第十九章光的量子性課件

UNIVERSITYPHYSICS3UNIVERSITYPHYSICS31Chapter19TheQuantizationofLight第19章光的量子性Chapter19TheQuantizationof2§19-1熱輻射普朗克的量子假設(shè)ThermalRadiationandPlank’stheoryofRadiation§19-2光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦的光子理論ThePhotoelectricEffectandEinstein’sQuantumTheory§19-3康普頓效應(yīng)TheComptonEffect§19-1熱輻射普朗克的量子假設(shè)ThermalRadi31、理解黑體、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)規(guī)律。教學(xué)要求1、理解黑體、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)規(guī)律。教學(xué)要求4（自學(xué)）1.ThermalRadiation熱輻射現(xiàn)象溫度升高熱輻射黑體熱輻射全吸收黑體§19-1ThermalRadiationandPlanck’sTheoryofRadiation黑體輻射普朗克的量子假設(shè)（自學(xué)）1.ThermalRadiation熱輻射現(xiàn)象5黑體熱輻射黑體黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律經(jīng)典電磁理論不能解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律黑體熱輻射黑體黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律經(jīng)典電磁理論不能解釋黑體輻射實(shí)62.普朗克及普朗克量子假設(shè)普朗克(M.Planck1858-1947):德國(guó)物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者和奠基人。1900年12月14日，提出“能量子”（或量子）概念，解釋了黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律，宣告量子論的誕生，為獻(xiàn)給二十世紀(jì)的最偉大禮物，量子論和相對(duì)論共同構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本理論。2.普朗克及普朗克量子假設(shè)普朗克(M.Planck18587Planck’sPostulate普朗克的量子假設(shè)：黑體經(jīng)典：連續(xù)輻射黑體一份一份輻射能量子：（后稱為光子）這是一個(gè)革命性的概念，打破幾百年來(lái)人們奉行的自然界連續(xù)變化的看法，帶來(lái)了科學(xué)史的一次巨大變革。但當(dāng)時(shí)遭到許多科學(xué)家的反對(duì)，第一個(gè)意識(shí)到量子概念的普遍意義并將其運(yùn)用到其它問(wèn)題上的是青年物理學(xué)家愛(ài)因斯坦。Planck’sPostulate普朗克的量子假設(shè)：黑體8第十九章光的量子性課件9§19-2ThePhotoelectricEffect光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦的光子理論1.ThePhotoelectricEffect光電效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)規(guī)律G.L.赫茲1888年在研究紫外線照射到金屬板的性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)（photoelectriceffect)。他實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波，又是他研究電磁波的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)，揭示了電磁波的粒子性。電磁波帶電粒子金屬板后證實(shí)為電子§19-2ThePhotoelectricEffec10實(shí)驗(yàn)裝置K—陰極（某種金屬）A—陽(yáng)極光照射到K—陰極上，打出電子，經(jīng)電場(chǎng)作用，在電路中形成電流。這種電子又叫光電子，對(duì)應(yīng)電流叫光電流。實(shí)驗(yàn)裝置K—陰極（某種金屬）A—陽(yáng)極光照射到K—陰極上，打出11實(shí)驗(yàn)規(guī)律：1）對(duì)于每一種金屬，只有當(dāng)入射光的頻率大于一定的頻率時(shí)，才有光電效應(yīng)，否則不管光多強(qiáng)，都沒(méi)有光電子射出；2）光電子的初動(dòng)能隨入射光頻率線性增加,與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)：遏止電壓加反向電壓實(shí)驗(yàn)規(guī)律：1）對(duì)于每一種金屬，只有當(dāng)入射光的頻率大于一定的頻123）單位面積上發(fā)射的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比，即最大光電流（飽和電流）與光強(qiáng)成正比；（光強(qiáng)）對(duì)于一定頻率的光3）單位面積上發(fā)射的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比，即最大光電流（134）光電子是即時(shí)發(fā)射的，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)射光電子與光照射的時(shí)間差小于3*10-9秒。如果將入射光看成電磁波，能不能解釋上述光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律？電子4）光電子是即時(shí)發(fā)射的，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)射光電子與光照射的時(shí)間差14物體2.愛(ài)因斯坦的光量子理論1905年，愛(ài)因斯坦：1）接受普朗克的量子概念：物體一份一份地發(fā)射電磁波；2）光在傳播過(guò)程中，也保留一份一份的性質(zhì)：光量子即粒子（1926年美國(guó)化學(xué)家G.N.Lewis將光量子定名為光子）?？偨Y(jié)：光就是一束以光速運(yùn)動(dòng)的光子組成的粒子流，如果光的頻率為

，則一個(gè)光子的能量為：常數(shù)h叫普朗克常數(shù)（）。光子物體2.愛(ài)因斯坦的光量子理論1905年，愛(ài)因斯坦：1）接受普15如圖，光子入射到金屬表面，其附近電子（設(shè)靜止）吸收光子，獲得能量，逃出金屬，成為光電子，由能量守恒有：金屬電子光電子光子叫愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，W為電子從金屬表面‘逃出’的逸出功。美國(guó)物理學(xué)家密立根（R.A.Milikan)花了近十年時(shí)間從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，并算出了普朗克常數(shù)（兩人因此分別在1921年和1923年獲得諾貝爾獎(jiǎng)）。如圖，光子入射到金屬表面，其附近電子（設(shè)靜止）吸收光子，獲得161）對(duì)于每一種金屬，只有當(dāng)入射光的頻率大于一定的頻率時(shí)，才有光電效應(yīng)，否則不管光多強(qiáng)，都沒(méi)有光電子射出：叫光電效應(yīng)的紅限。金屬電子光電子光子1）對(duì)于每一種金屬，只有當(dāng)入射光的頻率大于一定的頻率時(shí)，才有172）光電子的初動(dòng)能隨入射光頻率線性增加,與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)：加反向電壓2）光電子的初動(dòng)能隨入射光頻率線性增加,與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)：加反183）單位面積上發(fā)射的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比，即最大光電流（飽和電流）與光強(qiáng)成正比（光強(qiáng)）對(duì)于一定頻率的光n為單位時(shí)間通過(guò)垂直于光傳播方向單位面積的光子數(shù)。金屬電子光電子光子3）單位面積上發(fā)射的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比，即最大光電流（194）光電子是即時(shí)發(fā)射的，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)射光電子與光照射的時(shí)間差小于3*10-9秒：電子一次吸收一個(gè)光子，不需要積累時(shí)間。問(wèn)題：自由電子可不可能吸收一個(gè)光子？至此,愛(ài)因斯坦不僅完美解釋了光電效應(yīng),而且使人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)有了質(zhì)的飛躍——波動(dòng)性兼具粒子性。金屬電子光電子光子4）光電子是即時(shí)發(fā)射的，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)射光電子與光照射的時(shí)間差203.光電效應(yīng)的應(yīng)用（因時(shí)間關(guān)系，請(qǐng)大家自學(xué)）3.光電效應(yīng)的應(yīng)用（因時(shí)間關(guān)系，請(qǐng)大家自學(xué)）21§19-3TheComptoneffect(康普頓效應(yīng))1.A.H.康普頓（Compton）：1892~1962美國(guó)物理學(xué)家，1927年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。主要貢獻(xiàn)：1920~1923年發(fā)現(xiàn)的康普頓效應(yīng)。吳有訓(xùn)：1897~1977，中國(guó)物理學(xué)家、教育學(xué)家?？灯疹D的學(xué)生，對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)，作出了重要貢獻(xiàn)，因此，也稱康普頓效應(yīng)為康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)?！?9-3TheComptoneffect(康普頓效222.康普頓效應(yīng)當(dāng)x射線照射到物質(zhì)上，散射的x射線中有波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射波，這一現(xiàn)象叫康普頓效應(yīng)，如圖：x射線

散射體散射角散射光由兩部分組成，一部分波長(zhǎng)與原來(lái)的相同，一部分波長(zhǎng)變長(zhǎng)，而且隨散射角的增大而增加，滿足：這里：2.康普頓效應(yīng)當(dāng)x射線照射到物質(zhì)上，散射的x射線233.康普頓效應(yīng)的解釋關(guān)于x射線是什么？歷史上曾引起過(guò)激烈的爭(zhēng)論！英國(guó)物理學(xué)家大部分認(rèn)為是波，大部分法國(guó)和德國(guó)物理學(xué)家認(rèn)為是粒子流，這一實(shí)驗(yàn)使人們確信x線是粒子流,1919~1920年康普頓在英國(guó)作訪問(wèn)學(xué)者，試圖用電磁波知識(shí)來(lái)解釋康普頓效應(yīng)。如果x射線是電磁波，能不能解釋康普頓效應(yīng)效應(yīng)？不能，請(qǐng)聽(tīng)分解：x射線

e沒(méi)有波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射光！3.康普頓效應(yīng)的解釋關(guān)于x射線是什么？歷史上曾引起過(guò)激241922年康普頓接受了愛(ài)因斯坦的光量子理論，將x射線與物質(zhì)的散射看成是光子與原子中的電子的碰撞，很好地解釋了康普頓效應(yīng)?！畑’光子與原子中的電子的碰撞可分為兩類：1）‘x’光子（能量~104eV)與原子中的外層電子（束縛能越幾個(gè)eV）的碰撞，視為與自由電子的碰撞；電子光子1922年康普頓接受了愛(ài)因斯坦的光量子理論，將x252）‘x’光子（能量~104eV)與原子中的內(nèi)層電子（束縛能大）的碰撞，視為與整個(gè)原子的碰撞；原子光子2）‘x’光子（能量~104eV)與原子中的內(nèi)層電子（束縛261）‘x’光子（能量~104eV)與原子中的外層電子（束縛能越幾個(gè)eV）的碰撞，視為與自由電子的碰撞：電子光子碰撞前：光子：電子：（設(shè)靜止）光子：電子：碰撞后：1）‘x’光子（能量~104eV)與原子中的外層電子（束縛27能量和動(dòng)量守恒：利用：和這里：與實(shí)驗(yàn)非常吻合！電子光子能量和動(dòng)量守恒：利用：和這里：與實(shí)驗(yàn)非常吻合！電子光子282）‘x’光子（能量~104eV)與原子中的內(nèi)層電子（束縛能大）的碰撞，視為與整個(gè)原子的碰撞：原子光子2）‘x’光子（能量~104eV)與原子中的內(nèi)層電子（束縛29總結(jié)：1）波長(zhǎng)不變的散射光來(lái)自光子與整個(gè)原子（內(nèi)層電子）的碰撞；2）波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射光來(lái)自光子與原子外層電子的碰撞。電子光子原子光子總結(jié)：1）波長(zhǎng)不變的散射光來(lái)自光子與整個(gè)原子（內(nèi)層電子）的碰30問(wèn)題：1）如果原子中的電子碰撞前有動(dòng)量，上面的公式如何變化？電子動(dòng)量譜學(xué)。2）如何用上面的方法解釋對(duì)于可見(jiàn)光沒(méi)有康普頓效應(yīng)；電子光子靜止問(wèn)題：1）如果原子中的電子碰撞前有動(dòng)量，上面的公式如何變化？313）如何解釋實(shí)驗(yàn)曲線的鋒