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第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性本章主要讲解四个方面问题：本章主要讲解四个方面问题：1 1）黑体辐射）黑体辐射2 2）光电效应）光电效应3 3）康普顿效应）康普顿效应4 4）光的波粒二象性）光的波粒二象性第1页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性1 1、热辐射、热辐射 在任何温度下，一切宏观物体都以电磁波的形式在任何温度下，一切宏观物体都以电磁波的形式向外辐射能量。对于给定的物体而言，在单位时间内向外辐射能量。对于给定的物体而言，在单位时间内辐射能量的多少以及辐射能量按波长的分布等都取决辐射能量的多少以及辐射能量按波长的分布等都取决于物体的温度，因此，这种辐射就称之为于物体的温度，因此，这种辐射就称之为热辐射热辐射，或，或者称为者称为温度辐射温度辐射。第2页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性2 2 2 2、绝绝绝绝对对对对黑黑黑黑体体体体-一一个个物物体体如如果果能能完完全全吸吸收收投投射射到到其其表表面面的的任任何何波波长长的的辐辐射射能能，即即不不反反射射，也也不不透透射射，我我们称这种物体为们称这种物体为绝对黑体绝对黑体绝对黑体绝对黑体，简称，简称黑体黑体黑体黑体。绝绝对对黑黑体体是是一一种种理理想想化化的的模模型型。但但用用不不透透明明的的材材料料制制成成的的一一个个有有小小孔孔的的空空腔腔，可可以以视视为为绝绝对对黑黑体体。如如：山洞、窗口、炉膛等。山洞、窗口、炉膛等。第3页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性3 3、黑体辐射的实验规律、黑体辐射的实验规律第4页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性第5页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性第6页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性 单色辐出度单色辐出度 辐射出射度辐射出射度【单色辐出度单色辐出度单色辐出度单色辐出度】在一定温在一定温度下，物体在度下，物体在单位时间内，单位时间内，从单位表面积上发射的波从单位表面积上发射的波长在长在+范围内的辐范围内的辐射能为射能为dE 。【辐射出射度辐射出射度辐射出射度辐射出射度】在一定温在一定温度下，物体在度下，物体在单位时间内、单位时间内、从单位表面积上辐射的各从单位表面积上辐射的各种波长的总辐射能，记为种波长的总辐射能，记为MB(T)。第7页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性 斯忒藩斯忒藩斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律维恩维恩 (W.Wien,1864-1928)(W.Wien,1864-1928)德国物理学家，德国物理学家，19111911年获诺贝尔物理年获诺贝尔物理学奖学奖第8页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性如：太阳单色辐出度最大处波长如：太阳单色辐出度最大处波长 m m 0.49 0.49 m m T=T=5900 K5900 K 维恩位移定律在现代科学技术上具有极广泛的应用，维恩位移定律在现代科学技术上具有极广泛的应用，是测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。是测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。第9页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性如下图所示，太阳辐射谱如下图所示，太阳辐射谱-大气层外的太阳辐射曲线同大气层外的太阳辐射曲线同5900K5900K的黑体辐射曲线类似。太阳光穿入大气层时被大的黑体辐射曲线类似。太阳光穿入大气层时被大气吸收，水汽和二氧化碳在红外区强烈吸收太阳辐射，气吸收，水汽和二氧化碳在红外区强烈吸收太阳辐射，臭氧在紫外区强烈吸收太阳辐射。臭氧在紫外区强烈吸收太阳辐射。第10页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性人体体温人体体温310K(370C)m=9.35 m“辐射高温计辐射高温计”，“炉火炉火纯青纯青”等等等等宇宙背景辐射宇宙背景辐射 m0.1cm T=2.7K第11页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性【例题例题】在地球大气层外测得太阳辐射谱，它的极值在地球大气层外测得太阳辐射谱，它的极值波长为波长为490 nm，设太阳为黑体，求：，设太阳为黑体，求：太阳表面温度太阳表面温度 T；太阳表面单位面积的辐射功率？太阳表面单位面积的辐射功率？第12页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性普朗克能量子假设普朗克能量子假设 在在19世纪未，已经从实验上测定了绝对黑体的单世纪未，已经从实验上测定了绝对黑体的单色辐出度色辐出度MB(T)与与(,T)的关系曲线。如何从理论上推的关系曲线。如何从理论上推导出符合实验结果的导出符合实验结果的MB(T)函数表达式，就成为当时函数表达式，就成为当时物理学中引人注目的问题之一。许多物理学家尝试从物理学中引人注目的问题之一。许多物理学家尝试从经典理论出发对绝对黑体的辐射规律给予解释。经典理论出发对绝对黑体的辐射规律给予解释。第13页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性瑞利瑞利 金斯公式金斯公式(1900年年)维恩公式维恩公式(1896年年)MB 试验曲线试验曲线长波范围与实验符合，而在短波范围长波范围与实验符合，而在短波范围内不符合内不符合“紫外灾难紫外灾难”短波范围与实验符合，而短波范围与实验符合，而在长波范围内不符合在长波范围内不符合 与实验符合与实验符合第14页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性普朗克公式的得来普朗克公式的得来,起初是半经验的起初是半经验的,即利用内插法将适用于短即利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利波的维恩公式和适用于长波的瑞利金斯公式衔接起来金斯公式衔接起来,在得到在得到了公式后了公式后,普朗克才设法从理论上去论证它。普朗克才设法从理论上去论证它。为解释这一公式，普朗克提为解释这一公式，普朗克提出了出了能量量子化能量量子化假设假设MB 试验曲线试验曲线普朗克公式普朗克公式普朗克常数普朗克常数第15页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性普朗克能量子假设普朗克能量子假设普朗克常数普朗克常数 h=6.62610-34 Js 与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化是是 hv 的整数倍的整数倍 能量量子假设。能量量子假设。电电磁磁波波能能量量普朗克常数普朗克常数h 体现了微观世界的基本特征。体现了微观世界的基本特征。若谐振子频率为若谐振子频率为 v，则其能量是，则其能量是腔壁上的原子腔壁上的原子第16页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性 量子假说与物理学界几百年来信奉的量子假说与物理学界几百年来信奉的“自然界无自然界无跳跃跳跃”的原则直接矛盾，因此许多物理学家不予接受。的原则直接矛盾，因此许多物理学家不予接受。普朗克本人也曾几度普朗克本人也曾几度(前后花费前后花费1515年时间年时间)想倒退，回想倒退，回到经典物理学的立场上去。但是，到经典物理学的立场上去。但是，“无济于事，我们无济于事，我们必须与量子理论共处必须与量子理论共处”。普朗克能量子假设揭示了自然现象中客观存在的普朗克能量子假设揭示了自然现象中客观存在的不连续的量子性质，开始突破了经典物理学在微观领不连续的量子性质，开始突破了经典物理学在微观领域内的束缚，标志着物理学上一场伟大革命的开始。域内的束缚，标志着物理学上一场伟大革命的开始。第17页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性本章主要讲解四个方面问题：本章主要讲解四个方面问题：1 1）黑体辐射）黑体辐射2 2）光电效应）光电效应3 3）康普顿效应）康普顿效应4 4）光的波粒二象性）光的波粒二象性第18页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性 1887年，年，赫兹赫兹在作放电实验时偶然观察到光电效应现象。在作放电实验时偶然观察到光电效应现象。1900年，赫兹的同事年，赫兹的同事勒纳德（勒纳德（P.Lenard）指出：光电效应是金指出：光电效应是金属中电子吸收入射光的能量而从表面逸出的现象。属中电子吸收入射光的能量而从表面逸出的现象。1905年，伟年，伟大的物理学家大的物理学家爱因斯坦爱因斯坦从理论上对光电效应作出了科学的解释。从理论上对光电效应作出了科学的解释。光电效应与爱因斯坦光子理论光电效应与爱因斯坦光子理论第19页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性1 1、光电效应的实验规律、光电效应的实验规律 紫外光紫外光+第20页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性 饱和光电流与入射光强成正比。饱和光电流与入射光强成正比。光电子最大初动能与光强无关，与入射光频率有关。光电子最大初动能与光强无关，与入射光频率有关。从光照射到阴极表面到发射光电子所需的时间间隔从光照射到阴极表面到发射光电子所需的时间间隔小于小于10-9秒数量级，与光的强弱无关，不存在时间延迟。秒数量级，与光的强弱无关，不存在时间延迟。紫外光紫外光+第21页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性19051905年爱因斯坦提出：在某些条件下，光的能量好象年爱因斯坦提出：在某些条件下，光的能量好象集中成一团，即所谓的集中成一团，即所谓的光子光子。当光子射向金属表面时，。当光子射向金属表面时，入射光子与金属中的电子碰撞，电子吸收一个光子的入射光子与金属中的电子碰撞，电子吸收一个光子的能量能量hh，一部分用来克服金属对它的束缚，即消耗在一部分用来克服金属对它的束缚，即消耗在逸出功逸出功W W上，另一部分转化为电子离开金属表面后的初上，另一部分转化为电子离开金属表面后的初动能。动能。2 2、爱因斯坦光电效应方程、爱因斯坦光电效应方程第22页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性可以解释饱和光电流与入射光强成正比可以解释饱和光电流与入射光强成正比（光光强强大大，光光子子数数多多，释释放放的的光光电电子子也也多多，所所以以光光电电流也大）流也大）；爱因斯坦光子理论可以成功地解释光电效应的实验规律：爱因斯坦光子理论可以成功地解释光电效应的实验规律：紫外光紫外光+第23页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性可以解释可以解释“红限频率红限频率”的存在的存在（从从光光电电效效应应方方程程中中，当当初初动动能能为为零零时时，可可得得到到红红限限频率）频率）；可以解释光电子最大初动能与入射光频率的关系可以解释光电子最大初动能与入射光频率的关系（从从方方程程可可以以看看出出光光电电子子初初动动能能和和照照射射光光的的频频率率成成线线性关系）；性关系）；第24页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性 紫外光紫外光+可以解释光电效应的瞬时性问题可以解释光电效应的瞬时性问题（电电子子只只要要吸吸收收一一个个光光子子就就可可以以从从金金属属表表面面逸逸出出，所所以无须时间的累积）以无须时间的累积）。第25页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性哈哈，我赢了第26页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性【例题例题】已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是的最大动能是 1.2 eV，而钠的红限波长是，而钠的红限波长是 540 nm，那，那么入射光的波长是么入射光的波长是nm。第27页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性【例题例题】已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是的最大动能是 1.2 eV，而钠的红限波长是，而钠的红限波长是 540 nm，那，那么入射光的波长是么入射光的波长是nm。第28页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性4 4、爱因斯坦光子理论、爱因斯坦光子理论 一一束束光光就就是是一一粒粒一一粒粒以以光光速速C运运动动的的粒粒子子流流，这这种种光粒子称为光粒子称为光量子光量子，简称为，简称为光子光子；单个光子携带的能量为单个光子携带的能量为=h；光强为光强为I 的光束，的光束，I=Nh，N为光子数为光子数第29页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性本章主要讲解四个方面问题：本章主要讲解四个方面问题：1 1）黑体辐射）黑体辐射2 2）光电效应）光电效应3 3）康普顿效应）康普顿效应4 4）光的波粒二象性）光的波粒二象性第30页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性康普顿散射装置如下图所示。X射线源发射一束波长为0的X射线，投射到一块石墨上。从石墨中出射的X射线沿着各个方向，这称为散射。散射光强度及其波长用X射线谱仪来测量。第31页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性第32页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性康普顿康普顿接受爱因斯坦的观点，认为接受爱因斯坦的观点，认为X射线的光子好比一个个小刚射线的光子好比一个个小刚球，每一个不但有能量球，每一个不但有能量E=h，而且具有动量，而且具有动量p=h/(=c)。第33页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性本章主要讲解四个方面问题：本章主要讲解四个方面问题：1 1）黑体辐射）黑体辐射2 2）光电效应）光电效应3 3）康普顿效应）康普顿效应4 4）光的波粒二象性）光的波粒二象性第34页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性光究竟是什么？光究竟是什么？光究竟是什么？光究竟是什么？从从光光在在传传播播过过程程中中发发生生的的干干涉涉、衍衍射射、偏偏振振(未未讲讲)等等现现象象来来看看，光光具具有有波波波波动动动动的的的的特特特特性性性性，可可以以用用波波长长、频频率率和相位等概念来描述。和相位等概念来描述。从从光光与与物物质质相相互互作作用用过过程程中中发发生生的的黑黑体体辐辐射射、光光电电效效应应、康康普普顿顿散散射射等等现现象象来来看看，光光具具有有粒粒粒粒子子子子的的的的特特特特性性性性，可以用能量和动量等概念来描述。可以用能量和动量等概念来描述。光的波粒二象性光的波粒二象性光具有波粒二象性光具有波粒二象性第35页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性光具有波粒二象性光具有波粒二象性（1）光子的动量）光子的动量（2）光子的静止质量为零）光子的静止质量为零第36页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性光具有波粒二象性光具有波粒二象性第37页/共38页第第 3 3章章 光光 的的 本本 性性THE END第38页/共38页