第11章 光的粒子性

1、1第十一章第十一章 光的粒子性光的粒子性熱輻射熱輻射光電效應(yīng)光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)光的波粒二象性光的波粒二象性2 前前 言言在本世紀(jì)在本世紀(jì)( (指指2020世紀(jì)世紀(jì)) )初，發(fā)生了三次概念初，發(fā)生了三次概念上的革命，它們深刻地改變了人們對物理上的革命，它們深刻地改變了人們對物理世界的了解，這就是世界的了解，這就是狹義相對論狹義相對論（19051905年）、年）、廣義相對論廣義相對論（19161916年）和年）和量子力學(xué)量子力學(xué)（19251925年）。年）。 楊振寧楊振寧3 經(jīng)典物理經(jīng)典物理(18(181919世紀(jì)世紀(jì)) )牛頓力學(xué)牛頓力學(xué) 熱力熱力學(xué)學(xué) 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué) 經(jīng)典電

2、磁理論經(jīng)典電磁理論 1919世紀(jì)世紀(jì)末趨于完善末趨于完善 海王星的發(fā)現(xiàn)（海王星的發(fā)現(xiàn)（Leverrier,1846）“不不必向天空看一眼就發(fā)現(xiàn)了這顆新行星必向天空看一眼就發(fā)現(xiàn)了這顆新行星”, ”, “是在是在LeverrierLeverrier的筆尖下看的筆尖下看到，到，” ” 電磁理論解釋電磁理論解釋了波動(dòng)光學(xué)了波動(dòng)光學(xué)4 MM實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) 黑體輻射黑體輻射 相對論相對論量子論量子論 量子力學(xué)量子力學(xué)這兩朵烏云開出近代物理的鮮花這兩朵烏云開出近代物理的鮮花開爾文：大廈基本建成開爾文：大廈基本建成 兩朵兩朵烏云烏云 5 近代物理近代物理(20(20世紀(jì)世紀(jì)) ) 相對論相對論 1905 1905

3、狹義相對論狹義相對論 1916 1916 廣義相對論廣義相對論( (引力、天體引力、天體) ) 量子力學(xué)量子力學(xué) A. A.舊量子論的形成舊量子論的形成( (沖破經(jīng)典量子假說沖破經(jīng)典量子假說) ) 1900 Planck 振子能量量子化振子能量量子化 1905 Einstein 電磁輻射能量量子化電磁輻射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化原子能量量子化 6B.B.量子力學(xué)的建立（嶄新概念）量子力學(xué)的建立（嶄新概念） 1923 1923 de Broglie 電子具有波動(dòng)性電子具有波動(dòng)性 1926 - 27 1926 - 27 Davisson, G.P.Thomson 電子衍射

4、實(shí)驗(yàn)電子衍射實(shí)驗(yàn) 1925 1925 Heisenberg 矩陣力學(xué)矩陣力學(xué) 1926 1926 Schroedinger 波動(dòng)方程波動(dòng)方程 1928 1928 Dirac 相對論波動(dòng)方程相對論波動(dòng)方程7 C. .量子力學(xué)進(jìn)一步發(fā)展量子力學(xué)進(jìn)一步發(fā)展( (應(yīng)用、發(fā)展應(yīng)用、發(fā)展) ) 量子力學(xué)量子力學(xué)原子原子. .分子分子. .原子核原子核. .固體固體 量子電動(dòng)力學(xué)量子電動(dòng)力學(xué)(QED)(QED)電磁場電磁場 量子場論量子場論原子核和粒子原子核和粒子進(jìn)一步認(rèn)識(shí)的問題進(jìn)一步認(rèn)識(shí)的問題8本課程的主要教學(xué)內(nèi)容：本課程的主要教學(xué)內(nèi)容：量子理論的基本概念量子理論的基本概念量子力學(xué)解決問題的基本思路和方法

5、量子力學(xué)解決問題的基本思路和方法 對象的特點(diǎn)：對象的特點(diǎn)： 1) 1) 微觀：對象線度小微觀：對象線度小 活動(dòng)范圍小活動(dòng)范圍小910米米2) 2) 粒子具有粒子性粒子具有粒子性 還具有明顯的波動(dòng)性還具有明顯的波動(dòng)性3) 3) 粒子的能量粒子的能量 角動(dòng)量等物理量取值分立角動(dòng)量等物理量取值分立 完全脫離了經(jīng)典物理的模式完全脫離了經(jīng)典物理的模式9注意注意：1) 1) 擺脫經(jīng)典束縛擺脫經(jīng)典束縛 注重實(shí)驗(yàn)事實(shí)注重實(shí)驗(yàn)事實(shí) 2) 2) 處理好形象與抽象的關(guān)系處理好形象與抽象的關(guān)系 3) 3) 對應(yīng)原理對應(yīng)原理 新理論新理論是在原有的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來是在原有的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以，在極限情況下可以

6、回到的，所以，在極限情況下可以回到原有的原有的理論理論，但量子范圍內(nèi)的很多概念找不到經(jīng)，但量子范圍內(nèi)的很多概念找不到經(jīng)典的對應(yīng)，是個(gè)全新的領(lǐng)域典的對應(yīng)，是個(gè)全新的領(lǐng)域10思路思路 1)1)突破性的實(shí)驗(yàn)突破性的實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)規(guī)律( (應(yīng)掌應(yīng)掌握握) )經(jīng)典理論的困難經(jīng)典理論的困難 假設(shè)假設(shè) 確立新理論確立新理論2)2)實(shí)物粒子的波粒二象性實(shí)物粒子的波粒二象性 及量子力學(xué)解及量子力學(xué)解決問題的基本方法決問題的基本方法 3)3)證明量子理論的重要實(shí)驗(yàn)證明量子理論的重要實(shí)驗(yàn)( (應(yīng)掌握應(yīng)掌握) ) 4)4)量子力學(xué)的應(yīng)用舉例量子力學(xué)的應(yīng)用舉例11 敲開量子物理大門的首要問題敲開量子物理大門的首要問

7、題 是是 關(guān)于光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)關(guān)于光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí) 光具有波動(dòng)光具有波動(dòng)性性 已被大量實(shí)驗(yàn)證明但與物質(zhì)相互作已被大量實(shí)驗(yàn)證明但與物質(zhì)相互作用的大量實(shí)驗(yàn)使經(jīng)典的波動(dòng)理論遇到無法用的大量實(shí)驗(yàn)使經(jīng)典的波動(dòng)理論遇到無法克服的困難克服的困難論述由此展開論述由此展開1211.1 11.1 熱輻射熱輻射( (thermal radiation) )一、熱輻射現(xiàn)象一、熱輻射現(xiàn)象1. 1. 熱輻射熱輻射 由分子熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致物體輻射電磁波的由分子熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致物體輻射電磁波的現(xiàn)象。這種與溫度有關(guān)的輻射稱為現(xiàn)象。這種與溫度有關(guān)的輻射稱為熱輻熱輻射。射。熱輻射熱輻射-熱能轉(zhuǎn)化為電磁能的過程熱能轉(zhuǎn)化為電磁能的過程13 例如：鐵塊

8、例如：鐵塊 溫度溫度 從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色2. 2. 對熱輻射的初步認(rèn)識(shí)對熱輻射的初步認(rèn)識(shí)1 1）任何物體任何溫度均存在熱輻射）任何物體任何溫度均存在熱輻射2 2）熱輻射譜是連續(xù)譜）熱輻射譜是連續(xù)譜3 3）熱輻射譜與溫度有關(guān)）熱輻射譜與溫度有關(guān)14如如:20:20瓦白熾燈瓦白熾燈, ,昏黃色昏黃色;200;200瓦的白熾燈瓦的白熾燈, ,刺眼，特亮刺眼，特亮溫度溫度 發(fā)射能量發(fā)射能量 電磁波短波成分電磁波短波成分 直覺直覺: : 低溫物體發(fā)出的是紅外光低溫物體發(fā)出的是紅外光 熾熱物體發(fā)出的是可見光熾熱物體發(fā)出的是可見光 高溫物體發(fā)出的是紫外光高溫物體

9、發(fā)出的是紫外光15物體溫度升高時(shí)溫度的變化物體溫度升高時(shí)溫度的變化逐漸升溫逐漸升溫16注意：注意： 熱輻射與溫度有關(guān)熱輻射與溫度有關(guān) 激光激光 日光燈發(fā)光不是熱輻射日光燈發(fā)光不是熱輻射3.3.平衡熱輻射平衡熱輻射 加熱一物體加熱一物體, ,物體的溫度恒定時(shí)物體的溫度恒定時(shí), ,物體物體所吸收的能量等于在同一時(shí)間內(nèi)輻射的所吸收的能量等于在同一時(shí)間內(nèi)輻射的能量能量, ,這時(shí)的輻射稱為這時(shí)的輻射稱為平衡熱輻射平衡熱輻射17二、基爾霍夫定律二、基爾霍夫定律 1.1.光譜輻射出射度光譜輻射出射度( (單色輻射本領(lǐng)單色輻射本領(lǐng)) ) 單位時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)從物體內(nèi)從物體單位表面單位表面向前方半向前方半球發(fā)出的

10、波長在球發(fā)出的波長在 附近單位波長間隔內(nèi)的附近單位波長間隔內(nèi)的電磁波的能量電磁波的能量 ddMTMddMTM,或或18單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi) T單位面積單位面積Md)(d的輻射能的輻射能或按頻率定義：單位時(shí)間內(nèi)從物體單位表或按頻率定義：單位時(shí)間內(nèi)從物體單位表面向前方半球發(fā)出的頻率在面向前方半球發(fā)出的頻率在 附近單位頻附近單位頻率間隔內(nèi)的電磁波的能量率間隔內(nèi)的電磁波的能量19dd)(TMM 表面情況表面情況物質(zhì)種類物質(zhì)種類)( TMd)(d（單位時(shí)間內(nèi)）（單位時(shí)間內(nèi)） T T單位面積單位面積有關(guān)有關(guān)輻射出射度與輻射出射度與202. 2. 總輻出度總輻出度( (總輻射本領(lǐng)總輻射本領(lǐng)) )0)()(d

11、TMTM單位：單位：w/m20)()(dTMTM或或 單位時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)從物體內(nèi)從物體表面單位表面單位面積發(fā)出面積發(fā)出的對應(yīng)各種波長的對應(yīng)各種波長 的輻射能的總和叫輻的輻射能的總和叫輻射出射度。射出射度。21單色吸收率單色吸收率:a(,T):a(,T)表示物體在溫度表示物體在溫度T T時(shí)，波長時(shí)，波長 輻射能的單色吸輻射能的單色吸收率收率 絕對黑體絕對黑體：在任何溫度下，對任何波長到：在任何溫度下，對任何波長到達(dá)它表面的電磁輻射全部吸收達(dá)它表面的電磁輻射全部吸收吸收率吸收率 a(T):a(T):物體吸收的能量和入射總物體吸收的能量和入射總能量的比值能量的比值)(d22 1859 1859年年

12、基爾霍夫證明：基爾霍夫證明：平衡態(tài)平衡態(tài)時(shí)時(shí) 物物體輻射出射度和吸收率的比值，與物體體輻射出射度和吸收率的比值，與物體的材料、形狀無關(guān)，是物體的溫度和波的材料、形狀無關(guān)，是物體的溫度和波長的普適函數(shù)長的普適函數(shù)(,T)(,T)。 3.3.基爾霍夫輻射定律基爾霍夫輻射定律TaTMT,23實(shí)驗(yàn)和理論均證明：在各種材料中黑體實(shí)驗(yàn)和理論均證明：在各種材料中黑體的光譜輻射度最大的光譜輻射度最大1,TaTMT,0TM,0是黑體的單色輻射出射度是黑體的單色輻射出射度其中其中故，只要知道故，只要知道出射度出射度, ,即知道了一般物體的輻射性質(zhì)即知道了一般物體的輻射性質(zhì)TM,0黑體的單色輻射黑體的單色輻射24維

13、恩設(shè)計(jì)的黑體維恩設(shè)計(jì)的黑體空腔上的小孔空腔上的小孔煉鋼爐上的小洞煉鋼爐上的小洞向遠(yuǎn)處觀察打開向遠(yuǎn)處觀察打開的窗子的窗子近似黑體近似黑體25二、實(shí)驗(yàn)規(guī)律v 不同溫度下黑體的輻出度按波長的分布6000 K5000 K4000 K可見光 /mM0 (, T)0.51.01.52.0261)1)斯特藩斯特藩 - - 玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律應(yīng)用：遙感和紅外追應(yīng)用：遙感和紅外追蹤蹤 高溫比色測溫儀高溫比色測溫儀 估算表面溫度估算表面溫度 = 5.67 10-8 W/m2K44)(TTM曲線與橫軸圍的曲線與橫軸圍的面積就是面積就是M M( (T) )三、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律三、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律272)2)

14、維恩位移定律維恩位移定律: :v 爐火純青：爐火純青：先秦時(shí)期先秦時(shí)期( (約公元前約公元前200200年年) )的手工藝著作的手工藝著作考工記考工記記載鑄造青銅記載鑄造青銅器時(shí)寫道器時(shí)寫道: “: “凡鑄金之狀凡鑄金之狀, ,金與錫金與錫, ,黑濁黑濁之氣竭之氣竭, ,黃白黃白次之次之; ;黃白之氣竭黃白之氣竭, ,青白青白次之次之; ;青白之氣竭青白之氣竭, ,青氣青氣次之次之; ;然后可鑄也然后可鑄也.”.”這這是世界上最早有關(guān)光測高溫技術(shù)的記錄是世界上最早有關(guān)光測高溫技術(shù)的記錄. .28維恩維恩(W. Wien, 1864-1928)德國德國物理學(xué)家物理學(xué)家. 1911年因發(fā)現(xiàn)熱輻射年

15、因發(fā)現(xiàn)熱輻射定律獲諾貝爾物定律獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)理學(xué)獎(jiǎng).29或或b = 2.89775610-3 mKbTmC = 5.8801010 Hz/KTCmP278 P278 例例11-111-130紅外夜視儀紅外夜視儀若視太陽為黑體若視太陽為黑體, ,測得測得 nm550m估算出太陽表面估算出太陽表面溫度約溫度約 T T表面表面 5000K 5000K31紅外夜視圖紅外夜視圖32鋼水鋼水33運(yùn)動(dòng)時(shí)各部分溫度的分布運(yùn)動(dòng)時(shí)各部分溫度的分布34紅外熱像圖紅外熱像圖(Infrared Thermogram) 紅外熱像圖顯示電力系紅外熱像圖顯示電力系統(tǒng)的空氣開關(guān)夾過熱統(tǒng)的空氣開關(guān)夾過熱. .35紅外熱像圖紅外

16、熱像圖( (Infrared Thermogram) ) 紅外熱像圖顯示患者胸腹部由于紅外熱像圖顯示患者胸腹部由于炎癥導(dǎo)致的溫度升高炎癥導(dǎo)致的溫度升高( (紅色區(qū)域紅色區(qū)域) )36四、經(jīng)典物理的困難四、經(jīng)典物理的困難, ,普朗克的量子假設(shè)普朗克的量子假設(shè)如何從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)的函數(shù)式如何從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)的函數(shù)式? ? 理論物理學(xué)家做了艱苦地努力理論物理學(xué)家做了艱苦地努力 1896 1896年維恩從經(jīng)典熱力學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)?zāi)昃S恩從經(jīng)典熱力學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出數(shù)據(jù)的分析得出1.1.維恩公式維恩公式37TeTM/3)( 為常數(shù)為常數(shù)短波方向與實(shí)驗(yàn)符合較好短波方向與實(shí)驗(yàn)符合較好2. 2. 瑞

17、利瑞利- -金斯公式金斯公式 19001900年從經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)年從經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)理論推導(dǎo)而得理論推導(dǎo)而得38長波方向與實(shí)驗(yàn)符合較好長波方向與實(shí)驗(yàn)符合較好短波方向得出災(zāi)難性的結(jié)論短波方向得出災(zāi)難性的結(jié)論“紫外災(zāi)紫外災(zāi)”經(jīng)典物理有難經(jīng)典物理有難! !kTcTM222)(123KJ10380658. 1k由經(jīng)典理論導(dǎo)出的由經(jīng)典理論導(dǎo)出的 M (T) 公式都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合！公式都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合！39物理學(xué)晴朗天空中的一朵烏云物理學(xué)晴朗天空中的一朵烏云! !實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)普朗克公式瑞利-金斯公式維恩公式 /m2.04.06.08.010.0M0 (, T)T = 1600 K040

18、3.3.普朗克的黑體輻射公式普朗克的黑體輻射公式1900.10.19 1900.10.19 普朗克在普朗克在德國物理學(xué)會(huì)會(huì)議上提德國物理學(xué)會(huì)會(huì)議上提出一個(gè)黑體輻射公式出一個(gè)黑體輻射公式M.Planck 德國人德國人 185818581947194712)(/32kThechTMsJ10624. 634h4112kT/ch52e1ch)T(M 實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家魯本斯實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家魯本斯(Rubens)(Rubens)把它同把它同最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較 發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)：短波趨向維恩短波趨向維恩 長波趨向瑞利長波趨向瑞利在全波段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驚人符合在全波段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驚人符合42434.4.普朗克的

19、能量子假說普朗克的能量子假說“一定要不惜任何代價(jià)一定要不惜任何代價(jià) 找到一個(gè)理論根據(jù)找到一個(gè)理論根據(jù)”1900.12.14普朗克在德國物理學(xué)會(huì)上報(bào)告普朗克在德國物理學(xué)會(huì)上報(bào)告了論文了論文“關(guān)于正常譜中能量分布的理論關(guān)于正常譜中能量分布的理論”從理論上推出了普朗克公式從理論上推出了普朗克公式44基本物理思想：基本物理思想：輻射黑體的分子輻射黑體的分子 原子可看作線性諧振子原子可看作線性諧振子振動(dòng)時(shí)向外輻射能量（也可吸收能量）振動(dòng)時(shí)向外輻射能量（也可吸收能量）普朗克能量子假定：普朗克能量子假定： 振子的能量不連續(xù)振子的能量不連續(xù) E = n n = 1, 2 , 3. = h 能量子能量子45物體

20、發(fā)射或吸收電磁輻射時(shí)物體發(fā)射或吸收電磁輻射時(shí) 交換能量交換能量的最小單位是的最小單位是“能量子能量子” ” = h hnE)( 由此得到了普朗克的熱輻射公式：由此得到了普朗克的熱輻射公式：11252hc/c/ehc(T)M46小小( ( 大大) )時(shí)時(shí): :維恩公式維恩公式大大( ( 小小) )時(shí)時(shí): :瑞利瑞利- -金斯公式金斯公式12)(/32kThechTMsJ1055. 634h普朗克獲得普朗克獲得19181918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)47量子假說的意義及其與宏觀現(xiàn)象的關(guān)系量子假說的意義及其與宏觀現(xiàn)象的關(guān)系 = = h E = n n = 1,2,3.打破打破“一切自然過程能

21、量都是連續(xù)的一切自然過程能量都是連續(xù)的”經(jīng)典看法經(jīng)典看法說明了宇宙輻射背景說明了宇宙輻射背景 T = 3K敲開量子力學(xué)的大門敲開量子力學(xué)的大門48例：設(shè)想一質(zhì)量為例：設(shè)想一質(zhì)量為 m = 1 g 的小珠的小珠子懸掛在一個(gè)小輕彈簧下面作振幅子懸掛在一個(gè)小輕彈簧下面作振幅 A = 1 mm的諧振動(dòng)的諧振動(dòng) 彈簧的勁度系數(shù)彈簧的勁度系數(shù) k = 0.1 N/m為什么在宏觀世界中觀察不到能量分立為什么在宏觀世界中觀察不到能量分立的現(xiàn)象的現(xiàn)象? ?49按量子理論計(jì)算按量子理論計(jì)算 此彈簧振子的能級間此彈簧振子的能級間隔多大？減少一個(gè)能量子時(shí)隔多大？減少一個(gè)能量子時(shí) 振動(dòng)能量振動(dòng)能量的相對變化是多少？的相

22、對變化是多少？解：彈簧振子的頻率解：彈簧振子的頻率13s59. 1101 . 028. 6121mk50能級間隔能級間隔J1005. 159. 11065. 63334hE振子能量振子能量J105101 . 02121862kAE相對能量變化相對能量變化268331021051005.1EE51這樣小的相對能量變化在現(xiàn)在的技術(shù)條件這樣小的相對能量變化在現(xiàn)在的技術(shù)條件下還不可能測量出來下還不可能測量出來,現(xiàn)在能達(dá)到的最高的現(xiàn)在能達(dá)到的最高的能量分辨率為：能量分辨率為：1610 EE所以宏觀的能量變化看起來都是連續(xù)的所以宏觀的能量變化看起來都是連續(xù)的經(jīng)典經(jīng)典能量能量量子量子5211.2 11.2

23、光電效應(yīng)光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)光電效應(yīng): : 光照射某些金屬時(shí)能從表面釋光照射某些金屬時(shí)能從表面釋放出電子的現(xiàn)象。產(chǎn)生的電子稱為光電子放出電子的現(xiàn)象。產(chǎn)生的電子稱為光電子 光電效應(yīng)是赫茲在光電效應(yīng)是赫茲在18871887年發(fā)現(xiàn)的，年發(fā)現(xiàn)的，18961896年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子之后，勒納德證明了年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子之后，勒納德證明了光電效應(yīng)中發(fā)出的是電子光電效應(yīng)中發(fā)出的是電子53VGOOOOOOBOO照射光照射光.KA光電管光電管541.1.光電子與入射光強(qiáng)之間的關(guān)系光電子與入射光強(qiáng)之間的關(guān)系IOU光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 強(qiáng)強(qiáng)光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 弱弱光電效應(yīng)伏安特性曲線

24、光電效應(yīng)伏安特性曲線Im飽飽和和電電流流在一定入射光在一定入射光強(qiáng)照射下，光強(qiáng)照射下，光電流電流I隨電勢差隨電勢差U增大而增大，增大而增大，當(dāng)當(dāng)U足夠大時(shí)，足夠大時(shí)，IIm55UaIOU遏遏止止電電勢勢差差2.2.光電子初動(dòng)能與入射光頻率間的關(guān)系光電子初動(dòng)能與入射光頻率間的關(guān)系CsCaNa4.06.08.010.0UaV1014Hz4.02.0560UKUa021eUeKUema2v上式表明，光電子初動(dòng)能隨入射光頻率上式表明，光電子初動(dòng)能隨入射光頻率線性地改變，與入射光強(qiáng)度無關(guān)線性地改變，與入射光強(qiáng)度無關(guān)573.3.紅限頻率紅限頻率0210eUeKUema2vKU00紅限頻率或截止頻率紅限頻率

25、或截止頻率4.馳豫時(shí)間為零馳豫時(shí)間為零st91058幾種金屬的紅限及逸出功幾種金屬的紅限及逸出功鈀 Pd金 Au汞 Hg鈦 Ti銫 Cs12.111.610.99.92480258027503030654.85.0金金 屬屬逸逸 出出 功功(A)4.8=（eV)紅紅 限限(Hz)0+101400c。59 1. 1.飽和電流飽和電流 2.2.遏止電壓遏止電壓 3.3.紅限頻率紅限頻率 4.4.馳豫時(shí)間為零馳豫時(shí)間為零光波的能量與振光波的能量與振幅的平方成正比幅的平方成正比打出電子只需克打出電子只需克服逸出功服逸出功* *波動(dòng)理論所遇到的困難波動(dòng)理論所遇到的困難實(shí)驗(yàn)規(guī)律：實(shí)驗(yàn)

26、規(guī)律：經(jīng)典電磁理論：經(jīng)典電磁理論：60 光量子具有光量子具有“整體性整體性” ” 光的發(fā)射、傳播、吸收都是量子化的光的發(fā)射、傳播、吸收都是量子化的電磁輻射由以光速運(yùn)動(dòng)的局限于空間某電磁輻射由以光速運(yùn)動(dòng)的局限于空間某 一小范圍的光量子（光子）組成一小范圍的光量子（光子）組成 = h = h 1.1.愛因斯坦光量子假設(shè)愛因斯坦光量子假設(shè)(1905(1905年年) )二、愛因斯坦的光量子論二、愛因斯坦的光量子論61光強(qiáng)光強(qiáng): :單位時(shí)間單位時(shí)間打到打到單位面積單位面積上粒子總能量上粒子總能量 I = N h N: 粒子流密度粒子流密度 光強(qiáng)不變：即光強(qiáng)不變：即 I = N h 不變不變 若若 則則

27、N 一個(gè)光子只能整個(gè)地被電子吸收一個(gè)光子只能整個(gè)地被電子吸收622. 2. 愛因斯坦光電效應(yīng)方程愛因斯坦光電效應(yīng)方程 一個(gè)光子將全部能量交給一個(gè)電子一個(gè)光子將全部能量交給一個(gè)電子電子克服金屬對它的束縛，從金屬中逸出電子克服金屬對它的束縛，從金屬中逸出Ahmm221vA A：逸出功：逸出功光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)方程63當(dāng)當(dāng) A / h 時(shí)時(shí) 不發(fā)生光電效應(yīng)不發(fā)生光電效應(yīng)紅限頻率紅限頻率hA0 I 光子數(shù)光子數(shù)N 打出光電子多打出光電子多 im 在確定的光強(qiáng)下在確定的光強(qiáng)下 I = N h 打出的最多電子數(shù)就是打出的最多電子數(shù)就是 N 飽和電流飽和電流00eUhAeKh 64光子打出光電子光子打出光

28、電子是瞬時(shí)發(fā)生的是瞬時(shí)發(fā)生的光子光子假設(shè)解釋了光電效應(yīng)全部實(shí)驗(yàn)規(guī)律！假設(shè)解釋了光電效應(yīng)全部實(shí)驗(yàn)規(guī)律！遏止電壓與最大動(dòng)能遏止電壓與最大動(dòng)能221mameU19161916年密立根實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦理論年密立根實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦理論65AhmeUma221v h = 6.57 10-34 Js4.06.08.010.0 (1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa)(VUa66三、光電效應(yīng)的應(yīng)用三、光電效應(yīng)的應(yīng)用光電管，光電倍增管，光電池光電管，光電倍增管，光電池利用光電效應(yīng)制成的光電池可將光信號(hào)利用光電效應(yīng)制成的光電池可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào), ,被用于許多領(lǐng)域被用于許多領(lǐng)

29、域. .例如例如v 光電池用于車庫門的自動(dòng)開啟光電池用于車庫門的自動(dòng)開啟. .v 在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用, ,細(xì)菌對光的吸收細(xì)菌對光的吸收67v導(dǎo)致光電池接收到的光子數(shù)目減少導(dǎo)致光電池接收到的光子數(shù)目減少, ,光光電流降低電流降低. .v 電影膠片上的光學(xué)聲軌與條形碼類似電影膠片上的光學(xué)聲軌與條形碼類似, ,但更詳細(xì)但更詳細(xì). .聲軌調(diào)制與所記錄聲音頻率聲軌調(diào)制與所記錄聲音頻率相同的光的強(qiáng)度相同的光的強(qiáng)度. .由光電池轉(zhuǎn)成電流由光電池轉(zhuǎn)成電流, ,經(jīng)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲. .68愛因斯坦由于對光電效愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的理論解釋和對理論應(yīng)的理論解釋和對理論物理學(xué)的

30、貢獻(xiàn)獲得物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得19211921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根因研究基本電荷密立根因研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別通過和光電效應(yīng)，特別通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得電荷有最小單位。獲得19231923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)6911.3 11.3 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)( (Compton effect) ) 一、康普頓散射實(shí)驗(yàn)一、康普頓散射實(shí)驗(yàn) 康 普 頓康 普 頓 ( ( A . H . Compton,1892-1962) )美國物理學(xué)美國物理學(xué)家家.1937.1937年因發(fā)現(xiàn)年因發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)獲諾貝康普頓效應(yīng)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)爾物理學(xué)

31、獎(jiǎng). .70 1922-23年年 康普頓研究了康普頓研究了X射線在石墨射線在石墨上的散射，實(shí)驗(yàn)規(guī)律如下上的散射，實(shí)驗(yàn)規(guī)律如下 波長為波長為 的的X射線經(jīng)物質(zhì)散射時(shí)射線經(jīng)物質(zhì)散射時(shí), ,在散射在散射線中除有線中除有 的射線外的射線外, ,還有波長為還有波長為( ( ) )的射線的射線. . 波長差波長差 隨散射角增大而增大隨散射角增大而增大, ,0 0 0 071 與散射物質(zhì)無關(guān)與散射物質(zhì)無關(guān); ;波長為波長為 0 0的譜線強(qiáng)的譜線強(qiáng)度隨散射物質(zhì)原子序數(shù)的增加而增加度隨散射物質(zhì)原子序數(shù)的增加而增加, ,波長為波長為 的譜線強(qiáng)度隨原子序數(shù)的增加的譜線強(qiáng)度隨原子序數(shù)的增加而減小而減小. .72晶體晶

32、體 光闌光闌X 射線管射線管探探測測器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質(zhì)散射物質(zhì))j 0散射波長散射波長 73 作為靶子作為靶子的靜止電子的靜止電子反沖電子入射光子入射光子散射光子散射光子 0 0 j74=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . .o（A）0.7000.750波長波長.散射曲線的三個(gè)特點(diǎn)散射曲線的三個(gè)特點(diǎn)： 1.除原波長除原波長 0外出現(xiàn)了移外出現(xiàn)了移向長波方面的新的散射波向長波方面的新的散射波長長 2.新波長新波長 隨散射角的增隨散射角的增大而增大大而增大 3.當(dāng)散射角增大時(shí)當(dāng)散射角增大時(shí) 原波原波長的譜線強(qiáng)度降低長的譜線強(qiáng)度降低 而

33、新波而新波長的譜線強(qiáng)度升高長的譜線強(qiáng)度升高75稱為電子的稱為電子的Compton波長波長只有當(dāng)入射波長只有當(dāng)入射波長 0 0與與 c c可比擬時(shí)可比擬時(shí), ,康普頓效康普頓效應(yīng)才顯著應(yīng)才顯著 因此要用因此要用X 射線才能觀察到射線才能觀察到波長的偏移只與散射角波長的偏移只與散射角j j 有關(guān)有關(guān) c c = 0.0241= 0.0241=2.41=2.41 1010-3-3nmnm（實(shí)驗(yàn)值）（實(shí)驗(yàn)值）)cos1 (jc0 76經(jīng)典理論又一次遇到困難經(jīng)典理論又一次遇到困難 經(jīng)典散射理論：當(dāng)波長經(jīng)典散射理論：當(dāng)波長 0 0的射線入射后使的射線入射后使電偶極子受迫振動(dòng)電偶極子受迫振動(dòng) 發(fā)出散射波的波

34、長在各方發(fā)出散射波的波長在各方均是均是 0 0 康普頓用愛因斯坦的光量子假說，成功解釋康普頓用愛因斯坦的光量子假說，成功解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)一步證明光子假說的正確性了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)一步證明光子假說的正確性 77 二、二、 Compton 的解釋的解釋 1.1.物理圖像物理圖像 單個(gè)光子與單個(gè)電子發(fā)生彈性碰撞單個(gè)光子與單個(gè)電子發(fā)生彈性碰撞 入射光子能量入射光子能量h 0，散射光子能量，散射光子能量h 電子可看作自由電子電子可看作自由電子 碰碰撞撞前靜止前靜止 電子功函數(shù)量級幾個(gè)電子功函數(shù)量級幾個(gè) eV，電子熱運(yùn)動(dòng)電子熱運(yùn)動(dòng)78yex電子電子靜止靜止0h0myx散射散射光子光子反沖反沖電子電子hm平均

35、能量量級平均能量量級1010-2-2 eV，與光子能量與光子能量10 10 KeV 相比相比 都很小都很小靜止靜止790P0hPhjeP反沖電子反沖電子散射光子散射光子2.2.Compton 散射公式散射公式 eeEhcmhPPP2000康普頓假設(shè)康普頓假設(shè): : 碰撞過碰撞過程程 遵守能量守恒定律遵守能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律80chPcmcPEee420222利用相對論能量與動(dòng)量關(guān)系利用相對論能量與動(dòng)量關(guān)系得出結(jié)果得出結(jié)果)cos1 (00jcmh2sin2200jcmh81oA048602.cj0P0hPhjeP反沖電子反沖電子散射光子散射光子電子的電子的Compton波長

36、波長o0A024263. 0cmhc波長改變最大波長改變最大實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值 c c = 0.0241= 0.0241 =2.41 =2.41 1010-3-3nmnm( (m m0 0是原子質(zhì)量是原子質(zhì)量) )82解釋：散射線中還有原波長的成分，如解釋：散射線中還有原波長的成分，如果光子與石墨中被原子核束縛得很緊的果光子與石墨中被原子核束縛得很緊的電子發(fā)生碰撞（內(nèi)層電子），相當(dāng)光子電子發(fā)生碰撞（內(nèi)層電子），相當(dāng)光子和整個(gè)原子碰撞這樣和整個(gè)原子碰撞這樣 散射光的能量散射光的能量(波長波長)幾乎不改變幾乎不改變從而散射線中還有與原波長相同的射線從而散射線中還有與原波長相同的射線原子序數(shù)愈大的物體原波

37、長的成分愈多原子序數(shù)愈大的物體原波長的成分愈多833.3.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義l支持了支持了“光量子光量子”概念概念 進(jìn)一步證實(shí)進(jìn)一步證實(shí)了了l首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了愛因斯坦提出的首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了愛因斯坦提出的“光量子具有動(dòng)量光量子具有動(dòng)量”的假設(shè)的假設(shè)l證實(shí)了在微觀的單個(gè)碰撞事件中動(dòng)量證實(shí)了在微觀的單個(gè)碰撞事件中動(dòng)量和能量守恒定律仍然成立和能量守恒定律仍然成立P = E/c = h /c = h/ = h 84康普頓做康普頓散射實(shí)驗(yàn)康普頓做康普頓散射實(shí)驗(yàn)85 19251926年吳有訓(xùn)用銀年吳有訓(xùn)用銀X X 射線射線( ( 0 0=5.62nm) =5.62nm) 入射，以入

38、射，以1515種輕重不同的元素為散射物質(zhì)種輕重不同的元素為散射物質(zhì)三、吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)三、吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)19231923年參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作年參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作對證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)對證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)在同一散射角在同一散射角( ( ) )測量各種波長的散測量各種波長的散射光強(qiáng)度射光強(qiáng)度, , 做了大量做了大量 X 射線散射實(shí)驗(yàn)射線散射實(shí)驗(yàn)0120 j j86我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)作為康普我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)作為康普頓的得力助手頓的得力助手, ,參加了研究參加了研究X X射射線散射的開創(chuàng)性工作線散射的開創(chuàng)性工作. .吳有訓(xùn)測試了吳有

39、訓(xùn)測試了1515種元素對種元素對X X射射線的散射曲線線的散射曲線, ,證實(shí)了康普頓證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性效應(yīng)的普遍性. .吳有訓(xùn)還是著名教育家吳有訓(xùn)還是著名教育家, ,學(xué)生學(xué)生包括楊振寧及包括楊振寧及“兩彈一星功勛兩彈一星功勛獎(jiǎng)?wù)陋?jiǎng)?wù)隆鲍@得者獲得者: :錢三強(qiáng)、王淦錢三強(qiáng)、王淦昌 、 郭 永 懷 、 趙 九 章 、昌 、 郭 永 懷 、 趙 九 章 、朱光亞、彭桓武、王大珩、鄧朱光亞、彭桓武、王大珩、鄧稼先等人稼先等人. . 吳 有 訓(xùn)吳 有 訓(xùn) ( 1 8 9 7 -( 1 8 9 7 -1977) 1977) 聞名國際聞名國際的中國物理學(xué)家、的中國物理學(xué)家、教育家教育家, ,是中國近是中國近代物理學(xué)的先驅(qū)代物理學(xué)的先驅(qū)者者. .871. 與散射物質(zhì)無關(guān)與散射物質(zhì)無關(guān) 僅與散射角有關(guān)僅與散射角有關(guān)曲曲線線表表明明0 II 輕元素輕元素0 II 重元素重元素2.吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)的康普的康普頓效應(yīng)頓效應(yīng)散射實(shí)散射實(shí)驗(yàn)曲線驗(yàn)曲線0120 j j88 證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性 證實(shí)了兩種散射線的產(chǎn)生機(jī)制證實(shí)了兩種散射線的產(chǎn)生機(jī)制 外層電子外層電子( (自由電子自由電子) )散射散射 0 0內(nèi)層電子內(nèi)層電子(