中職物理教學(xué)課件量子

第13章早期量子理論和量子物理基礎(chǔ)N.玻爾、M.玻恩、W.L.布拉格、L.V.德布羅意、A.H.康普頓、M.居里、P.A.M狄喇克、A.愛因斯坦、W.K.海森堡、郞之萬、W.泡利、普朗克、薛定諤等第五次索爾維會(huì)議與會(huì)者合影(1927年)（一）1900年普朗克首次提出能量子的假設(shè)（二）1900—1923年間

1905年愛因斯坦提出光量子假設(shè)

1913年玻爾提出原子結(jié)構(gòu)量子化假設(shè)1923年康普頓散射實(shí)驗(yàn)（三）1924年德布羅意提出

微觀粒子具有波粒二象性的假設(shè)（四）1924—1927年海森堡、薛定諤、玻恩、狄拉克奠定量子理論基礎(chǔ)量子論的誕生熱輻射:

由溫度決定的物體的電磁輻射。一.熱輻射§13.1

熱輻射普朗克能量子假設(shè)頭部熱輻射像頭部各部分溫度不同，因此它們的熱輻射存在差異，這種差異可通過熱象儀轉(zhuǎn)換成可見光圖象。單色輻出度01.01.75波長

(m)物體輻射電磁波的同時(shí)，也吸收電磁波。室溫高溫吸收輻射白底黑花瓷片基爾霍夫定律：物體輻射本領(lǐng)越大，其吸收本領(lǐng)也越大。二.黑體輻射絕對(duì)黑體(黑體)：能夠全部吸收各種波長的輻射且不反射和透射的物體。黑體輻射的特點(diǎn)：

與同溫度其它物體的熱輻射相比，黑體熱輻射本領(lǐng)最強(qiáng)煤煙約99%黑體模型絕對(duì)黑體的輻出度按波長分布曲線實(shí)驗(yàn)曲線1700K1500K1300K1100K012345o實(shí)驗(yàn)值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線12345678電磁波四.普朗克能量子假設(shè)

若諧振子頻率為v

，則其能量是

hv,2hv,3hv,…,nhv,…

首次提出微觀粒子的能量是量子化的，打破了經(jīng)典物理學(xué)中能量連續(xù)的觀念。普朗克常數(shù)

h=6.626×10-34J·s

腔壁上的原子能量與腔內(nèi)電磁場交換能量時(shí)，諧振子能量的變化是

hv的整數(shù)倍.說明1918年普朗克獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

在光的作用下，從金屬表面逸出電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)

。逸出的電子稱為光電子?！?3-2光電效應(yīng)和愛因斯坦光子理論一、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)-光KAGV實(shí)驗(yàn)一：入射光強(qiáng)度和頻率不變1、增加電壓U，光電流隨之增加，直至飽和。3、當(dāng)反向電壓U=Ua時(shí),光電流I=0。2、電壓U=0時(shí)，光電流I=0。截止電壓(遏制電勢差）：光電子剛好不能到達(dá)A極時(shí)所加的反向電壓值Ua

。-光KAGVIU0IH實(shí)驗(yàn)二：改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)度和頻率I2I3I1IU0Ua1、入射光頻率不變，飽和電流IH的大小與入射光的強(qiáng)度成正比。2、入射光頻率越高，遏制電勢差Ua越大。即：K極逸出的電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度成正比。即：光電子最大初動(dòng)能，與入射光的頻率成正比。Ua0Cs01

光強(qiáng)1<光強(qiáng)2<光強(qiáng)33、存在一個(gè)“遏制頻率”（紅限）o=U0/K光電效應(yīng)發(fā)生4、光電效應(yīng)瞬時(shí)響應(yīng)的性質(zhì)。t<10-9秒it10-9sUa0CSNaCa010203

電子在電磁波作用下作受迫振動(dòng)，直到獲得足夠能量(與光強(qiáng)

I有關(guān))逸出，不應(yīng)存在紅限

0

。當(dāng)光強(qiáng)很小時(shí)，電子要逸出，必須經(jīng)較長時(shí)間的能量積累。存在紅限頻率。只有光的頻率

0

時(shí)，電子才會(huì)逸出。

單位時(shí)間內(nèi)，逸出光電子數(shù)與光強(qiáng)

I

成正比。

光電子即時(shí)發(fā)射，滯后時(shí)間不超過

10–9

秒。

光電子最大初動(dòng)能和光頻率

成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。

光電子最大初動(dòng)能取決于光強(qiáng)，和光的頻率

無關(guān)。二、經(jīng)典電磁理論解釋光電效應(yīng)的困難：普朗克的能量子假設(shè)：諧振子發(fā)射或吸收的能量是量子化的，每份能量為普朗克愛因斯坦

愛因斯坦推廣了普朗克的能量子假設(shè)，認(rèn)為不僅諧振子發(fā)射或吸收的能量是量子化的，空腔內(nèi)的輻射場本身也是量子化的！榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)電磁波能量三、愛因斯坦的光子理論：愛因斯坦方程：光強(qiáng)：A是逸出功，取決于金屬的性質(zhì)金屬光子-電子光子能量：紅限：

光在空間傳播時(shí)，光能不是均勻地分布于波前，而是聚集成一顆一顆能量量子，這種能量量子被稱為光子，它的能量與電磁波的頻率ν有關(guān).

解釋2：

產(chǎn)生光電效應(yīng)：四、愛因斯坦的光子理論對(duì)于光電效應(yīng)的解釋：

解釋1：入射光頻率不變光強(qiáng)S與光子數(shù)有關(guān)，光較強(qiáng)時(shí)到達(dá)陰極光子數(shù)較多，電子數(shù)也較多，飽和電流增大.光強(qiáng):愛因斯坦方程：1、入射光頻率不變，飽和電流IH的大小與入射光的強(qiáng)度成正比2、存在一個(gè)“遏制頻率”（紅限）o=U0/KIU0I1I2I3Ua光強(qiáng)1<光強(qiáng)2<光強(qiáng)30UKUa-n=實(shí)驗(yàn)結(jié)論：3、入射光頻率越高，遏制電勢差Ua越大。即，光電子最大初動(dòng)能，與入射光的頻率成正比。愛因斯坦方程：

解釋3：解釋4：即使光強(qiáng)很弱，只要

hν促使電子發(fā)射，就產(chǎn)生光電效應(yīng)，與光強(qiáng)無關(guān)。其次電子吸收光子為一很短過程，光電效應(yīng)沒有時(shí)滯，是瞬時(shí)完成的。Ua0CSNaCa010203光子動(dòng)量五.光的波粒二象性光子能量光子質(zhì)量粒子性波動(dòng)性六.光電效應(yīng)的應(yīng)用

光電成像器件能將可見或不可見的輻射圖像轉(zhuǎn)換或增強(qiáng)成為可觀察記錄、傳輸、儲(chǔ)存的圖像。紅外變像管紅外輻射圖像

→

可見光圖像像增強(qiáng)器微弱光學(xué)圖像

→

高亮度可見光學(xué)圖像測量波長在

200~1200nm

極微弱光的功率光電倍增管K1K3K5

K

K2K4

A

傳真機(jī)、電影放映機(jī)、錄音機(jī)、VCD、DVD

例題：鉀的光電效應(yīng)紅限為o=6.210-7m，求：

（1）電子的逸出功；

（2）在λ=3.0×10-7m的紫外線照射下，截止電壓為多少？

（3）電子的最大初速度為多少？解：（1）（2）（3）POQS已知：如圖OP,OQ,PQ求：A,h解：例題：有一金屬鉀薄片，距弱光源3米。此光源的功率為1W，計(jì)算在單位時(shí)間內(nèi)打在金屬單位面積上的光子數(shù)。設(shè)=5890A。解：光強(qiáng)作業(yè)13.713.9§13-3康普頓效應(yīng)

康普頓，美國著名物理學(xué)家、“康普頓效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)者。與英國的威爾遜一起分享了1927年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

吳有訓(xùn)，物理學(xué)家、教育家，我國近代物理學(xué)奠基人之一。以系統(tǒng)、精湛的實(shí)驗(yàn)為康普頓效應(yīng)的確立做出了重要貢獻(xiàn)。一、康普頓效應(yīng)：散射：光通過性質(zhì)不均勻的物質(zhì)，（物質(zhì)的線度大于光波波長）從側(cè)向觀察到光的現(xiàn)象石墨體x射線譜儀X射線管在1922—1923年間，康普頓在用X射線作光散射實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)：X射線被散射后，除部分波長沒有改變外，還有部分波長變長，這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)（康普頓散射）。同一散射物質(zhì)，不同散射角(1)波長的改變量△

=

-o隨散射角的增加而增加(2)隨著的增加，原波長o的譜線強(qiáng)度減少而新譜線的強(qiáng)度增加1、康普頓效應(yīng)與散射角的關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果：石墨體x射線譜儀X射線管2、康普頓散射與原子序數(shù)的關(guān)系說明：

1、相同時(shí)，對(duì)不同的散射物質(zhì)，-o都相同。2、在原子量小的物質(zhì)中，康普頓散射較強(qiáng)。二、康普頓效應(yīng)的定性解釋

1、一個(gè)光子和散射物中的一個(gè)自由電子（或束縛很弱的電子）發(fā)生碰撞入射光子能量一部分給電子，電子獲得能量離開散射物沿飛出光子沿某方向彈開形成散射光子2、一個(gè)光子和散射物中的束縛很緊的電子發(fā)生碰撞散射光的頻率與入射光頻率一樣x反沖電子散射光子y-3、原子量小的輕原子中的電子一般束縛較弱原子量大的重原子中的電子一般束縛較強(qiáng)在原子序數(shù)小的物質(zhì)中，康普頓散射較強(qiáng)。三、康普頓效應(yīng)的定量解釋：x反沖電子散射光子y-自由電子較多自由電子較少220mchcmh+=+nno能量守恒：x反沖電子散射光子y-動(dòng)量守恒：X方向Y方向結(jié)論：1、波長的改變量與散射角有關(guān)，散射角越大，也越大。2、波長的改變量與入射光的波長無關(guān)?？梢姽獾臄?shù)量級(jí)：x光的數(shù)量級(jí)：康普頓波長：意義：光具有波-粒二象性1、證實(shí)了光具有粒子性2、第一次在微觀領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用動(dòng)量，能量守恒定律，3、可以求出普朗克常量h動(dòng)量，能量守恒定律依然成立例題1：在康普頓效應(yīng)中，入射光子的波長為3×10-3nm，反沖電子的速度為光速的60%，求散射光子的波長和散射角。解：x反沖電子散射光子y-例題2：波長為o=0.20A的x射線與自由電子發(fā)生碰撞，若從與入射角成90°角的方向觀察散射線。求：（1）散射線的波長；（2）反沖電子的動(dòng)能；（3）反沖電子的動(dòng)量。解：x反沖電子散射光子-作業(yè)13.1513.16記錄氫原子光譜原理示意圖*§13.4

氫原子光譜玻爾的氫原子理論氫放電管2~3kV光闌全息干板

三棱鏡（或光柵）光

源一、氫原子光譜7000?4000?5000?6000?巴爾末公式：6563?4861?4340?計(jì)算值：實(shí)驗(yàn)值：波數(shù)：巴爾末公式：巴爾末公式：里德伯常數(shù)：廣義巴爾末公式：(k<n)里茲并合原則：譜線的波數(shù)可以表示為兩光譜項(xiàng)之差。光譜項(xiàng)：帕邢系：（紅外光）布喇開系：（紅外光）賴曼系：（紫外光）普芳德系：（紅外光）巴爾末系：（可見光）二、經(jīng)典原子模型1、湯姆遜面包夾葡萄干模型------

整個(gè)原子呈膠凍狀的球體，正電荷均勻分布于球體上，而電子鑲嵌在原子球內(nèi)，在各自的平衡位置作簡諧振動(dòng)并發(fā)射同頻率的電磁波。2、盧瑟福的核式模型粒子金箔+-粒子散射原子的核式模型：

原子由原子核和核外電子構(gòu)成，原子核帶正電荷，占據(jù)整個(gè)原子的極小一部分空間，而電子帶負(fù)電，繞著原子核轉(zhuǎn)動(dòng)，如同行星繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)一樣。模型缺陷1、不能解釋原子的穩(wěn)定性2、不能解釋線狀光譜1）定態(tài)假設(shè)：原子中的電子只能在一些分裂的軌道上運(yùn)行，在每一個(gè)軌道上運(yùn)動(dòng)電子處于穩(wěn)定的能量狀態(tài)(E1<E2

<E3

<…)。2）頻率條件：當(dāng)電子從一個(gè)能態(tài)軌道向另一個(gè)能態(tài)軌道躍遷時(shí)，要發(fā)射或吸收光子。3）量子化條件：軌道角動(dòng)量呈量子化三、玻爾的氫原子理論+-n是主量子數(shù)1、玻爾的三個(gè)假設(shè)玻爾量子化條件：電子的軌道半徑：2、玻爾的氫原子理論+-r1）半徑玻爾半徑2）軌道能量：氫原子的基態(tài)能量：氫原子能級(jí)：+-r-13.58-3.39-1.51-0.85-0.54012354氫原子能級(jí)圖基態(tài)第一激發(fā)態(tài)第二激發(fā)態(tài)第三激發(fā)態(tài)（ev）3、輻射頻率EnEk光子賴曼系巴爾末系帕邢系布喇開系-13.58-3.39-1.51-0.85-0.540En(eV)12354氫原子能級(jí)圖普芳德系線系限玻爾理論的缺陷3、缺乏內(nèi)在邏輯性用經(jīng)典理論分析電子運(yùn)動(dòng)，在經(jīng)典理論基礎(chǔ)上，人為加上了量子化條件，是半經(jīng)典半量子的理論玻爾理論的成就1、較好地解釋了氫原子光譜，