光学Dec 9th.ppt

1、The duality of light,1.光电效应实验装置,光的粒子性和波粒二象性,2. 实验规律,(1),电压为零时电流不为零, 说明阴极被光照射后释放出的光电子有一定的动能. 它还可以靠本身动能达到阳极形成光电流.,光的粒子性和波粒二象性,反向电压值达到截止电压时, 光电流为零,说明光电子初动能满足,截止电压大,光电子初始动能大.,(2),截止电压与入射光强度无关.,光的粒子性和波粒二象性,实验证明截止电压(或光电子初始动能)与入射光的频率有关.,按光的电磁理论, 光照在金属上,金属中的电子作受迫振动, 光强越大, 电子吸收的能量越大, 光电子初始动能也越大.但事实是,光电子初始动能与

2、光强无关,而是与频率成正比.,光的粒子性和波粒二象性,(3) 截止电压与频率成线性关系.,代入,当,时,光的粒子性和波粒二象性,称作截止频率（红限）.,当入射光频率小于红限时,光电子动能为零.,按波动理论, 不论入射光频率有多大, 只要光强足够大, 总可以使电子吸收的能量大于阴极金属的脱出功, 从而产生光电效应, 但实验表明, 只要入射光频率小于红限, 无论光强多大也没有光电效应.,光电子释放和光照几乎是同时的,弛豫时间约为10-9秒, 即使光照很弱也是这样.,(4),按经典理论,光强大时电子能量积累时间短, 光强小时电子能量积累时间长.但实验证明,弛豫时间与光强无关.,光的粒子性和波粒二象性

3、,3.爱因斯坦的光子假说,1905年, 爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上,提出了光子假说,很好地解释了光电效应.,当光束和物质相互作用时，其能流并不象波动理论所想象的那样是连续分布的,而是集中在一些叫做光子(或光量子)的粒子上. 但对这种粒子仍保持着频率(及波长)的概念. 光子的能量为, h ,爱因斯坦认为, 光不仅发射和吸收时能量是量子化的, 而且光在辐射过程中,能量也是量子化的,辐射能 集中在一粒一粒的光子上.,光的粒子性和波粒二象性,光子打在金属表面上, 每个电子一次要么吸收一个光子.要么不吸收.由能量守恒得,电子吸收到的光子的能量，一部分用于脱出金属表面的脱出功，剩余部分作为光子的初

4、始动能.,上式叫做爱因斯坦方程.,0 时,没有光电子产生,因而没有光电流产生.,光的粒子性和波粒二象性,爱因斯坦方程可表示为,因,所以有,即截止电压,与频率有关.,爱因斯坦方程解释了红限 ,截止电压与光频率的正比关系.,光的粒子性和波粒二象性,电子接受光子是瞬时的,不需要时间的积累.,入射光强大意味着光子流密度大,饱和电流im=ne，因而饱和电流与光强成正比.,密立根于1910年设计了精美的实验,验证了爱因斯坦方程,于1914年完成发表.,爱因斯坦和密立根由于在光电效应方面的研究成果, 分别获得1921年和1923年的诺贝尔物理学奖.,光的粒子性和波粒二象性,康普顿散射实验,A phenome

5、non called Compton scattering (observed in 1924) provides additional direct confirmation of the quantum nature of electromagnetic radiation,钼谱线,散射物质石墨,实验规律,散射光中除有原波长成分外, 还出现了0 的谱线.,0随增加而增加; 的强度随增加而增加, .,(1),(2),康普顿散射实验,与散射物质无关;的谱线的强度随散射物质原子序数的增加而减小;,0的谱线强度随散射物质原子序数的增加而增加.,按照经典理论,散射是一种共振吸收再发射的过程, 散射波

6、的频率(波长)应与入射波相同.上面的实验结果,经典理论难以解释.,(3),康普顿散射实验,康普顿假设:入射x光是光子流,这些光子不但有能量h0 ,而且有动量 h0/c, 光的散射过程是光子与原子中自由电子的完全弹性碰撞过程.,电子的质量,碰撞过程能量守恒,康普顿散射实验,碰撞过程动量守恒,解上面3个方程得:,或,上式说明了随散射角变化,而与散射物质无关.,康普顿散射实验,当光子与原子内层电子相碰,由于内层电子束缚的较紧,形成光子与整个原子相碰.原子质量比电子质量大得多,光子传给原子而使其运动的能量很小,散射波长的变化观察不到.这就是散射光中总有入射光成分的原因.,原子序数越大,被束缚紧的电子越

7、多,因此散射光中波长为0的成分强度越大.,康普顿散射实验,在讨论与光的传播有关的一系列现象(光的干涉、衍射、偏振、双折射)中, 光表现出波动本性。 在这一章中我们看到, 当光与物质相互作用并产生能量或动量的交换过程中, 光又表现出分立的量子化特征. 并可以用爱因斯坦的光子理论加以成功描述. 这就是所谓的光的“波粒二象性”.,光子的能量:,由相对论,光子的质量:,The duality of light,光子的速度:,光子的动量:,、P是用来描述粒子的特征, 、是用来描述波动特性的物理量,普朗克常数h 将这两种特征量联系起来.,或,物理学在微观粒子方面的研究取得很大的成就.基本粒子有62种,分为

8、三类：,光子的静止质量:,The duality of light,光子是电磁相互作用的媒介粒子.,第二种: 费米子. 共48种.,电子, 中微子, 子, 子, 夸克 是费米子.,第三种：,希格斯粒子,第一类: 规范玻色子.有13种.,光子是规范玻色子.,光具有波动性质，但它又与实物粒子一样,有能量、动量、质量，因此,它在一定的条件下又表现出粒子性. 以此类推, 实物粒子,如电子, 质子等,是否也具有波动性呢?,The duality of light,物质波,德布罗意:,在1911-1919年间, 学习了庞加莱、洛仑兹, 朗之万 , 玻耳兹曼等人的著作（统计力学）. 力学中，学习了哈密顿-雅

9、可比的理论.特别是普朗克, 爱因斯坦, 玻尔的量子著作.,在1924年夏作的博士学位答辩论文提出物质波的概念.,De Broglie wave,象光具有粒子性一样 ,实物粒子,如质子,中子, 电子等，也具有波动性.粒子的能量可表示为,动量可表示为,具有速度的实物粒子的波长为,叫做德布罗意波长. 这种波称为德布罗意波.,De Broglie wave,由于h很小,所以对宏观物体来说,其波动性很弱,如一块1克质量的石子,以一米/秒的速度运动,波长仅6.610-31米,根本测不出.而对于微观粒子,由静止而被150伏高压加速的电子,其动能,德布罗意因为提出物质波的假说,荣获1929年的诺贝尔物理学奖.

10、 1927年, 德布罗意的物质波被戴维孙和革末以及汤姆孙的电子衍射实验所证实,De Broglie wave,Electron Diffraction,de Broglies law and Bohrs hypothesis,We treat electrons as waves . Then, the length of the Bohr orbit must be equal to an integral multiple of electron wavelength. So,This is Bohrs hypothesis,de Broglies law,allowed,not allowed,Matter waves,Particle position in space cannot be predicted with infinite precision. (Amplitude of m