《大學(xué)物理》教學(xué)資料：14第十四章光的粒子性

第十四章光的粒子性整理課件1900年普朗克在確立黑體輻射定律的過(guò)程中提出能量量子化的假說(shuō)，揭開(kāi)了本世紀(jì)物理學(xué)革命的序幕，為物理學(xué)找到了一個(gè)新的概念基礎(chǔ)。1905年愛(ài)因斯坦提出了光量子假說(shuō)，進(jìn)一步發(fā)展了普朗克能量量子化的思想。1913年玻爾創(chuàng)造性地把量子概念應(yīng)用到盧瑟福的原子模型，建立了氫原子理論，說(shuō)明了氫光譜線。微觀世界，更本質(zhì)一點(diǎn)…！整理課件§14-1熱輻射普朗克的量子假設(shè)一、熱輻射(heatradiation)現(xiàn)象*根據(jù)經(jīng)典電磁理論，帶電粒子的加速運(yùn)動(dòng)將向外輻射電磁波。*一切物體都以電磁波的形式向外輻射能量。*在單位時(shí)間內(nèi)從物體表面單位面積上輻射的能量，即單位面積上的輻射功率，稱為該物體的輻出度(radiatingpower)。*物體的輻出度與其溫度有關(guān)，故將這種輻射稱為熱輻射

。整理課件*這種電磁波形式的輻射能量按波長(zhǎng)分布是不均勻的。鍶Sr銣Rb銅Cu單色輻出度單色輻出度輻出度若在單位時(shí)間內(nèi)從物體表面單位面積上輻射的、波長(zhǎng)

λ→λ+dλ范圍內(nèi)的能量為，整理課件*物體輻射能量的同時(shí)，又吸收周圍其它物體的輻射能量。當(dāng)輻射能量等于吸收能量時(shí)，其溫度不變

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平衡熱輻射*一個(gè)好的吸收體，也一定是一個(gè)好的輻射體。絕對(duì)黑體(blackbody;idealradiator)黑體模型在任何溫度下,對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射能能全部吸收，即無(wú)反射，吸收率為1.整理課件二、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)定律總輻出度：對(duì)應(yīng)T溫度的曲線下的面積整理課件斯忒潘—波爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律黑體的輻出度與溫度的四次方成正比。斯忒藩常量:2.維恩(Wien)位移定律維恩常量:整理課件維恩位移定律指出:當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度升高時(shí)，單色輻出度最大值向短波方向移動(dòng)。T整理課件例1（1）溫度為室溫的黑體，其單色輻出度的峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是多少？（2）若使一黑體單色輻出度的峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在紅色譜線范圍內(nèi)，其溫度應(yīng)為多少？（3）以上兩輻出度之比為多少？解（2）?。?）由維恩位移定律（3）由斯特藩—玻爾茲曼定律整理課件例2太陽(yáng)的單色輻出度的峰值波長(zhǎng)，試由此估算太陽(yáng)表面的溫度.解由維恩位移定律對(duì)宇宙中其他發(fā)光星體的表面溫度也可用這種方法進(jìn)行推測(cè)整理課件三、經(jīng)典理論的困難1.維恩公式維恩線實(shí)驗(yàn)點(diǎn)整理課件2.瑞利—金斯(Rayleigh-Jeans)公式瑞利—金斯線維恩線紫外災(zāi)難整理課件整理課件四、普朗克量子假說(shuō)1.普朗克(Planck)公式:瑞利—金斯線維恩線普朗克線整理課件在長(zhǎng)波情況下：在短波情況下：整理課件2.普朗克的能量子假說(shuō)輻射體是由帶電諧振子(如振動(dòng)分子、原子都可看作帶電諧振子)組成，它們振動(dòng)時(shí)向外輻射電磁波并和周圍電磁場(chǎng)交換能量。這些諧振子只能處于某種特殊的狀態(tài)，它的能量取值只能為某一最小能量()的整數(shù)倍:n:正整數(shù),叫量子數(shù)(3)能量子與振子的頻率成正比整理課件為什么在宏觀世界中,

觀察不到能量分離的現(xiàn)象?量子假說(shuō)的含義及其與宏觀現(xiàn)象的關(guān)系例：設(shè)想一質(zhì)量為m=1g

的小珠子懸掛在一個(gè)小輕彈簧下面作振幅A=1mm的諧振動(dòng)。彈簧的勁度系數(shù)k=0.1N/m。按量子理論計(jì)算，此彈簧振子的能級(jí)間隔多大？減少一個(gè)能量子時(shí),振動(dòng)能量的相對(duì)變化是多少？量子論是不附屬于經(jīng)典物理的全新的理論，適用范圍更廣。能量經(jīng)典光量子

=h

能量子能量整理課件能級(jí)間隔振子現(xiàn)有能量相對(duì)能量變化【解】彈簧振子的頻率這樣小的相對(duì)能量變化在現(xiàn)在的技術(shù)條件下還不可能測(cè)量出來(lái)?，F(xiàn)在能達(dá)到的最高的能量分辨率為：所以宏觀的能量變化看起來(lái)都是連續(xù)的。整理課件“我當(dāng)時(shí)打算將基本作用量子h歸并到經(jīng)典理論范疇中去，但這個(gè)常數(shù)對(duì)所有這種企圖的回答都是無(wú)情的”整理課件思考題1.黑體是否就是黑色物體？絕對(duì)黑體是否在任何溫度下都是黑色的？2.人體熱輻射的各種波長(zhǎng)中，對(duì)應(yīng)哪個(gè)波長(zhǎng)的單色輻出度最大？3.若一物體的絕對(duì)溫度增加一倍，它的總輻射能增加到原來(lái)的多少倍？整理課件§14-2光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦光子理論一、光電效應(yīng)(Photo-electriceffect)VA整理課件１．入射光頻率一定時(shí)，飽和光電流強(qiáng)度與入射光光強(qiáng)成正比iU0入射光較弱入射光較強(qiáng)飽和光電流時(shí)，光電子全部被陽(yáng)極收集。注意到，在正向電壓為零時(shí)，光電流不為零，表示出射的光電子有一定的初動(dòng)能。整理課件２．遏制電勢(shì)差與入射光頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)遏制電勢(shì)差：反映光電子的初動(dòng)能經(jīng)典理論認(rèn)為光電子的初動(dòng)能應(yīng)決定于入射光的光強(qiáng)，而不決定于光的頻率。CsCaNa光電子的初動(dòng)能隨頻率線形增加，與入射光光強(qiáng)無(wú)關(guān)當(dāng)電勢(shì)差U減小為零并變?yōu)樨?fù)值，直至某一值Ua時(shí)，光電流才降至零。Ua叫做遏制電勢(shì)差。整理課件3、存在一個(gè)“截止頻率”（紅限頻率

o）當(dāng)入射光的頻率小于紅限頻率時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大，也不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。幾種純金屬的截止頻率金屬截止頻率4.5455.508.06511.53銫鈉鋅銥鉑19.29整理課件4.光電效應(yīng)是瞬時(shí)發(fā)生的，馳豫時(shí)間不超過(guò)10-9s幾乎沒(méi)有“積累時(shí)間”整理課件經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難光波的強(qiáng)度與頻率無(wú)關(guān)，電子吸收的能量也與頻率無(wú)關(guān)，更不存在截止頻率。?

陰極電子積累能量克服逸出功需要一段時(shí)間，光電效應(yīng)不可能瞬時(shí)發(fā)生。光強(qiáng)愈弱，積累時(shí)間就愈長(zhǎng)。?

初動(dòng)能應(yīng)與入射光強(qiáng)有關(guān)，與頻率無(wú)關(guān)。光波動(dòng)說(shuō)認(rèn)為，光強(qiáng)越大，電子吸收的能量就越多，光電子的初動(dòng)能就越大，因此初動(dòng)能因決定于光的強(qiáng)度，與頻率無(wú)關(guān)。并且不應(yīng)具有紅限?！▌?dòng)說(shuō)無(wú)法解釋光電效應(yīng)！整理課件二、愛(ài)因斯坦的光子理論光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)具粒子性,且在空間傳播時(shí)也具粒子性,光是一束以光速c運(yùn)動(dòng)著的粒子流(光子)。光子的能量：整理課件三、光子理論對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的解釋4.當(dāng)一個(gè)光子被吸收時(shí)，全部能量立即被吸收，所以無(wú)須時(shí)間上的累積過(guò)程。光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以飽和光電流也大。1.入射光子能量=光電子初動(dòng)能+逸出功光電子初動(dòng)能和入射光頻率成線性關(guān)系，與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)3.紅限頻率對(duì)應(yīng)光電子初動(dòng)能等于0.整理課件例題鉀的光電效應(yīng)的紅限波長(zhǎng)為

o=620nm，求（1）鉀電子的逸出功；（2）在

=300nm的紫外線照射下，鉀的截止電壓為多少？解整理課件某金屬表面被藍(lán)光照射時(shí)有光電子逸出，若增加藍(lán)光的強(qiáng)度，則（A）單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)增加；（B）逸出的光電子的初動(dòng)能增加；（C）光電效應(yīng)的紅限頻率變??；（D）發(fā)射光電子所需的時(shí)間縮短。

整理課件圖中直線表示某金屬光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中光電子初動(dòng)能與入射光頻率的關(guān)系，則圖中表示該金屬的逸出功的線段是（A）OA（B）OC（C）AC（D）ODOBADC整理課件光的波粒二象性光的粒子性光的波動(dòng)性光子動(dòng)量:(光子靜止質(zhì)量為0)光子能量：整理課件§14-3康普頓效應(yīng)(Compton’sEffect)石墨X光管散射光譜中除有波長(zhǎng)λ0

的射線外（瑞利散射）還有λ>λ0

的射線（康普頓散射）攝譜儀整理課件實(shí)驗(yàn)規(guī)律3.原子量越小的物質(zhì)，康普頓效應(yīng)越顯著。波長(zhǎng)的改變量

隨散射角θ的增大而增加，且新譜線的相對(duì)強(qiáng)度也增大。2.與散射物質(zhì)、原波長(zhǎng)λ0

均無(wú)關(guān)。整理課件經(jīng)典理論無(wú)法解釋康普頓效應(yīng)根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，在光場(chǎng)中作受迫振動(dòng)的帶電粒子，輻射的散射光的頻率應(yīng)等于入射光的頻率。且因電磁波是橫波，在θ=90°的方向應(yīng)無(wú)散射。光子論的解釋此過(guò)程是光子與電子發(fā)生相互作用，兩粒子的碰撞是完全彈性碰撞，即滿足動(dòng)量守恒和能量守恒。整理課件當(dāng)光子與緊束縛的內(nèi)層電子相互作用時(shí)，散射光子的能量不變。（因電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量）,所以可看到原波長(zhǎng)的散射光對(duì)于原子量小的物質(zhì)，因其外層電子（看成自由電子）的相對(duì)比例高，故其康普頓效應(yīng)顯著。因?yàn)槭枪庾雍碗娮拥南嗷プ饔茫驭う伺c散射物質(zhì)無(wú)關(guān)，而與散射角有關(guān)。當(dāng)光子與外層電子發(fā)生彈性碰撞，碰撞后光子將沿某一方向(康普頓散射方向)散射,同時(shí)電子被反沖而獲得一定的動(dòng)量和能量,整個(gè)過(guò)程動(dòng)量及能量均守恒.因此散射光子能量比入射光子能量低.所以散射光的波長(zhǎng)比入射光的波長(zhǎng)長(zhǎng).整理課件康普頓效應(yīng)的定量分析整理課件e能量守恒康普頓效應(yīng)的定量分析整理課件ee動(dòng)量守恒整理課件康普頓波長(zhǎng)：整理課件康普頓效應(yīng)證明了光的粒子性，同時(shí)也證明了動(dòng)量守恒和能量守恒具有普適性，相對(duì)論效應(yīng)在宏觀和微觀領(lǐng)域都存在。愛(ài)因斯坦《論我們關(guān)于輻射本質(zhì)和組成觀點(diǎn)的發(fā)展》“象人們已經(jīng)知道的那樣，光的干涉、衍射現(xiàn)象表明對(duì)于把光看成是一種波動(dòng)，看來(lái)是難以懷疑的，而不容否認(rèn)的是有這樣一類關(guān)于輻射的事實(shí)表明，光具有某些基本屬性，這些屬性用光的發(fā)射論點(diǎn)比光的波動(dòng)觀點(diǎn)好得多?！薄皟煞N特性結(jié)構(gòu)，波動(dòng)結(jié)構(gòu)和量子結(jié)構(gòu)都應(yīng)當(dāng)適合于輻射，而不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為彼此不相容。理論物理發(fā)展的隨后一個(gè)階段將給我們帶來(lái)這樣一種光學(xué)理論，它可以是光的波動(dòng)論和發(fā)射論的某種綜合，需要建立一個(gè)既能描述輻射的波動(dòng)結(jié)構(gòu)，又能描述輻射的量子結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)理論?！闭碚n件例題在康普頓效應(yīng)中，入射光的波長(zhǎng)為3×10-3nm，電子反沖的速度為0.6c，求散射光的波長(zhǎng)和散射角。λ=3×10-3nm，v=