量子物理学基础省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院第第1111章章量子物理学基础量子物理学基础第第1页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院物理学分支及近年来发展总趋势物理学分支及近年来发展总趋势物理学分支及近年来发展总趋势物理学分支及近年来发展总趋势物理学物理学经典物理经典物理当代物理当代物理力学力学热学热学电磁学电磁学光学光学相对论相对论量子论量子论非线性非线性时间时间 t关关键键概概念念发发展展力学力学电磁学电磁学热学热学相对论相对论量子论量子论1600 1700 1800 1900第第2页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院第第3页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院近年来发展近年来发展 *粒子物理粒子物理粒子物理粒子物理：高能加速器产生新粒子，已发觉：高能加速器产生新粒子，已发觉300种。种。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。*天体物理天体物理天体物理天体物理：利用物理学试验方法和理论对宇宙各种星：利用物理学试验方法和理论对宇宙各种星球进行观察和研究，从而得出对应天文规律学科。应球进行观察和研究，从而得出对应天文规律学科。应用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。理。*太阳中微子短缺问题太阳中微子短缺问题*引力波存在问题引力波存在问题*物体速度能否超出光速问题物体速度能否超出光速问题第第4页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院*非平衡热力学及统计物理非平衡热力学及统计物理 物理学发展总趋向：物理学发展总趋向：*学科之间大综合。学科之间大综合。*相互渗透结合成边缘学科。相互渗透结合成边缘学科。20世纪物理学中两个主要概念：场和对称性。世纪物理学中两个主要概念：场和对称性。从经典物理学到量子力学过渡时期从经典物理学到量子力学过渡时期三个重大问题提出三个重大问题提出 光电效应光电效应 康普顿效应。康普顿效应。黑体辐射问题，即所谓黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难紫外灾难”。原子线光谱和原子结构。原子线光谱和原子结构。11.11.1 1 热辐射热辐射 普朗克量子化假说（略）普朗克量子化假说（略）第第5页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院11.11.1 1 热辐射热辐射 普朗克量子化假说（略）普朗克量子化假说（略）第第6页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院11.2 11.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光量子假说爱因斯坦光量子假说11.2.1 11.2.1 光电效应光电效应光电效应光电效应 UGmSAK 如图所表示，为光如图所表示，为光电效应基本装置。电效应基本装置。S：真空玻璃容器真空玻璃容器m：石英玻璃窗石英玻璃窗A：阳极阳极K：阴极（金属板）阴极（金属板）当紫外线或波长很短当紫外线或波长很短可见光照在阴极时，金属可见光照在阴极时，金属板将释放电子，即光电子。板将释放电子，即光电子。第第7页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院（1）饱和光电流强度与入射光强度成正比。饱和光电流强度与入射光强度成正比。或者说：单位时间内从金属或者说：单位时间内从金属表面逸出光电子数目与入射光强表面逸出光电子数目与入射光强成正比。成正比。U0312UIIS0如图即为相同频率，不一样入射光强度。如图即为相同频率，不一样入射光强度。1 1.光电效应试验规律（试验结果）光电效应试验规律（试验结果）Is称为饱和光电流称为饱和光电流U0称为遏止电压（称为遏止电压（I=0 电压）电压）（2）光电子初动能与）光电子初动能与入射光强度无关，而与入射光入射光强度无关，而与入射光 频频率成正比。率成正比。第第8页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院U03U02U01312UIIS0红限频率红限频率截止电压大小反应截止电压大小反应 光电子初动能大小光电子初动能大小 由上图可知：由上图可知：I=0时有时有截止电压与入射光频率有线性关系截止电压与入射光频率有线性关系试验证实：试验证实：Ua对不一样金属有不一样值对不一样金属有不一样值,eUa称逸称逸出功出功第第9页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院（3）产生光电效应金属含有一定截止频率。产生光电效应金属含有一定截止频率。由由可知，只有当可知，只有当 ，从金属表面逸出电子才含有初动能，即产生光电效应。从金属表面逸出电子才含有初动能，即产生光电效应。（4）光电效应含有瞬时性，或说响应速度很快，光电效应含有瞬时性，或说响应速度很快，10-9s。几个几个纯金属纯金属截截止止频率频率金属金属截止频率截止频率4.5455.508.065 11.53铯铯 钠钠 锌锌 铱铱 铂铂 19.29只要只要 ，则在光照射金属表面后，几乎，则在光照射金属表面后，几乎马上就有光电子逸出，与光强度无关。马上就有光电子逸出，与光强度无关。第第10页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 *经典认为，经典认为，光强越大，饱和电流应该大，光强越大，饱和电流应该大，光电子初光电子初动能也该大，即初动能正比于光强。但试验上光电动能也该大，即初动能正比于光强。但试验上光电子初动能只与频率相关，而与光强无关。子初动能只与频率相关，而与光强无关。*只要频率高于红限，即使光强很弱也有光电流；频率只要频率高于红限，即使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，光强再大也没有光电流。而经典认为，低于红限时，光强再大也没有光电流。而经典认为，有没有光电效应不应与频率相关。有没有光电效应不应与频率相关。*瞬时性。瞬时性。经典认为，光能量分布在波面上，吸收能量经典认为，光能量分布在波面上，吸收能量要一定时间，即需能量积累过程。要一定时间，即需能量积累过程。11.2.2 11.2.2 经典理论困难经典理论困难经典理论困难经典理论困难 比如：强度为比如：强度为1W/m2光照在金属光照在金属Na 上需上需107s，即，即115天电子才能逸出。（经典）天电子才能逸出。（经典）第第11页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院11.2.3 11.2.3 光量子假说光量子假说光量子假说光量子假说 1 1.爱因斯坦光量子假说：光子论爱因斯坦光量子假说：光子论假设：一束光是一粒一粒以速度假设：一束光是一粒一粒以速度c运动粒子流，这运动粒子流，这些粒子称光子，但它们仍保留频率、波长概念。些粒子称光子，但它们仍保留频率、波长概念。认为光不但在与物质相互作用（发射和吸收）时认为光不但在与物质相互作用（发射和吸收）时含有粒子性，而且在传输过程中也有粒子性。含有粒子性，而且在传输过程中也有粒子性。一个频率为一个频率为 光子含有能量光子含有能量 ，其中，其中h为普为普朗克常数，值为：朗克常数，值为：由相对论知识可知：由相对论知识可知：第第12页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院可见：光子既含有粒子特征可见：光子既含有粒子特征m ，P，又含有波动性又含有波动性，。我们将这种波动性和粒子性并存性质称为光波粒二象性。我们将这种波动性和粒子性并存性质称为光波粒二象性。光波动性（光波动性（p）和粒子性（和粒子性（）是经过普朗克常数联络在是经过普朗克常数联络在一起。一起。2 2.用光量子假说解释光电效应用光量子假说解释光电效应（1）由）由 可看出，光子初动能可看出，光子初动能与光频率成正比，而与光强无关。与光频率成正比，而与光强无关。该式称为爱因斯坦光电效应方程。该式称为爱因斯坦光电效应方程。由能量守恒得：由能量守恒得：，A为逸出功。为逸出功。第第13页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院（2）当入射光子能量小于逸出功时，光电子初动）当入射光子能量小于逸出功时，光电子初动 能为能为零，不能逸出；只有当零，不能逸出；只有当hA时，才能产生光电时，才能产生光电效应。截止频率效应。截止频率=A/h。（3）光强弱只表明光子数多少，而光子能量恒光强弱只表明光子数多少，而光子能量恒 定。一定。一个光子能量是一次地被电子吸收，所以，只要个光子能量是一次地被电子吸收，所以，只要hA，电子吸收光子即逸出，含有瞬时性。电子吸收光子即逸出，含有瞬时性。第第14页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院3 3.光电效应在近代技术中应用光电效应在近代技术中应用光控继电器、自动控制、光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等。自动计数、自动报警等。光电倍增管光电倍增管放大器放大器接控件机构接控件机构光光光控继电器示意图光控继电器示意图第第15页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院解：解：例例1 设有二分之一径为设有二分之一径为1.010-3 m薄圆片，它距薄圆片，它距光源光源1.0m。此光源功率为。此光源功率为1W，发射波长为发射波长为589nm单色单色光。假定光源向各个方向发射能量是相同，试计算在光。假定光源向各个方向发射能量是相同，试计算在单位时间内落在薄圆片上光子数。单位时间内落在薄圆片上光子数。第第16页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院19，美国物理学家康普顿在观察，美国物理学家康普顿在观察X射线被物质散射射线被物质散射时，发觉时，发觉散射散射线中含有线中含有波长波长发生发生改变改变了成份。了成份。11.3 11.3 康普顿效应康普顿效应试验装置试验装置试验装置试验装置第第17页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院试验结果试验结果试验结果试验结果（相对强度）（相对强度）（波长）（波长）（1）在散射）在散射X 射线中除有射线中除有与入射波长相同射线外，还有波与入射波长相同射线外，还有波长比入射波长更长射线。长比入射波长更长射线。（2）波长增加量）波长增加量 与散射角与散射角 相关。相关。（3）当散射角）当散射角 确定时，确定时，波长增加量波长增加量 与散射物质性与散射物质性质无关。质无关。（4）散射强度与散射物质）散射强度与散射物质相关。原子量小散射较强，即正相关。原子量小散射较强，即正常峰较低；反之相反。常峰较低；反之相反。第第18页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院经典电磁理论预言，散射辐射含有和入射辐射一经典电磁理论预言，散射辐射含有和入射辐射一样频率。经典理论无法解释波长改变。样频率。经典理论无法解释波长改变。经典理论困难经典理论困难经典理论困难经典理论困难 第第19页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院光子光子电子电子 电子反冲速度很大，需用电子反冲速度很大，需用相对论力学相对论力学来处理。来处理。1.1.物理模型物理模型 入射光子（入射光子（X 射线或射线或 射线）能量大。射线）能量大。固体表面电子束缚较弱，可视为固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子近自由电子。量子解释量子解释量子解释量子解释电子电子光子光子 电子热运动能量电子热运动能量 ，可近似为，可近似为静止电子静止电子。范围为：范围为：104 eV105 eV 第第20页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院2.2.理论分析理论分析能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒第第21页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 康普顿波长康普顿波长 康普顿公式康普顿公式试验总结结果试验总结结果：可见：试验与理论结果符合得相当好！可见：试验与理论结果符合得相当好！第第22页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院 散射光波长改变量散射光波长改变量 仅与仅与 相关相关 散射光子能量减小散射光子能量减小康普顿公式康普顿公式3.3.结论结论第第23页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院康普顿散射深入证实了光子论，证实了光子能量、动量表示式康普顿散射深入证实了光子论，证实了光子能量、动量表示式正确性，光确实含有波粒两象性。另外证实在光电相互作用过程中正确性，光确实含有波粒两象性。另外证实在光电相互作用过程中严格恪守能量、动量守恒定律。严格恪守能量、动量守恒定律。应用光子概念解释康普顿散射应用光子概念解释康普顿散射：（1）一个光子与散射物中一个自由电子或束缚较弱）一个光子与散射物中一个自由电子或束缚较弱电子发生碰撞后，光子将沿某一方向散射，即康普顿散电子发生碰撞后，光子将沿某一方向散射，即康普顿散射方向。在碰撞时，光子一部分能量传给电子，所以散射方向。在碰撞时，光子一部分能量传给电子，所以散射光子能量比入射光子能量小，即散射光波波长要比入射光子能量比入射光子能量小，即散射光波波长要比入射光波波长大。射光波波长大。（2）若光子与原子中束缚很强电子碰撞，因为整个）若光子与原子中束缚很强电子碰撞，因为整个原子质量比光子大得多，光子能量没有显著改变，所以原子质量比光子大得多，光子能量没有显著改变，所以散射光频率没有显著改变，即散射光波波长与入射光波散射光频率没有显著改变，即散射光波波长与入射光波波长相等。波长相等。第第24页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院解解：（1）例例1 波长波长 0=1.0010-10mX射线与静止自由电子作弹射线与静止自由电子作弹性碰撞，在与入射角成性碰撞，在与入射角成90角方向上观察，角方向上观察，问：问：（2）反冲电子得到多少动能？反冲电子得到多少动能？（1）散射波长改变量散射波长改变量 为多少？为多少？（3）在碰撞中，光子能量损失了多少？在碰撞中，光子能量损失了多少？（2）反冲电子动能反冲电子动能（3）光子损失能量反冲电子动能光子损失能量反冲电子动能第第25页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院例例2 在康普顿散射中，入射光波长为在康普顿散射中，入射光波长为0.030，反冲电反冲电子速度为子速度为c60%。求：散射光子波长及散射角。求：散射光子波长及散射角。解解：由已知，入射光能量：由已知，入射光能量 ，散射光子能，散射光子能量量 因光子与电子碰撞时能量守恒，所以电子取得动能因光子与电子碰撞时能量守恒，所以电子取得动能为为而由相对论：而由相对论：第第26页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院其中，其中，第第27页页第第11章章 量子物理学基础量子物理学基础光电效应光电效应 康普顿散射康普顿散射哈尔滨工程大学理学院哈尔滨工程大学理学院例例3 如图所表示，在一次光电效应试验中得出如图所表示，在一次光电效应试验中得出曲线。（曲线。（1）求证：对不一样材料金属，）求证：对不一样材料金属，AB线斜率相线斜率相同同；（；（2）从图中数据求出）从图中数据求出h=?05.010.01.02.0|Ua|(V)(1014Hz)第第28页页