物理量子物理基礎

物理量子物理基礎1第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六早期量子論量子力學相對論量子力學普朗克能量量子化假說愛因斯坦光子假說康普頓效應玻爾的氫原子理論德布羅意實物粒子波粒二象性薛定諤方程波恩的物質波統(tǒng)計解釋海森伯的測不準關系狄拉克把量子力學與狹義相對論相結合2第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六紅外災難

黑體，易于吸收熱輻射，紫外災難維恩瑞利--金斯黑體輻射16.1黑體輻射普朗克得到了黑體輻射公式：它也必定易于向外發(fā)射熱輻射。3第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六1.普朗克的量子假設1900年12月14日，在德國物理學會上演講——這一天定為量子力學的誕生日。能量不連續(xù)，只能是h的整數(shù)倍。1900年，普朗克提出能量子h

h=6.6310-34J.s——普朗克常數(shù)能量如商店里賣啤酒，只能一瓶一瓶賣出。4第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六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?！?910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)。量子論普朗克把物理帶到量子論大門口，卻沒進去。愛因斯坦、玻爾勇敢地闖了進去！5第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六1887年赫茲發(fā)現(xiàn)紫外光帶電粒子金屬一、光電效應光電子實驗現(xiàn)象：無光照時回路無電流有光照射(有條件)回路產(chǎn)生電流。當光照射在金屬表面時，金屬表面有電子逸出的現(xiàn)象稱為光電效應。16.2光的量子性6第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六1.光電效應的實驗規(guī)律

飽和光電流I1I2I2>I1照射光強飽和光電流正比于光強K：陰極A：陽極7第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六光電流的實質:就是從陰極K流向陽極A的電子流。光電流大：光電流達到飽和：設N為單位時間從K極飛出的光電子數(shù),e為電子的電量單位時間內,從受光照射的電極上釋放出來的光電子數(shù)目N與入射光的強度I成正比。(1)光電子數(shù)和光強度的關系表示單位時間內從K到A的光電子數(shù)多。表示從K飛出的光電子全部流入A。8第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六

(2)光電子的初動能與光頻率之間的關系當U=0時,說明:光電子具有初動能。當反向電壓為Ua時,說明:具有最大初動能的光電子也剛好不能達到A。使光電流=0的反向電壓的絕對值|Ua|稱為遏止電壓。

I1I2I2>I1|Ua|與光強IUa與頻率ν實驗表明UaUa無關有關9第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六與金屬種類無關的常量與金屬種類有關的常量光電子的最大初動能與光的頻率呈線性關系,與光強度無關。10第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六(3)光電效應有一定的截止頻率要使受光照射的金屬逸出電子,入射光的頻率必須滿足光電效應的紅限頻率(或紅限)當光照射某一金屬時，無論光強如何，照射時間多長，只要入射光的頻率ν小于這一物質的紅限ν0(ν<ν0)，就不會產(chǎn)生光電效應。11第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六(4)光電效應與時間的關系只要入射光的頻率ν大于紅限ν0

(ν>ν0)，從光開始照射直到金屬釋放出光電子,其中的時間間隔小于10-9秒，幾乎是瞬時的，與入射光的強度無關。2.光電效應與經(jīng)典理論的矛盾應該與光強有關，而不是頻率。（2）只要光強足夠，就應產(chǎn)生光電效應，不應存在紅限。（3）產(chǎn)生光電效應需要時間積累能量，尤其光強較弱時。12第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六1.愛因斯坦光子假設內容(1905)h=6.6310-34J?s——普朗克常數(shù)3）.光的能流密度I(光強):------單位時間內通過單位面積的光能。單位時間內通過單位面積的光子數(shù)。1）.光不僅在發(fā)射或吸收時，具有粒子性，而且光在空間傳播時，也具有粒子性，即一束光是一粒一粒以光速C運動的粒子流。2）.這些光粒子稱為光量子，也稱為光子，每一光子的能量也是ε=h。二.愛因斯坦光子假設13第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六2.光電效應方程A是與金屬種類有關的常量。逸出功A：電子從金屬表面逸出時克服阻力需做的功逸出功A14第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六3.光子假設對光電效應實驗規(guī)律的解釋(1)解釋(2)解釋與成線性關系(3)解釋紅限頻率的存在(4)解釋光電效應的瞬時性當一個光子與金屬中的一個自由電子碰撞時,電子一次全部吸收掉光子的能量，不需要能量的積累時間。電子能量小于表面逸出功15第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六4.光子的能量、質量和動量(1)光子的能量(2)光子的質量光子的靜止質量(3)光子的動量由于在理論物理方面的貢獻，特別是對光電效應的成功解釋，1921年，愛因斯坦獲得諾貝爾物理獎！光具有波粒二象性16第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六三、康普頓效應

康普頓——1927年，諾貝爾物理獎獲得者1923年，美國物理學家康普頓發(fā)現(xiàn)，X射線通過石墨等輕物質散射時，在散射線中有兩種波長：一種是與入射光波長相同的散射線，另一種是波長大于入射光波長的散射線，這種改變波長的散射稱為康普頓效應。17第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六1.實驗現(xiàn)象石墨X射線00晶體（作光柵）探測器光譜儀波長強度(1)散射線中有兩種波長（>

0）康普頓散射光0：正常光(2)僅隨散射角的增大而增大。與被散射物無關

(3)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18第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六內層電子與核結合緊密而成為一體光子與之碰撞反彈（不損失能量）不變——正常光.(1)解釋當入射光子與最外層自由電子碰撞時,光子把一部分能量傳給了電子,光子本身能量-----康普頓散射光

(2)解釋2.康普頓效應與經(jīng)典理論的矛盾3.光子理論的解釋康普頓散射作用是光子與散射物質中電子之間的完全彈性碰撞,動量和能量都守恒.電磁波（00）

照射輻射電磁波四周輻射--散射

散射物（電子受迫振蕩）——波長、頻率只能是00（3）輕的原子電子一般束縛得較弱，康普頓效應較強，散射光中康普頓成分多、正常成分少.重的原子電子一般束縛得較強，康普頓效應較弱，散射光中康普頓成分少、正常成分多.19第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六XY能量守恒，4.康普頓效應公式得：電子康普頓波長則：X、Y方向動量守恒：康普頓效應公式20第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六四、康普頓效應與光電效應的關系（1）康普頓效應與光電效應在物理本質上是相同的研究的都是個別光子與個別電子之間的相互作用，作用過程中都遵循能量守恒定律。光電效應：入射光波長長，為1000?數(shù)量級?？灯疹D效應：入射光波長短，為1?數(shù)量級。（2）康普頓效應與光電效應的入射光的波長不同（3）光子與電子相互作用的微觀機制不同光電效應：電子吸收了光子全部能量，能量守恒?？灯疹D效應：光子與電子彈性碰撞，能量動量均守恒。21第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六光的波粒二象性表示粒子特性的物理量波長、頻率是表示波動性的物理量光子是一種基本粒子，在真空中以光速運動高頻（短波）區(qū)，粒子性明顯低頻（長波）區(qū)，波動性明顯可見光，波粒二象性均明顯22第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六例1.一實驗用光電管的陰極是銅的(銅的逸出功為4.47ev).現(xiàn)以波長2μm的光照射此陰極，若要使其不再產(chǎn)生光電流，所需加的截止電壓為多大?解：由愛因斯坦方程設需加的截止電壓為U0，則有得：23第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六求：散射光波長已知：X射線散射反沖電子解：（1）由康普頓散射公式在的方向上，有兩種波長的X射線例2：24第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六（3）反沖電子的動量（2）反沖電子的動能由碰撞過程能量守恒動量守恒25第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六一、光電效應的實驗規(guī)律1.單位時間內,從受光照射的電極上釋放出來的光電子數(shù)目N與入射光的強度I成正比。2.光電子的最大初動能隨入射光的頻率ν呈線性地增加,與入射光強度無關。小結3.光電效應有一定的截止頻率。4.光電效應與時間的關系：從光照射到釋放出光電子,時間間隔小于10-9秒，幾乎是瞬時的,與入射光的強度無關。26第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六1.光子假設(1)一束光是一粒一粒以光速C運動的光子組成的(2)頻率為ν的光的一個光子的能量為2.光電效應方程(1)能量(2)質量靜質量(3)動量3.二、愛因斯坦光子理論27第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六1.實驗現(xiàn)象散射線中有兩種波長（>

0）康普頓散射光0：正常光三、康普頓效應2.康普頓效應公式28第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六四、康普頓效應與光電效應的關系（1）康普頓效應與光電效應在物理本質上是相同的研究的都是個別光子與個別電子之間的相互作用，作用過程中都遵循能量守恒定律。光電效應：入射光波長長，為1000?數(shù)量級康普頓效應：入射光波長短，為1?數(shù)量級（2）康普頓效應與光電效應的入射光的波長不同（3）光子與電子相互作用的微觀機制不同光電效應：電子吸收了光子全部能量，能量守恒?？灯疹D效應：光子與電子彈性碰撞，能量動量均守恒。29第29頁，共31頁，2023年，2月20日，星期六電磁鐵五、光電效應在近代技術中的應用1.光控繼電器放大器控制機構可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。2.光電倍增管可對微弱光線放大，可使光電流放大105~108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。30第