物理-27量子能量子假說、愛因斯坦光量子

普朗克能量子假說、愛因斯坦光量子假說（一）黑體輻射的實驗定律1、斯特藩-玻耳茲曼定律M

(T

)

=

T

42、維恩位移定律T

m

=

b

=

5.6710

-8

W/m2K4Wien

Displacement

Lawb

=

2.897756×10-3

m·KmStefan

–

Boltzmann

Law

2200K2000K1800K1600K普朗克能量子假說、愛因斯坦光量子假說（二）普朗克能量子假說輻射黑體中分子和原子的振動可視為線性諧振子，這些線性諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)下，諧振子的能量不能取任意值，只能是某一最小能量

的整數(shù)倍對頻率為

的諧振子,最小能量(能量子)

為:

,

2

,

3

,

4

,

,

n

,

n為整數(shù)，稱為量子數(shù)

hν§15-2

光電效應 光的波粒二象性Photoelectric

Effect

Wave-particle

Dualism一、光電效應的實驗規(guī)律1、光電效應光的照射下，金屬及其化合物中的電子逸出金屬表面的現(xiàn)象。這些逸出的電子被稱為:光電子光電子運動形成的電流被稱為:光電流2、實驗裝置在一個真空管內(nèi)，裝有陰極K

和陽極A，當單色光通過石英窗到

K

上時，金屬板便光電子。如果在K

、A

兩端加上電勢差U，則光電子飛向陽極，回路中形成光電流。金屬GAKV說明被光照射的電極上，單位時間內(nèi)釋出的光電子數(shù)與入射光的強度成正比。遏止(截止)電勢差Uo光電子的最大初動能:2mEk

max12mv3、實驗規(guī)律1)

在入射光頻率不變時，飽和光電流強度is

與入射光強I

成正比；ii

0Us

2i

s

1I1I2光強I

>

I2

1-Uoo

eU2)光電子的初動能隨入射光的頻率線性增加，與光強無關；Uo

ν

(1014Hz)0.04.0

6.0

8.0

10.01.02.0oU

()NaCs

Ca3)

只有當入射光頻率

大于一定的頻率

0

時,才會產(chǎn)生光電效應；0

稱為截止頻率或紅限頻率Cut

off

Frequency4)

光電效應是瞬時發(fā)生的，

馳豫時間不超過10-9so2mEk

max

eUmv12Ek

max

Uo

ν2）對于頻率為

的單色光每個光子的能量:

hν二、經(jīng)典物理學所遇到的按照光的經(jīng)典電磁理論：1、逸出光電子的初動能應隨光強增大而增大，與頻率無關；2、不應存在截止頻率；3、電子積累能量需要一段時間，光電效應不可能瞬時發(fā)生。三、愛因斯坦光電效應方程(*重點

*）1、愛因斯坦光量子假說(1905)1）一束光是一束以光速C運動的粒子流，這些粒子稱為光量子（光子）Photonm2hν

1

mv2

WW

為該金屬材料的逸出功

Work

Gunction2、愛因斯坦光電效應方程

(*

重點*）當頻率為

光照射金屬時，一個電子整體只吸收一個光子根據(jù)能量守恒:1、愛因斯坦光量子假說(1905)1）一束光是一束以光速C運動的粒子流，這些粒子稱為光量子（光子）Photon2）對于頻率為

的單色光每個光子的能量:

hν3、光子理論對光電效應的解釋當入射光的頻率一定時，入射光越強則光子數(shù)N就越多，單位時間產(chǎn)生的光電子數(shù)就越多，飽合光電流就越大。I

Nh

ν1)飽和光電流強度is

與入射光強I

成正比實驗規(guī)律iis

20Uis

1I1I2光強

I2>I1-UO光子理論的解釋光的強度決定于單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的光子數(shù)Ne

eOU

h

ν

WUo

與頻率成線性關系，而與光的強度無關eK

h與實驗比較有由o2m

eUmv21m2和hν

1

mv2

W3、光子理論對光電效應的解釋2)光電子的初動能隨入射光的頻率線性增加，而與入射光的強度無關。

(1014Hz)0.04.0

6.0

8.0

10.01.02.0OU

()CsNaCa實驗規(guī)律光子理論的解釋為紅限頻率3）若能發(fā)生光電效應必要求2m1

mv2

00hWν

ν4）一個光子是整體而被電子吸收，不需要時間積累，因此光電效應的弛豫時間很短。hν

W

0hν

W0才會產(chǎn)生光電效應。0

稱為截止頻率或紅限頻率3、光子理論對光電效應的解釋實驗規(guī)律3)

只有當入射光頻率

大于一定頻率

0時,4)

光電效應是瞬時發(fā)生的。馳豫時間不超過10-9s光子理論的解釋m2hν

1

mv2

W光子的能量：c2cp

mc

hνc

hνp

h

h

p

en光子的動量：

hν

mc2m

hνc2光子

質(zhì)量:

m0

0四、光的波粒二象性

(*重點*）1、光子的能量、質(zhì)量與動量愛因斯坦把光束視為粒子流，那么“光”就不僅具有能量，而且還應該有質(zhì)量、動量！關于這些問題，愛因斯坦在1905年的第三篇即狹義相對論中全盤推出了。四、光的波粒二象性

(*重點*）2、光的“波粒二象性”波長、頻率是描寫波動性的物理量，而質(zhì)量、動量、能量是描寫粒子性的物理量。所以愛因斯坦對“光”同時賦予了波動性和粒子性。光的波動性和粒子性是通過普朗克常數(shù)聯(lián)系在一起的。在有些情況(

、衍射、偏振等)下，光顯示出波動性;光在

過程中顯著地

它的波動性。在另一些情況下(熱輻射、光電效應等)，顯示出粒子性;在與物質(zhì)相互作用時，

的表現(xiàn)為粒子性。光具有“波粒二象性”愛因斯坦獲1921年

物理獎。p

h

hν例3關于光子的性質(zhì)，有以下說法，其中正確的是：不論真空中或介質(zhì)中的速度都是C;它的

質(zhì)量為零；c它的總能量就是它的動能；它有動量和能量，但沒有質(zhì)量。（3）它的動量為：p

hν

；書15-30hν

h

c

eU

W

,122m

0mv

eU

,例

4:

以

1

550

nm

的光照射某金屬表面，測得遏止電壓為

U01

0.19V

。

現(xiàn)以

2

190

nm

的光照射該表面，求：1)

此時的遏止電壓

U02

；

2)

該金屬的逸出功

W

；3)該金屬的紅限頻率ν0

。(附加題

(二)2)解：1）由愛因斯坦光電效應方程：2mhν

1

mv2

W

,對于1

550

nm的光，有011h

c

eU

W

,2對于

190

nm的光，有02

eU

W

,2h

c1202

01e

U

U

1

(h

c

h

c

)02U

4.47V解：2）01

eU

W

,1h

c011

W

h

c

eUhν

W00ν

5.01014

Hz3）

2.07eV例

4:

以

1

550

nm

的光照射某金屬表面，測得遏止電壓為

U01

0.19V

。

現(xiàn)以

2

190

nm

的光照射該表面，求：1)

此時的遏止電壓

U02

；

2)

該金屬的逸出功

W

；3)該金屬的紅限頻率ν0

。(附加題

(二)2)

外光電效應在近代技術(shù)中的應用光電開關、自動控制、自動計數(shù)、光控繼電器、光電傳感器、自動控制、自動計數(shù)、自動、(微光)夜視儀、紅外成像儀等.光控繼電器示意圖光放大器接控件機構(gòu)光電倍增管本節(jié)知識點1、愛因斯坦光量子假說1）一束光是一束以光速C運動的粒子流，這些粒子稱為光量子（光子）Photon2）對于頻率為

的單色光每個光子的能量:

hνm2hν

1

mv2

WW

：逸出功2、愛因斯坦光電效應方程當頻率為

光照射金屬時，一個電子整體只吸收一個光子根據(jù)能量守恒:本節(jié)知識點3、光的波粒二象性1）光子的能量、質(zhì)量與動量光子 質(zhì)量:

m0

0h

p

en光子的能量：c2cp

m

c

hνc

hνp

h2）光具有“波粒二象性”在有些情況( 、衍射、偏振等)下，光顯示出波動性在另一些情況下(熱輻射、光電效應等),顯示出粒子性光子的動量：

hν

mc2c2m

hν§15-3

康普頓效應

Compton

Effect康普頓pton(1892---1962)實驗物理學家，芝加哥大學教授。因發(fā)現(xiàn)康普頓效應而獲得1927年

物理學獎§15-3

康普頓效應

Compton

Effect探測器一、康普頓效應的實驗及其規(guī)律1、實驗裝置1923年,測量了X射線沿各方向的散射波,發(fā)現(xiàn)在散射光線中除了有與入射線波長相同的射線外，還有波長大于入射線波長的

射線，這種改變波長的散射現(xiàn)象——康普頓效應

Compton

Effect光闌石墨晶體

AK-X射線源波長偏移量

散射角射線源散射體~

說明什么？2、康普頓散射的實驗規(guī)律1)在散射光線中有與入射光波長相同的射線,

也有波長大于入射光的射線;4)在原子量較小的物質(zhì)中，康普頓散射較強;對原子量較大的物質(zhì)，康普頓散射較弱。

的增加而增加;02)

波長的偏移量

隨散射角3)

在同一散射角

下，所有散射物質(zhì)波長的偏移量都是相同的。(1897-1977)，江西高安人，1921年赴

芝加哥大學隨康普頓教授從事物理學研究，通過實驗和理論分析，驗證了某些X射線經(jīng)散射后波長的變化。1924年他與康普頓合作

了《經(jīng)過輕元素散射的鋁

(Ka)射線的波長》，因此，物理學界把某些X射線經(jīng)散射

后波長變長的現(xiàn)象稱為康普頓-效應。在普朗克、玻爾等人開創(chuàng)的現(xiàn)代物理學中，吳有訓作出了杰出貢獻。經(jīng)典理論只能說明波長不變的散射，而不能說明康普頓散射θ0

000

電子受迫振動同頻率散射線發(fā)射單色電磁波照射散射物體二、對實驗結(jié)果的分析1、康普頓散射的實驗結(jié)果與光的波動說相經(jīng)典物理的解釋受迫振動v02、光子理論解釋(2)光子與實物粒子一樣，能與電子等粒子作彈性碰撞。(1)X射線由

h的光子組成；外層電子受原子核

較弱動能＜＜光子能量近似近似電子電子1)

入射光子與外層電

性碰撞0(2)光子與實物粒子一樣，能與電子等粒子作彈性碰撞。(1)X射線由

h的光子組成；電子02)X射線光子和原子內(nèi)層電子相互作用內(nèi)層電子被

很緊，光子相當于和整個原子發(fā)生碰撞。光子質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，碰撞時光子不會明顯損失能量，波長不變。00原子2、光子理論解釋(2)光子與實物粒子一樣，能與電子等粒子作彈性碰撞。(1)X射線由

h的光子組成；電子000原子內(nèi)層電子外層電子波長變大的散射線波長不變的散射線波長變化

X光子

結(jié)論2、光子理論解釋三、康普頓效應的理論解釋X

射線光子與電子的碰撞(1)碰撞前*電子能量*光子能量動量e0p0

hν0c0

hν0(2)碰撞后*電子能量*光子能量動量

hν動量動量1

(V

/

c)2m0Vpe

mV

hν

p

encpe

mVehν0

p0

c

e0e0p

0E

m

c20

02E

m

c

hν

p

c

en碰撞過程中能量守恒hν

m

c2

hν

mc20

0碰撞過程中動量守恒e0

c

en

mVhν0

hν

chν0,1

(V

/

c)2

cm0V

cosc

c

hν

cos

1

(V

/

c)200

hν

sin

m

V

sin

消去

與V

可得,散射使波長的偏移量為:

(1cos

)c

2

431012

m

0.00243nmm

chc0康普頓波長:

m0c