.1.,第 六 篇,近代物理学基础,课件制作人,基础课部物理教研室,赵存虎,2001.10.,主要参考资料：,清华大学编大学物理电子课件,（,光的量子性,）,第 六 篇近代物理学基础课件制作人（光的量子性）,第十九章 光的量子性,.1.,19,-1,热辐射 黑体辐射,19,-2,普朗克的能量子假说 普朗克公式,19-3,光电效应,19-4,爱因斯坦的光量子论,19-5,康普顿效应,(Quantum of Light),第十九章 光的量子性.1.19-1 热辐射 黑体辐射,19,-1,热辐射 黑体辐射,一、热辐射现象,1.基本性质：,温度,电磁波的短波成分,.2.,任何物体在任何温度下都不断地向周围空间辐射电磁波,这一现象称为热辐射.,例如：加热铁块,800,K,以上，可见光成分逐渐显著。,辐,射的能量,(Thermal radiation,Blackbody radiation),19-1 热辐射 黑体辐射一、热辐射现象1.基本性,物体中的分子、原子的热运动使它们有能量交换，辐射电磁波。,2.热辐射机理:,3.单色辐出度,M,单位时间内从物体单位表面积发射的,波长,在,附近单位波长,d,间隔内的辐射能,dM,与,d,的比值，用,M,表示,.3.,物体中的分子、原子的热运动使它们有能量交换，辐射电磁,二、黑体和黑体辐射的实验规律,1,.黑体,能,完全,吸收,各种波长电磁波,而无反射和透射的物体，,M,最大且,只与温度有关而和材料及表面状态无关。,.4.,平衡热辐射：,物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量.,2.,维恩设计的黑体,二、黑体和黑体辐射的实验规律1.黑体 能完全吸收各种,4,维恩位移律,m,=b/T,b,=2.89775610,-3,mK,5,理论与实验的对比,3.,斯特藩-玻耳兹曼定律,M(T)=,T,4,=,5.67,10,-8,W/m,2,K,4,三、经典物理学遇到的困难,.5.,4维恩位移律m=b/Tb=2.89775610,为了与实验结果相吻合,普朗克假设:,物体辐射或吸收频率为,的电磁波时,交换的能量只能是,h,的整数倍.,2.普朗克的假设(1900),经典观点,能量,1.“谐振子”的概念(1900年以前),量子观点,19,-2,普朗克的能量子假说 普朗克公式,.6.,根据经典热力学理论,物体中大量带电粒子的振动,可看作,谐振子,的振动,它们向周围辐射电磁波,形成连续能谱.,(The Hypothesis of Quantization,Planck Expressions),为了与实验结果相吻合,普朗克假设:物体辐射或吸收频率,h=,6.626075510,-34,Js,3.,普朗克公式,黑体单色辐出度,普朗克常数：,能量子,:,(最小能量单位),.7.,h=6.626075510-34 Js3.普朗克,19-3,光电效应,一、光电效应,.8.,金属及其化合物在光照射下从表面发射电子的现象。,(Photoemission),演示动画,19-3 光电效应一、光电效应.8.金属及其化合物,实验装置及规律,在光的照射下，从阴极,K,表面上逸出电子(称为,光电子,)，在回路中形成电流(,光电流,)。,U,AK,遏止电压,单色光,照射阴极,K,.9.,实验装置及规律 在光的照射下，从阴极K表面上逸出电,1、存在截止频率,(又称,红限,),如锌板用,紫外线,照射，能产生光电效应，用其他可见光照射则不能产生光电效应。,对于一定的金属阴极，,只有当照射光频率,大于某一频率,0,时，才会产生光电效应，,低于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。,.10.,1、存在截止频率(又称红限)如锌板用紫外线照射，能产,当加上反向电压时，仍有光电流产生；直至反向电压加大到某一值时，光电流完全消失，这个电压称为,遏止电压,，用,U,c,表示.,0,称为,截止频率,或,红限频率,。,(10,14,Hz),4.0,6.0,8.0,10.0,0.0,1.0,2.0,U,c,(V),Cs,Na,Ca,.11.,金 属,钨,钙,钠,钾,铷,铯,截止频率,0,(10,14,Hz),10.95,7.73,5.53,5.44,5.15,4.69,逸出功,A,(ev),4.54,3.20,2.29,2.25,2.13,1.94,当加上反向电压时，仍有光电流产生；直至反向电压加大到,增大,A,、,K,之间的电压,U,AK,，光电流增大；当电压,U,AK,足够大后，电流不再改变，这就是,饱和光电流,。此时若再增大照射光的强度，光电流会随之增大，而且,饱和光电流,i,m,与照射光强度,I,成正比,。,3、光电流与照射光的强度成正比,12,2、即照即生光电子,即使入射光强度非常弱,只要入射光频率大于某一频率,从光照射金属表面,到光电子首次逸出,驰豫时间不超过10,-,9,s,(几乎无须时间积累).,遏止电压与照射频率成正比,与照射光强无关.,增大A、K之间的电压UAK，光电流增大；当电压UA,推论,：,单位时间内从阴极,K,上逸出的光电子数,N,与,照射光强度,I,成正比。,4、光电子的,最大初动能,与照射光的,强度无关,，只与照射光的,频率有关,.13.,设,：,N,是饱和状态下单位时间内从阴极,K,上逸出的,电子数,推论：单位时间内从阴极K上逸出的光电子数N与照射光强度,光电效应中，从金属中逸出来的光电子，有些从金属表面直接飞出，而另外一些则从金属内部出来，沿途与其它粒子碰撞，损失部分能量。因此光电子的速度会有差异，直接从金属表面飞出的速度最大，其动能称为,最大初动能。,最大初动能,设光电子的最大初动能为,.14.,光电效应中，从金属中逸出来的光电子，有些从金属表面直,当两极间加上,反向电压,后,电场力对从,K,极板飞出的,光电子,作负功,使光电子速度减小;当电场力作的功,e,U,c,恰好等于光电子的,最大初动能,时,光电子到达,A,极板时的动能将变为零.,U,c,甲,m,e,K,A,+,-,.15.,当两极间加上反向电压后,电场力对从K极板飞出的光电,3.,光电子的,最大初动能,应与照射光的强度有关,而,与频率无关.,二、,光的,经典,电磁理论,遇到的困难,2.,阴极电子积,累能量达到,逸出功,(电子脱离金属表面原子的引力所需的功),需要一段时间，光电效应,不应瞬时发生；,1.,无论照射光的频率如何，金属中的电子总能吸收照射光足够的能,量，从而逸出金属表面，,不应存在,截止频率,；,推论:,当照射光的频率,大于截止频率,0,时,光电子的,最大初动能与照射光的频率成正比.,按照光的,经典,电磁理论,.16.,3.光电子的最大初动能应与照射光的强度有关,而与频率无关.二,电磁辐射(或光)是由一束以光速,c,运动的粒子流组成，这些粒子称为,光子；频率为,的每一个光子具有能量,=h,它不能被再分割，而只能整个地被产生或吸收；,频率为,的单色光照射金属时，一个电子一次只能吸收一个光子的能量,h,.,一、爱因斯坦光量子假设,(1905):,19-4,爱因斯坦的光量子论,.17.,二、爱因斯坦光电效应方程,(Einsteinian Light Quantum Theory),电磁辐射(或光)是由一束以光速 c 运动的粒子流组成,一个电子吸收一个光子的能量；,爱因斯坦方程,设,A,为电子的,逸出功,(电子脱离金属表面时克服表面原子的引力所需作的功;,A,决定于金属本身的性质)则:,电子脱离金属表面时的最大初动能.,三、爱因斯坦对光电效应的解释,由,爱因斯坦方程,可知：,.18.,一个电子吸收一个光子的能量；爱因斯坦方程 设 A,4.,因入射光强,I,与单位时间内的光子数成正比，所以也与单位时间内逸出的光电子数成正比，也就与饱和光电流,i,m,成正比。,因而，,红限频率,为,1.,当 时，即不产生光电效应；,2.,因,A,一定，所以 与频率,成正比；,3.,因一个电子一次性吸收一个光子的能量，不需要积累时间，所以发射几乎是瞬时的；,.19.,4.因入射光强 I与单位时间内的光子数成正比，所以也与单,四、光,(电磁辐射),的波粒二象性,1.,近代物理理论认为光具有波粒二象性,在有些情况下，光突出显示出波动性，而在另一些情况下，则突出显示出粒子性。,粒子不是经典概念粒子,波也不是经典概念波.,2.,基本关系式,粒子性：能量,动量,P,波动性：,波长,频率,光子质量：,光子动量：,.20.,四、光(电磁辐射)的波粒二象性1.近代物理理论认为光具有波,一、康普顿效应(1923),X,射线在石墨上的散射,准直系统,入射光,0,散射光,探测器,石墨,散射体,19-5,康普顿效应,.21.,在散射,X,射线中，除有与入射线相同波长的射线外，还有比入射线波长更长的射线，这一现象称为,康普顿效应。,(Compton Effect),一、康普顿效应(1923)X射线在石墨上的散射准直系统入射光,a.,原子量小的物质，康普顿散射线相对较强；,光子与电子的弹性碰撞,二、用光子理论解释康普顿效应,c.,对于同一散射角,-,0,与散射物质无关.,b.,波长的改变量,-,0,随散射角,的增大而增大；,22,实验发现:,散射线波长,与入射线波长,0,之差,a.原子量小的物质，康普顿散射线相对较强；光子与电子的弹性,1),X,射线光子与原子中束缚较弱的电子弹性,碰撞,3),碰撞过程中能量与动量守恒,由,=h,可知:光子,；,2),原子量小的原子中的电子受束缚较弱,容易被碰出,因而波长较长的康普顿散射线相对较强；,.23.,e,1)X射线光子与原子中束缚较弱的电子弹性3)碰撞过程中能,