第11章 光的波粒二象性.ppt

1、1,电子教案,大学物理,2,第11章 光的波粒二象性,3,11-1 黑体辐射定律与普朗克能量子假设 11-2 光子理论与光的波粒二象性 11-3 康普顿效应,4,量子概念是 1900 年普朗克首先提出，距今已有 100 多年的历史. 其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一套完整的量子力学理论.,5,6,一、热辐射的几个基本概念,1.热辐射,辐射能：物体在任何温度下(绝对零度除外)所发射的各种电磁波的能量。,辐射能量随波长连续变化，随着温度的升高辐射总功率增大，强度在光谱中由长波向短波转移.,热辐射：与温度

2、相关的电磁辐射现象。,7,2.单色辐出度,一定温度下，单位时间内从辐射体单位表面积上辐射出来的波长在附近的单位波长间隔内的辐射能称为该物体的单色辐出度。,单位：,3.总辐出度,单位时间内从物体单位表面积上发射的各种波长的电磁波的总辐射能称为辐出度E(T)。,符号：,8,单位：,实验表明，相同温度下不同物体，特别是表面情况(如粗糙度)不同时，单色辐出度量值不同,则E(T)量值也不同。,4.吸收系数与反射系数,外来辐射投射到不透明物体表面时，被吸收的能量与入射到该物体表面上的总能量之比称为吸收系数a。,9,反射的能量与入射到该物体表面上的总能量之比称为反射系数r。,吸收系数及反射系数与温度和波长有

3、关.,设某一温度下，单位时间内投射到物体表面的辐射能中，在波长附近的单位波长间隔内能量为dE(T, )，单位时间内该物体吸收的能量为dEa(T, )，反射的能量为dEr(T, ),10,单色吸收系数,单色反射系数,对于不透明的物体：,11,二、基尔霍夫定律,1.绝对黑体,任何温度下对任何波长的电磁波都能完全吸收的物体称为绝对黑体(黑体)。,黑体是理想模型,12,二、基尔霍夫定律,1.绝对黑体,任何温度下对任何波长的电磁波都能完全吸收的物体称为绝对黑体(黑体)。,黑体是理想模型,13,2. 基尔霍夫定律,一定温度下进行的平衡热辐射，各物体对同一波长的单色辐出度和单色吸收系数的比值都相等，且等于在

4、同温度下绝对黑体对同一波长的单色辐出度。,平衡状态下，强吸收体必然是强辐射源.,14,15,三、黑体辐射的实验定律,1.黑体辐射的实验装置,16,在热平衡条件下，黑体辐射的实验能谱曲线：,17,2.斯特潘-玻耳兹曼定律,黑体辐出度与其温度的四次方成正比。,斯特潘恒量,任意物体的辐出度:,18,3.维恩位移定律,维恩位移定律:,在m附近的辐射最强，随着温度的升高，辐射的峰值由长波向短波方向移动.,19,解,（1）由维恩位移定律,例1（1）温度为 的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？(2)太阳的单色辐出度的峰值波长 ，试由此估算太阳表面的温度.（3）以上两辐出度之比为多少？,20,（2）

5、,（3）由斯特藩 - 玻耳兹曼定律,由维恩位移定律,21,四、普朗克的能量子假设,1.经典物理所遇到的困难,维恩公式:,瑞利 - 金斯公式:,在短波段与实验曲线吻合，在长波段与实验曲线明显偏离。,在波长很长处与实验曲线比较吻合，在短波紫外区与实验曲线明显不符。,22,维恩线,瑞利 - 金斯公式,23,普朗克（1858 1947）,德国理论物理学家，量子论的 奠基人. 1900年他在德国物理学 会上，宣读了以关于正常光谱 中能量分布定律的理论为题的 论文. 劳厄称这一 天是“量子论的 诞生日”.量子论 和相对论构成了近代物理学的研究 基础.,24,2.普朗克的能量子假设,普朗克定律(普朗克黑体辐

6、射公式):,普朗克常数,25,0 1 2 3,6,2,4,实验值与普朗克公式理论曲线比较,T = 2 000 K,26,普朗克能量子假设:,黑体是由许多线性谐振子组成的系统，每个振子发出一种单色波，整个黑体就发出连续的辐射，在处于热平衡时，它们的辐射场相当于形成驻波。,每一频率为v 的振子能量不能连续变化，只能处于某些特殊状态，在这些状态中它们的能量是最小能量E0的整数倍。,27,能量的不连续变化称为能量量子化。,在发射或吸收时，谐振子只能从某一能级飞跃到这些能级中的另一能级。,发射或吸收能量为E0整数倍，该允许变化的最小能量单位E0称为能量子，简称量子.,28,爱因斯坦评价：,“这一发现成为

7、 20 世纪整个物理研究的基础，从那时起，几乎完全决定了物理学的发展。”,29,30,一、光电效应的实验规律,1. 实验装置,光照射至金属表面, 电子从金属表面逸出, 称其为光电子.,光照射金属表面使之逸出电子的现象称为光电效应.,31,2.实验规律,饱和电流值,(光强),截止电压Ua,截止电压指使光电流降到零时，所加的反向电势差的绝对值。,32,存在红限频率(红限波长),红限频率与材料有关与光强无关.,对某种金属来，只有入射光频率大于某一频率0时，电子才会从金属表面逸出.,0称为截止频率或红限频率.,驰豫时间极短,不超过10-9s,33,二、光的波动说遇到的困难,按经典理论，电子逸出金属所需

8、的能量，需要有一定的时间来积累，与实验结果不符.,红限问题,瞬时性问题,按经典理论，无论何种频率的入射光，只要强度足够大，就能使电子逸出金属。 与实验结果不符。,34,三、爱因斯坦的光子理论,1.“光量子”假设,光可看成是由光子组成的粒子流，单个光子的能量为 .,光强：单位时间通过单位垂直面积的光能,表明：对于一定频率的单色光，光子数越多，光强越大。,35,理论解释:,2.爱因斯坦光电效应方程,逸出功与材料有关,36,对于一定的金属(A为常数)，光子频率越高，则光电子初动能越大，而与入射光强无关。,（截止频率）,瞬时性：光子射至金属表面， 一个光子的能量 将一次性被一个电子吸收，若 ，电子立即

9、逸出，无需时间积累.,37,3.普朗克常数的测定,38,例 一半径为1.010-3m的薄圆片，距光源1.0m . 光源的功率为1W，发射波长589 nm的单色光 . 假定光源向各个方向发射的能量是相同的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数 .,解,39,五、光的波粒二象性,相对论能量和动量关系,(2) 粒子性： (光电效应等),(1) 波动性：光的干涉、衍射及偏振,光子,40,光子,41,例 钾的光电效应红限为0= 6.210-7m，求(1)电子的逸出功；(2)在波长为3.0 10-7m的紫外线照射下，遏止电压为多少？(3)电子的初速度为多少？,解：,42,43,一、康普顿效应的特点,19

10、23年，美国物理学家康普顿在观察X 射线被物质散射时，发现散射线中含有波长发生了变化的成分散射束中除了有与入射束波长 0 相同的射线，还有波长 0 的射线.,44,1. 实验装置,45,1. 实验装置,46,2.实验结果,若入射光波长为0 ，则在散射光中除了0成分外，还存在 0的谱线。,在同一散射角下，波长的改变量与散射物质有关。,47,波长改变量为 - 0 ，随散射角增加而增大：,2.实验结果,48,二、康普顿效应的理论解释,1.经典理论的困难,按经典电磁理论，带电粒子受到入射电磁波的作用而发生受迫振动，从而向各个方向辐射电磁波，散射束的频率应与入射束频率相同，带电粒子仅起能量传递的作用.

11、可见，经典理论无法解释波长变长的散射线.,49,2.量子解释,物理模型,入射光子(X 射线或 射线)能量大 .,范围为：,50,电子反冲速度很大，用相对论力学处理.,电子热运动能量 ，可近似为静止电子.,固体表面电子束缚较弱，视为近自由电子.,51,入射光子与散射物质中束缚微弱的电子弹性碰撞时，一部分能量传给电子，散射光子能量减少，频率下降、波长变大.,定性分析,光子与原子中束缚很紧的电子发生碰撞，近似与整个原子发生弹性碰撞时，能量不会显著减小，所以散射束中出现与入射光波长相同的射线.,52,动量守恒,定量分析,53,54,康普顿波长,康普顿公式,55,散射光波长的改变量 仅与 有关.,散射光子能量减小,结论,56,若 则 ，可见光观察不到康普顿效应.,光具有波粒二象性,一般