1量子物理學(xué)基礎(chǔ)01ppt課件

1、第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院第11章量子物理學(xué)基礎(chǔ)第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院物理學(xué)物理學(xué)經(jīng)典物理經(jīng)典物理現(xiàn)代物理現(xiàn)代物理力學(xué)力學(xué)熱學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)電磁學(xué)光學(xué)光學(xué)相對論相對論量子論量子論非線性非線性時間時間 t關(guān)關(guān)鍵鍵概概念念的的發(fā)發(fā)展展力學(xué)力學(xué)電磁學(xué)電磁學(xué)熱學(xué)熱學(xué)相對論相對論量子論量子論1600 1700 1800 1900第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大

2、學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院近年來的發(fā)展近年來的發(fā)展 * 粒子物理：高能加速器產(chǎn)生新粒子，已發(fā)現(xiàn)粒子物理：高能加速器產(chǎn)生新粒子，已發(fā)現(xiàn)300種。種。麥克斯韋理論、狄拉克量子電動力學(xué)、重整化方法。麥克斯韋理論、狄拉克量子電動力學(xué)、重整化方法。* 天體物理：運(yùn)用物理學(xué)實驗方法和理論對宇宙各種星天體物理：運(yùn)用物理學(xué)實驗方法和理論對宇宙各種星球進(jìn)行觀測和研究，從而得出相應(yīng)的天文規(guī)律的學(xué)科。球進(jìn)行觀測和研究，從而得出相應(yīng)的天文規(guī)律的學(xué)科。應(yīng)用經(jīng)典、量子、廣義相對論、等離子體物理和粒子應(yīng)

3、用經(jīng)典、量子、廣義相對論、等離子體物理和粒子物理。物理。* 太陽中微子短缺問題太陽中微子短缺問題* 引力波存在的問題引力波存在的問題 * 物體的速度能否超過光速的問題物體的速度能否超過光速的問題第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院* 非平衡熱力學(xué)及統(tǒng)計物理非平衡熱力學(xué)及統(tǒng)計物理 物理學(xué)發(fā)展的總趨向：物理學(xué)發(fā)展的總趨向：* 學(xué)科之間的大綜合。學(xué)科之間的大綜合。* 相互滲透結(jié)合成邊緣學(xué)科。相互滲透結(jié)合成邊緣學(xué)科。20世紀(jì)物理學(xué)中兩個重要的概念：場和對稱性。世紀(jì)物理學(xué)中兩個重要的概念：場和對稱性。 從經(jīng)典物理學(xué)到量子

4、力學(xué)過渡時期從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過渡時期的三個重大問題的提出的三個重大問題的提出 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)?？灯疹D效應(yīng)。 黑體輻射問題，即所謂黑體輻射問題，即所謂“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”。 原子的線光譜和原子結(jié)構(gòu)。原子的線光譜和原子結(jié)構(gòu)。11.1 11.1 熱輻射熱輻射 普朗克量子化假說略）普朗克量子化假說略） 第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院11.1 11.1 熱輻射熱輻射 普朗克量子化假說略）普朗克量子化假說略） 第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工

5、程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院11.2 11.2 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 愛因斯坦光量子假說愛因斯坦光量子假說UGmSAK 如下圖，為光電效如下圖，為光電效應(yīng)的基本裝置。應(yīng)的基本裝置。S：真空的玻璃容器：真空的玻璃容器m：石英玻璃窗：石英玻璃窗A：陽極：陽極K：陰極金屬板）：陰極金屬板）當(dāng)紫外線或波長很當(dāng)紫外線或波長很短的可見光照在陰極時，短的可見光照在陰極時，金屬板將釋放電子，即金屬板將釋放電子，即光電子。光電子。第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院（1飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度

6、成正比?；蛘哒f：單位時間內(nèi)從金屬或者說：單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目與入射光表面逸出的光電子數(shù)目與入射光強(qiáng)成正比。強(qiáng)成正比。U0312UIIS0如圖即為相同頻率，不同入射光強(qiáng)度。如圖即為相同頻率，不同入射光強(qiáng)度。 1.1.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律實驗結(jié)果）光電效應(yīng)的實驗規(guī)律實驗結(jié)果） Is稱為飽和光電流稱為飽和光電流U0稱為遏止電壓稱為遏止電壓I=0 的電壓）的電壓）（2光電子的初動能與入射光強(qiáng)度無關(guān)，而與入射光光電子的初動能與入射光強(qiáng)度無關(guān)，而與入射光 的頻率成正比。的頻率成正比。第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程

7、大學(xué)理學(xué)院U03 U02 U01312UIIS00UaU0紅限頻率紅限頻率截止電壓的大小反映截止電壓的大小反映 光電子初動能的大小光電子初動能的大小 20021mVeU由上圖可知：由上圖可知：I=0時有時有aUKU0截止電壓與入射光頻率有線性關(guān)系截止電壓與入射光頻率有線性關(guān)系aeUeKmV2021實驗證明：實驗證明：Ua對不同金屬有不同值, eUa稱逸出功第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院（3產(chǎn)生光電效應(yīng)的金屬具有一定的截止頻率。產(chǎn)生光電效應(yīng)的金屬具有一定的截止頻率。aeUeKmV2021由由可知，只有當(dāng)可知

8、，只有當(dāng) ， KUa/從金屬表面逸出的電子才具有初動能，即產(chǎn)生光電效應(yīng)。從金屬表面逸出的電子才具有初動能，即產(chǎn)生光電效應(yīng)。 （4） 光電效應(yīng)具有瞬時性，或說響應(yīng)速度很快，光電效應(yīng)具有瞬時性，或說響應(yīng)速度很快，10-9s。 幾種幾種純金屬的純金屬的截止頻率截止頻率金屬金屬截止頻率截止頻率Hz10/1404.5455.508.065 11.53銫銫 鈉鈉 鋅鋅 銥銥 鉑鉑 19.29只需只需 ，則在光照射金屬表面后，幾乎，則在光照射金屬表面后，幾乎立即就有光電子逸出，與光的強(qiáng)度無關(guān)。立即就有光電子逸出，與光的強(qiáng)度無關(guān)。 KUa/第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射

9、康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院 * 經(jīng)典認(rèn)為，光強(qiáng)越大，飽和電流應(yīng)該大，光電子的經(jīng)典認(rèn)為，光強(qiáng)越大，飽和電流應(yīng)該大，光電子的初動能也該大，即初動能正比于光強(qiáng)。但實驗上光初動能也該大，即初動能正比于光強(qiáng)。但實驗上光電子初動能只與頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)無關(guān)。電子初動能只與頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)無關(guān)。* 只要頻率高于紅限，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率只要頻率高于紅限，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于紅限時，光強(qiáng)再大也沒有光電流。而經(jīng)典認(rèn)為，低于紅限時，光強(qiáng)再大也沒有光電流。而經(jīng)典認(rèn)為，有無光電效應(yīng)不應(yīng)與頻率有關(guān)。有無光電效應(yīng)不應(yīng)與頻率有關(guān)。 * 瞬時性。經(jīng)典認(rèn)為，光能量分布在波面上，吸收

10、能量瞬時性。經(jīng)典認(rèn)為，光能量分布在波面上，吸收能量要一定的時間，即需能量的積累過程。要一定的時間，即需能量的積累過程。例如：強(qiáng)度為例如：強(qiáng)度為1W/m2的光照在金屬的光照在金屬Na 上需上需107s，即即115天電子才能逸出。（經(jīng)典）天電子才能逸出。（經(jīng)典）第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院1.1.愛因斯坦光量子假說：光子論愛因斯坦光量子假說：光子論假設(shè)：一束光是一粒一粒以速度假設(shè)：一束光是一粒一粒以速度c運(yùn)動的粒子流，運(yùn)動的粒子流，這些粒子稱光子，但它們?nèi)员Ａ纛l率、波長的概念。這些粒子稱光子，但它們?nèi)员Ａ纛l

11、率、波長的概念。認(rèn)為光不僅在與物質(zhì)相互作用發(fā)射和吸收時認(rèn)為光不僅在與物質(zhì)相互作用發(fā)射和吸收時具有粒子性，而且在傳播過程中也有粒子性。具有粒子性，而且在傳播過程中也有粒子性。一個頻率為一個頻率為 的光子具有能量的光子具有能量 ，其中，其中h為為普朗克常數(shù)，值為：普朗克常數(shù)，值為：hsJh341063. 6由相對論知識可知：由相對論知識可知： /22hchcEPchcEmhE第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院可見：光子既具有粒子特性可見：光子既具有粒子特性m ，P，又具有波動性，又具有波動性，。我們將這種波動性和

12、粒子性并存的性質(zhì)稱為光的波。我們將這種波動性和粒子性并存的性質(zhì)稱為光的波粒二象性。光的波動性粒二象性。光的波動性p和粒子性（和粒子性（）是通過普）是通過普朗克常數(shù)聯(lián)系在一起的。朗克常數(shù)聯(lián)系在一起的。2.2.用光量子假說解釋光電效應(yīng)用光量子假說解釋光電效應(yīng)（1由由 可看出，光子的初動能可看出，光子的初動能AhmV2021與光的頻率成正比，而與光強(qiáng)無關(guān)。與光的頻率成正比，而與光強(qiáng)無關(guān)。該式稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。該式稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。 由能量守恒得：由能量守恒得： ，A為逸出功。為逸出功。 AhmV2021第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈

13、爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院（2當(dāng)入射光子的能量小于逸出功時，光電子的初動當(dāng)入射光子的能量小于逸出功時，光電子的初動 能為零，不能逸出；只有當(dāng)能為零，不能逸出；只有當(dāng)hA時，才能產(chǎn)生時，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。截止頻率光電效應(yīng)。截止頻率=A/h。（3光的強(qiáng)弱只表明光子數(shù)的多少，而光子的能量恒光的強(qiáng)弱只表明光子數(shù)的多少，而光子的能量恒 定。一個光子的能量是一次地被電子吸收的，所定。一個光子的能量是一次地被電子吸收的，所以，只要以，只要hA，電子吸收光子即逸出，具有瞬，電子吸收光子即逸出，具有瞬時性。時性。第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工

14、程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院3.3.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光控繼電器、自動控制、光控繼電器、自動控制、自動計數(shù)、自動報警等。自動計數(shù)、自動報警等。光電倍增管光電倍增管放大器放大器接控件機(jī)構(gòu)接控件機(jī)構(gòu)光光光控繼電器示意圖光控繼電器示意圖第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院解：解： 2623m10)m100 . 1 (S172sJ105 . 24rSPE111s104 . 7hcEhEN例例1 設(shè)有一半徑為設(shè)有一半徑為1.010-3 m的薄圓片，它距的薄圓片，它距光源光源1.0m。

15、此光源的功率為。此光源的功率為1W，發(fā)射波長為，發(fā)射波長為589nm的單色光。假定光源向各個方向發(fā)射的能量是相同的，的單色光。假定光源向各個方向發(fā)射的能量是相同的，試計算在單位時間內(nèi)落在薄圓片上的光子數(shù)。試計算在單位時間內(nèi)落在薄圓片上的光子數(shù)。第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院1920年，美國物理學(xué)家康普頓在觀察年，美國物理學(xué)家康普頓在觀察X射線被物質(zhì)射線被物質(zhì)散射時，發(fā)現(xiàn)散射線中含有波長發(fā)生變化了的成分。散射時，發(fā)現(xiàn)散射線中含有波長發(fā)生變化了的成分。11.3 11.3 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)第第11章章 量子

16、物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院04590135（相對強(qiáng)度）（相對強(qiáng)度）（波長）（波長）I00（1在散射在散射X 射線中除有射線中除有與入射波長相同的射線外，還有與入射波長相同的射線外，還有波長比入射波長更長的射線。波長比入射波長更長的射線。（2波長的增加量波長的增加量 與散射角與散射角 有關(guān)。有關(guān)。0（3當(dāng)散射角當(dāng)散射角 確定時，確定時，波長的增加量波長的增加量 與散射物質(zhì)與散射物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。的性質(zhì)無關(guān)。（4散射的強(qiáng)度與散射物散射的強(qiáng)度與散射物質(zhì)有關(guān)。原子量小的散射較強(qiáng)，質(zhì)有關(guān)。原子量小的散射較強(qiáng)，即正常峰較低；反之相反

17、。即正常峰較低；反之相反。第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院經(jīng)典電磁理論預(yù)言，散射輻射具有和入射輻射一經(jīng)典電磁理論預(yù)言，散射輻射具有和入射輻射一樣的頻率。經(jīng)典理論無法解釋波長變化。樣的頻率。經(jīng)典理論無法解釋波長變化。第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院000vxy光子光子電子電子 電子反沖速度很大，需用相對論力學(xué)來處理。電子反沖速度很大，需用相對論力學(xué)來處理。 1.1.物理模型物理模型 入射光子（入射光子（ X X 射線或射線

18、或 射線能量大。射線能量大。 固體表面電子束縛較弱，可視為近自由電子。固體表面電子束縛較弱，可視為近自由電子。xy電子電子光子光子 電子熱運(yùn)動能量電子熱運(yùn)動能量 ，可近似為靜止電子。，可近似為靜止電子。 hhE 范圍為：范圍為：104 eV105 eV 第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院cos2202222220222chchchmv2.2.理論分析理論分析xy00echechvme0e2200mchcmhv能量守恒能量守恒vmechech00動量守恒動量守恒)(2)cos1 (2)1 (0200242022

19、42hcmhcmccmv第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院 康普頓波長康普頓波長 nm1043. 2m1043. 23120Ccmh)(2)cos1 (2)1 (020024202242hcmhcmccmv2/ 1220)/1 (cmmv2sin2)cos1 (200cmhcmh 康普頓公式康普頓公式)cos1 (00cmhcc實驗總結(jié)的結(jié)果：實驗總結(jié)的結(jié)果： 2sin220KnmK00241. 0可見：實驗與理論結(jié)果符合得相當(dāng)好！可見：實驗與理論結(jié)果符合得相當(dāng)好！ 第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)

20、光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院 散射光波長的改變量散射光波長的改變量 僅與僅與 有關(guān)有關(guān)0, 0Cmax2)(, 散射光子能量減小散射光子能量減小00,)cos1 ()cos1 (C0cmh康普頓公式康普頓公式3.3.結(jié)論結(jié)論xy00echechvme0e第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院康普頓散射進(jìn)一步證實了光子論，證明了光子能量、動量表示康普頓散射進(jìn)一步證實了光子論，證明了光子能量、動量表示式的正確性，光確實具有波粒兩象性。另外證明在光電相互作用的式的正確性

21、，光確實具有波粒兩象性。另外證明在光電相互作用的過程中嚴(yán)格遵守能量、動量守恒定律。過程中嚴(yán)格遵守能量、動量守恒定律。應(yīng)用光子概念解釋康普頓散射：應(yīng)用光子概念解釋康普頓散射：（1一個光子與散射物中一個自由電子或束縛較一個光子與散射物中一個自由電子或束縛較弱的電子發(fā)生碰撞后，光子將沿某一方向散射，即康普弱的電子發(fā)生碰撞后，光子將沿某一方向散射，即康普頓散射的方向。在碰撞時，光子的一部分能量傳給電子，頓散射的方向。在碰撞時，光子的一部分能量傳給電子，所以散射光子的能量比入射光子的能量小，即散射光波所以散射光子的能量比入射光子的能量小，即散射光波的波長要比入射光波的波長大。的波長要比入射光波的波長大。

22、（2若光子與原子中束縛很強(qiáng)的電子碰撞，由于整若光子與原子中束縛很強(qiáng)的電子碰撞，由于整個原子的質(zhì)量比光子大得多，光子的能量沒有顯著變化，個原子的質(zhì)量比光子大得多，光子的能量沒有顯著變化，所以散射光的頻率沒有顯著變化，即散射光波的波長與所以散射光的頻率沒有顯著變化，即散射光波的波長與入射光波的波長相等。入射光波的波長相等。第第11章章 量子物理學(xué)基礎(chǔ)量子物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓散射康普頓散射哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院解：（解：（1）)cos1 (CCC)90cos1 (eV295)1 (000202khchchccmmcE 例例1 波長波長0=1.0010-10m的的X射線與靜止的自由射線與靜止的自由電子作彈性碰撞，在與入射角成電子作彈性碰撞，在與入射角成90角的方向上觀察，角的方向上觀察，問：問：（2反沖電子得到多少動能？反沖電子得到多少動能？（1散射波長的改變量散射波長的改變量 為多少？為多少？