第15章-量子物理-01

1、一张集中地球上三分之一智慧的照片,1911年，第一届索尔维会议在布鲁塞尔召开，每3年举行一届。1927年第五次索尔维会议的主题是电子和光子。上面照片就是与会者的合影。在这29人中，有17人获得过或者后来获得了诺贝尔奖。,在本章学习中，我们会逐一熟悉他们的名字：,爱因斯坦、居里夫人、薛定谔、普朗克、朗之万、洛仑兹、德拜、亨利、布喇格、玻恩、康普敦、泡利、玻尔、狄拉克,量子概念是1900年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史。其间经过爱因斯坦等许多物理大师的创新努力，到20世纪30年代，建立了一套完整的量子力学理论，和相对论一起构成了近代物理的两大理论基础。,本节主要内容,15-1 热辐射 普

2、朗克的量子假设,一、热辐射现象,不透明的空腔材料制挖出的小孔，可近似看作黑体。研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。,当光波射进入小孔后，每次与内壁发生反射被内壁吸收一部分能量，因此经过多次反射透过小孔的光就所剩无几了。假如每次反射被吸收10%，那么经过100次反射透过小孔的电磁辐射仅为入射的（0.9)100=2.7X10-5,二、黑 体 模 型,黑 体 模 型,三、热辐射的基本概念,四、黑体辐射实验规律(根据实验得出黑体辐射的两条定律), 斯特藩玻耳兹曼定律, 维恩位移定律,（ 为峰值波长）,问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式?,这个公式与实验曲线波长短处符合得很好， 但

3、在波长很长处与实验曲线相差较大。,瑞利金斯公式在波长很长处与实验曲线比较相近，但在短波区相差很大，称之为“紫外灾难”。,维 恩,瑞 利,五、经典物理的困难,维恩经验公式,瑞利-金斯公式,维恩经验公式和瑞利金斯公式与实验曲线的对照,（注意字体和曲线色彩的对应）,维恩公式和瑞利金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实验成了物理学晴朗天空中的一朵令人不安的乌云。,经典物理面临的困境,德国理论物理学家，量子论的奠基人。1900年12月14日在德国物理学会上，他宣读了关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文，提出了能量量子化假设，

4、并导出了黑体辐射的能量分布公式。劳厄称这一天是“量子论的诞生日”。,普 朗 克,为了解决上述困难，普朗克利用内插法，将适用于短波范围的维恩公式和适用于长波范围的瑞利金斯公式衔接起来，提出了一个新的公式：,四、普朗克量子假设 普朗克黑体辐射公式,这一公式称为普朗克公式； 它与实验结果符合得非常好。,普朗克常数,理论研究与实验曲线的对照,（注意字体和曲线色彩的对应）,普朗克得到上述公式后意识到，如果仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式，其价值只能是有限的。必须寻找这个公式的理论根据。他经过深入研究后发现：必须使谐振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。,普朗克公式还可以用频率表示为：,频率为v 的

5、谐振子最小能量为：,辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量 (称为能量子)的整数倍，即： 。 n为正整数，称为量子数。,能量子假说：,振子在辐射或吸收能量时， 从一个状态跃迁到另一个状态。,普朗克量子假设不仅成功地解释了黑体辐射规律，更重要的是在科学史上第一次提出了量子这一具有革命意义的新概念。量子论和相对论一起构成了近代物理学的理论基础。能量子的概念，揭示了微观世界的一个重要规律，开创了物理学一个全新领域。普朗克对建立量子理论作出了卓越

6、贡献，获1918年诺贝尔物理学奖。,15-2 光 电 效 应 爱因斯坦的光子理论,了解光电效应的实验规律,了解经典物理理论在说明光电 效应实验规律时所遇到的困难,理解爱因斯坦光量子假设 掌握爱因斯坦方程.,一、光电效应,光,用波长较短的可见光或紫外光照射金属表面上时，从金属表面逸出电子的现象称为光电效应。,二、光电效应实验规律,入射光的频率越高，逸出的电子动能越大。若在两级加一反向电压U0，使所有光电子都不能到达阳极，光电流为零。这个反向电压U0 称为遏止电压。,若增加光的强度，相应的Im也增大。,光电流 i 随电压U的增加而增大，当U增加到一定值时，I 达饱和值 Im。,频率v不变时,频率v

7、增大时,用不同频率的光照射某一种金属表面时，只要入射光的频率大于截止频率v0，遏止电压U0 与入射光频率 v 之间具有线性关系。,无论入射光强度如何，只要其频率大于截止频率，则当入射光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出。其时间间隔不超 。光电效应具有瞬时性。,光的波动理论不能解释光电效应的实验事实， 说明光的波动理论需要变革。,三、爱因斯坦的光量子理论,他假定光在空间传播时，光束是以速度 c 运动的粒子流，这些粒子称为光量子，或称为光子，频率为 v 的光波，每一个光子的能量为：,1、光子假设,当光照射到金属表面发生光电效应时，金属中的单个电子吸收一个光子的全部能量 hv，该能量一部分消

8、耗于电子从金属表面逸出所需要作的功，其余部分转化为光电子的动能。,爱因斯坦光电效应方程,2、爱因斯坦光电效应方程,3、爱因斯坦的光量子理论对光电效应实验的解释,解释了光电效应的瞬时性。,解释了存在红限频率的实验事实。,解释了光电子初动能随频率线性增加的实验事实。,爱因斯坦方程,光照强度,入射频率,截止频率,(A) 2 EK (B) 2hn - EK (C) hn - EK (D) hn + EK,用频率为v 的单色光照射某种金属时，逸出光电子的最大动能为EK；若改用频率为2v 的单色光照射此种金属时，则逸出光电子的最大动能为：,以一定频率的单色光照射在某种金属上，测出其光电流曲线在图中用实线表

9、示，然后保持光的频率不变，增大照射光的强度，测出其光电流曲线在图中用虚线表示。满足题意的图是,光强增大则光电子数增加即电流增大,某光电管阴极，对于l4910的入射光，其发射光电子的遏止电压为0.71V。当入射光的波长为 时，其遏止电压变为1.43V。,( ),以波长为l0.207m m的紫外光照射金属钯表面产生 光电效应，已知钯的红限频率v0=1.211015赫兹，则其遏止电压 V。,解:(1)由,得,代入,可得,(2),波长为 的单色光照射某金属表面发生光电效应，发射的光电子(电荷绝对值为e，质量为m)经狭缝S后垂直进入均匀磁场B(如图示)，今已测出电子在该磁场中作圆运动的最大半径为R。求：

10、 金属材料的逸出功A； (2) 遏止电势差Ua。,电子的静止质量,如图所示，某金属M的红限波长l0=260nm。今用单色紫外线照射该金属，发现有光电子放出，其中速度最大的光电子可以匀速直线地穿过互相垂直的均匀电场 和均匀磁场 区域，求:(1)光电子的最大速率v.(2)单色紫外线的波长l。,解:(1)电场力洛仑兹力,(2)由爱因斯坦光电理论,光电管的阴极用逸出功为A=2.2eV的金属制成，今用一单色光照射此光电管，阴极发射出光电子，测得遏止电势差为 ，试求： (1)光电管阴极金属的光电效应红限波长； (2)入射光的波长。,解：（1）红限波长,（2）由,爱因斯坦光子理论的意义,某一频率的光束，是由

11、一些能量相同的光子所构成的光子流。,对光的本性在认识上有了一个飞跃,在光电效应中，当电子吸收光子时，它吸收光子的全部能量，而不能只吸收其一部分。,光子与电子一样，也是构成物质的一种微观粒子。,光电效应揭示了光的粒子性,爱因斯坦光子理论对光电效应作了成功解释，并为实验所证实。同时人们很自然地就面临到另一个问题，那就是，光是什么？光的本性如何？,根据波动理论，光在媒质中传播时，会产生干涉、衍射、偏振等现象，这说明光具有波动性。,根据爱因斯坦理论，在热辐射、光电效应中又体现出光的能量是分立的，即光具有粒子性。,接下来面临的另外一个问题,光的的本质到底是波，还是粒子？,四、光的波粒二象性,普朗克能量子

12、假设：,由相对论的质能关系：,光子动量,h: 作用量子,归纳,光具有波粒二象性， 光是波动性和粒子性的统一,光的波粒二象性,光子波长为 ，则其能量 =_； 动量的大小 = _ 质量= _,人类对光本性的认识,本节主要内容,15.3 康 普 顿 效 应,康普顿仔细研究了这种效应，进一步证实了爱因斯坦提出的光子概念。由于康普顿对X射线散射研究取得的成就，于1927年获得了诺贝尔物理奖金。,1920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。,一、康普顿效应,康普顿 (美国) A.H.Compt

13、on,二、实验结果, 波长的偏移与散射角有关, 与散射物体无关,三、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。经典理论无法解释波长变长的散射线。,四、光子理论对康普顿效应的定性解释：, 若光子和内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。, 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。, 光子理论认为x射线是一束光子流。, 若光子和外层自由电子相碰撞，光子将能量 hv 的一部分传给电子，散射光子的能量就会减少，所以散射光的波长大于入射光的波长。,五、光子理论对康普顿效应的定量分析：,若 则 ,可见光观察不到康普顿效应,康普顿公式,表明光子假设的正确性和相对论力学的正确性,微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律,的散射光是光子与紧束缚电子(原子核)的作用,与 的关系与物质无关，是光子与电子间的作用,散射光子能量减小,散射光波长的改变量 仅与 有关,光具