光的粒子性精品課件

1、光的粒子性1第1頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一普朗克能量子解釋黑體輻射；愛因斯坦光量子解釋光電效應(yīng)；玻爾能級解釋原子核式模型與氫光譜；德布羅意提出實物粒子的波粒二象性；海森伯、薛定諤、玻恩、狄拉克量子理論。19世紀末一系列重大的發(fā)現(xiàn)，揭開了近代物理學(xué)的序幕。2第2頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一 第一節(jié) 黑體(熱 )輻射一、熱輻射現(xiàn)象基本性質(zhì)：溫度發(fā)射的能量電磁波的短波成分平衡熱輻射：物體輻射的能量等于在同一時間內(nèi)所吸收的能量。實 驗： 分子的熱運動使物體輻射電磁波其能量按波長分布，分布隨溫度而變化。3第3頁，共31頁，2022年，5月20日，

2、4點41分，星期一從溫度為T 的物體的單位表面、單位時間內(nèi)發(fā)出波長在 +d 范圍電磁波的能量為dM定義:單位 :Wm-3總輻出度M 單位面積的輻射功率。同一物體，不同溫度下 M（，T) 曲線不同。溫度相同的不同物體，M(,T)曲線也不同。其單位：Wm-2曲線下面積1 基本概念單色輻出度二、 基爾霍夫輻射定律（1859年12月）4第4頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一根據(jù)能量守恒定律，對每一種波長都有:物體對不同波長的輻射反射、吸收能力不同。定義:單色反射率單色吸收率單色反射率r 與吸收率a a 1 的物體稱黑體，它能全部吸收射到其表面的一切熱輻射，它的單色輻射出射度也大。

3、5第5頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一用 實驗證明 空腔內(nèi)平衡熱輻射的兩個重要特性 尋找黑體單色輻射出射度，成為研究平衡熱輻射場的臺階。2 基爾霍夫輻射定律6第6頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一電爐1、斯忒番玻爾茲曼定律（1874年、1884年）空腔棱鏡測得不同頻率的輻射功率頻率不同折射率不同，折射角不同。G轉(zhuǎn)動平行光管熱電偶三 黑體輻射的實驗規(guī)律7第7頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一2、維恩位移定律 斯忒番-玻爾茲曼定律和維恩位移定律是黑體輻射 的基本定律，現(xiàn)代廣泛應(yīng)用于高溫測量、遙感、紅外追蹤等。 T2T1T38第8頁

4、，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一 人體幾乎是一個黑體。假設(shè)人體的表面積是1.73m2，表面溫度是330 。求人體的輻射的總功率。例題13-1 已知在紅外范圍內(nèi)，人類的皮膚的吸收比， 總功率：解：9第9頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一例題：先后兩次測得煉鋼爐測溫孔（近似為黑體）輻射出射度的峰值波長1m=0.8m、2m =0.4m ，求：（1）相應(yīng)的溫度比；（2）相應(yīng)的輻射本領(lǐng)之比。解：（1） 根據(jù)維恩位移定律T1 1m = b T2 2m = b （2）根據(jù)斯忒番-玻爾茲曼定律10第10頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一19世紀

5、末，物理學(xué)最引人注目的課題之一，即欲從理論上導(dǎo)出 黑體的單色輻射出射度 的數(shù)學(xué)式。（1）維恩公式（2）瑞利金斯公式玻爾茲曼常數(shù)四、普朗克的量子假設(shè)11第11頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一能量不連續(xù)，只能是 h 的整數(shù)倍。1900年12月14日，在德國物理學(xué)會上演講。這一天定為量子力學(xué)的誕生日。1900年，普朗克提出能量子h h=6.6310-34 J.s 普朗克常數(shù)并根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計法推出黑體輻射公式2）諧振子與外界發(fā)生能量交換的量子化假說1）諧振子能量的量子化假說12第12頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一普朗克的量子假設(shè)揭示了物質(zhì)與輻射相互作

6、用的普遍規(guī)律。他比喻：能量如商店里賣啤酒，只能一瓶一瓶的擺著，也只能一瓶一瓶賣出。他對自己的理論忐忑不安，“經(jīng)典理論給了我們這樣多有用的東西，因此，必須以最大的謹慎對待它，維護它除非絕對必要，否則不要改變現(xiàn)有的理論。” 1910年，他提出發(fā)射能量不連續(xù)，吸收連續(xù)，啤酒賣出去后就成了流體。1914年，發(fā)射也連續(xù)只有相互碰撞時才不連續(xù)。普朗克把物理帶到量子論大門口，卻沒進去。13第13頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一1887年赫茲發(fā)現(xiàn)紫外光帶電粒子勒納證明是電子!金屬電磁波照射下金屬發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)第二節(jié) 光電效應(yīng)14第14頁，共31頁，2022年，5月

7、20日，4點41分，星期一頻率不變時，單位時間逸出的光電子數(shù)與照射光強成正比。I2I1一、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律飽和光電流I1I20VGKAi紅限頻率1.對一定的金屬材料制成的陰極，存在一個確定的臨閾頻率。照射光強15第15頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一此外，不變時，飽和光電流與入射光強成正比，即單位時間內(nèi)從從金屬表面逸出的電子與入射光強成正比。*光電子的初動能可用遏止電壓 Ua 測量。當o 盡管光強極弱，光電效應(yīng)也會在瞬間（t 10-9 s）產(chǎn)生；當o即使光強再強，也不會產(chǎn)生光電效應(yīng)。2.光電子的初動能與頻率成線性關(guān)系，而與入射光的強度I 無關(guān)。其關(guān)系：斜率K與材料無關(guān)

8、。截距A與材料有關(guān)。(1014Hz)Cu7. 5Na5. 5A3.光電效應(yīng)具有瞬時性16第16頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一1. 應(yīng)該與光強有關(guān)，而不是頻率。2.只要光強足夠，就應(yīng)產(chǎn)生光電效應(yīng)，不應(yīng)存在紅限。3.產(chǎn)生光電效應(yīng)需要時間積累能量，尤其光強較弱時。經(jīng)典理論的困難二、愛因斯坦的光量子假說（1905年）1. 電磁波能量本身也是量子化的，即傳播中也是量子化的。2. 愛因斯坦光電效應(yīng)方程:愛因斯坦的光量子假說:17第17頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一光子能量 E = h = mc2質(zhì)量 m = h/ c2動量 p =mc=hv/c= h/

9、紅限頻率不變時，光強I = NhI N iM 3. 金屬中，一個電子能夠一次全部吸收一個光子的能量，只要光子的能量大于金屬的逸出功，則這個電子立即逸出金屬表面，而不需要時間去積累能量。2.對于同一種金屬，逸出功A是常數(shù)，初動能與入射頻率成線性關(guān)系。與光強無關(guān)。1.若使電子逸出金屬表面，光子的能量hv不能小于A。三、光子的質(zhì)量與動量18第18頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一解：例題：光電效應(yīng)實驗，已知陰極材料的逸出功A，照射光的頻率 o ，求（1）紅限 o；（2）遏止電壓Ua 。（2）（1）由愛因斯坦方程19第19頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一光

10、電效應(yīng)的應(yīng)用1、iM I 可用來實現(xiàn)光、電信號轉(zhuǎn)換。（電影、 電視、傳真等現(xiàn)代通訊技術(shù))2、瞬時性用于自動控制、自動計數(shù)。3、光電管、光電倍增管、光電二極管由于在理論物理方面的貢獻，特別是對光電效應(yīng)的成功解釋，1921年，愛因斯坦獲得諾貝爾物理獎！20第20頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一1. 現(xiàn)象晶體（作光柵）探測器石墨X射線 o（ o）康普頓散射光 o光譜儀o ：正常光光譜儀測得散射光波長：一、康普頓效應(yīng)(1923美國物理學(xué)家）第三節(jié) 光的波粒二相性21第21頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一0 入射光 = 0o = 45o = 90oLi（Z

11、=3）Fe（Z=26）0 0正常光光強康普頓散 射光光強2. 散射光光譜圖康普頓散射光 特 點同一散射角，不同的散射物，康普頓散射光光強占總光強的比例不同。輕原子比例大重原子比例小1、波長與散射角有關(guān)，與散射物無關(guān)。2、光強與散射物有關(guān)。I22第22頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一3. 康普頓的解釋光子理論 ：(1)X 射線由 的光子組成； 外層電子自由與光子碰撞時獲得一部分能量光子能量 康普頓散射光；內(nèi)層電子與核結(jié)合緊一體光子與之碰撞反彈（不損失能量） 不變正常光。 輕的原子中的電子束縛弱，散射光較強，正常成分少；重的原子則相反，所以散射光較少，正常成分比較多。 經(jīng)典

12、波動理論：電磁波（00）散射物（電子受迫振蕩）輻射電磁波波長、頻率只能是00。(2)光子與實物粒子一樣，能與電子等粒子作彈性碰撞23第23頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一hoXYh能量守恒 X方向動量守恒 Y方向動量守恒考慮：康普頓波長電子散射光子入射光子二、光的波粒二相性24第24頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一第四節(jié) 實物粒子的波動性一、經(jīng)典粒子與經(jīng)典波經(jīng)典粒子特點：定域性、排他性。經(jīng)典波特點： 廣延性、可疊加性。讓開！這是我的地方。 各種不同頻率的電磁波在空間同時傳播。25第25頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一二、微

13、觀粒子與德布羅意波1.德布羅意（1924年）：一個具有確定能量E、動量P的粒子，在某些測量條件下顯示出沿動量方向傳播的單色平面波的行為，其頻率、波長滿足他明確指出：可以用電子波貫穿晶片進行驗證。26第26頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一例題：已知電子的動能為100eV,求其得布羅意波長？解：例題：若初速度為零的電子經(jīng)電場加速，加速電壓為U，vc求得布羅意波長。解：27第27頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一 電子的單縫、雙縫、三縫和四縫衍射實驗圖象2.湯姆遜（1927）3.約恩遜（1961）多晶鋁泊28第28頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一經(jīng)典理論：自然過程連續(xù)，測量儀器對客體的干擾 可無限地連續(xù)減小。量子理論：儀器對客體的干擾不能連續(xù)減小，作用量子 h 的存在規(guī)定了干擾的下限與性質(zhì)。1.測量理論2.不確定關(guān)系電子流如同單色光通過狹縫衍射現(xiàn)象三、不確定關(guān)系29第29頁，共31頁，2022年，5月20日，4點41分，星期一例題：原子線度為10-10m， 計算原子中電子速度的不確定度。解：x = 10 -10 P = m v按經(jīng)典力學(xué)計算，