光子探测技术应用领域:医学、军事、工业、科研等二、分析单光子单缝衍射？第四节光的波粒二象性1.回顾：(1)经典一束光实验二、分析单光子单缝衍射？暗纹公式？

一级暗纹位置→(2)新的单光子长时间实验2.单光子过缝

位置、动量能不能同时确定?第四节光的波粒二象性(1)单光子进入单缝中的位置？位置不确定度→缝宽(2)单光子落屏何处？

落点能预先确定么？→弥散性偏转程度

用屏上表单光子过缝后动量沿x轴向(动量不确定度)与的关系?第四节光的波粒二象性若按一级衍射角取、(3)给出两不确定度关系？一级暗纹第四节光的波粒二象性改写上式？(4)光子可出现在整个衍射条纹区？考虑次级衍射将推广？第四节光的波粒二象性→位置、动量不确定性关系(原理)或测不准原理

(德国物理学家海森堡于1927年提出)严格理论→不确定性关系海森堡(1901-1976)

第四节光的波粒二象性3.公式提供的信息？

(1)各量意义？→粒子性→波动性(2)光子不确定性原理改写

？→位置与动量不能同时准确测量其中一个量越确定,另一量的不确定程度就越大不同于经典物理：质点在轨道上位置与动量可同时准确测量第四节光的波粒二象性(3)一次实验过程,两种性质不同时显示?(康普顿效应)光子碰撞与测波长不同条件,不同表现同一条件,只显示一种特性三、单光子过双缝实验？1.回顾光学中双缝干涉实验？第四节光的波粒二象性

两列波叠加光强2AIµ干涉项２.一个一个光子如何过双缝？(1)定性讨论一次只过一缝？一次同时过双缝？(2)先关闭一缝？关关第四节光的波粒二象性同时开？(3)实验结果的比较→结论？并非分别过单缝的叠加３.单光子究竟如何过双缝？同时过单光子不可分光子具有波动性波可以同时过双缝过双缝打屏幕4.波动性与粒子性关系？第四节光的波粒二象性(1)波粒二象性共存(2)波粒二象性不同时显示？

不确定性原理！(3)相互间关联性？粒子堆积图━光强分布图单个光子落屏何处

随机事件可能性用数学方法描述？=光子数/总光子数

概率？第四节光的波粒二象性与屏上条纹强弱有关联？条纹强弱用