大学物理下光的波粒二象性省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

1第1页2第2页11-1 黑体辐射定律与普朗克能量子假设黑体辐射定律与普朗克能量子假设 11-2 光子理论与光波粒二象性光子理论与光波粒二象性 11-3 康普顿效应康普顿效应 3第3页物理学作为一门科学，它形成和发展经历了物理学作为一门科学，它形成和发展经历了近四、五百年历史，到近四、五百年历史，到1919世纪末，经典物理学世纪末，经典物理学理论体系大厦巍然耸立，使人们普遍产生了一理论体系大厦巍然耸立，使人们普遍产生了一个个错觉错觉，认为，认为物理学发展已经完成物理学发展已经完成，人们对物，人们对物理世界解释已经到达了终点，宇宙万物必定按理世界解释已经到达了终点，宇宙万物必定按照由精美数学方程所表示物理学定律永远运动照由精美数学方程所表示物理学定律永远运动下去。下去。著著名名德德国国物物理理学学家家基基尔尔霍霍夫夫曾曾表表示示：“物物理理学学将将无无所所作作为为了了，至至多多只只能能在在已已知知规规律律公公式式小数点后面加几个数字罢了小数点后面加几个数字罢了。”4第4页 在在刚刚才才跨跨入入2020世世纪纪第第一一天天，英英国国著著名名物物理理学学家开尔文在家开尔文在元旦献词元旦献词中曾经说过：中曾经说过：“在在已已经经建建成成大大厦厦中中，后后辈辈物物理理学学家家只只能能做做一一些些零零碎碎修修补补工工作作。”与与众众不不一一样样是是他他又又敏敏锐锐地地发发觉觉，在在物物理理学学晴晴朗朗天天空空里里，还还有有两两朵朵小小小小令令人人不不安安乌乌云云，这这两两朵朵乌乌云云指指是是当当初初物物理理学学无无法法解解释释两两个个试试验验，一一个个是是热热辐辐射射试试验验，另另一一个个是是迈迈克克尔尔逊逊莫雷试验。莫雷试验。X X射射线线、放放射射性性和和电电子子三三个个发发觉觉，揭揭开开了了近近代代物物理理序序幕幕。当当物物理理学学进进入入2020世世纪纪，就就诞诞生生了了量量子子论和相对论，开创了近代物理学。论和相对论，开创了近代物理学。5第5页十九世纪末物理学三大发觉自古到今，人们就在不停地思索，世界万物自古到今，人们就在不停地思索，世界万物由什么组成？它有最小结构吗由什么组成？它有最小结构吗?哲哲学学家家亚亚里里士士多多德德等等人人则则认认为为物物质质是是连连续续，世世界界万万物物由由土土、空空气气、水水、火火这这四四种种元元素素组组成成，而天则是第五种元素而天则是第五种元素“以太以太”所组成所组成古古希希腊腊哲哲学学家家德德谟谟克克利利特特等等人人认认为为，物物质质是是不不连连续续，分分到到最最终终将将由由一一些些不不可可再再分分东东西西所所组组成成，他他把把这这种种物物质质基基元元命命名名为为“atoms“atoms（“原原子子”）”，古希腊文意思是，古希腊文意思是“不可再分东西不可再分东西”。6第6页英国科学家道尔顿是科学原子论创始人，18他依据一系列试验，提出“气体、液体和固体都是由该物质不可分割原子组成”，“同种元素原子，其大小、质量及各种性质都相同”，今后，大量试验事实证实了原子论正确性。1895年德国物理学家伦琴发觉X射线，1896年，法国物理学家贝克勒尔发觉放射性，1897年英国物理学家汤姆逊，发觉了电子，这三大发觉揭开了原子存在内部结构，三大发觉揭开了研究微观世界序幕。7第7页1 1、X X 射线发觉射线发觉 X X 射线发觉也是起源于对阴极射线研究射线发觉也是起源于对阴极射线研究 德国维尔茨堡大学校长、物理学家德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴伦琴于于18951895年年1111月月8 8日日，在做放电管试验时，为了防止，在做放电管试验时，为了防止可见光影响，他用黑纸将放电管包起来，而且在可见光影响，他用黑纸将放电管包起来，而且在暗室中进行试验，他意外地暗室中进行试验，他意外地 发觉在离管一米以外涂有荧发觉在离管一米以外涂有荧 光物质屏上闪耀着微弱青光物质屏上闪耀着微弱青 绿色荧光。绿色荧光。8第8页1212月月2222日日，伦琴，伦琴夫人来到试验室，夫人来到试验室，伦琴让夫人把左手放伦琴让夫人把左手放在用黑纸包着摄影在用黑纸包着摄影底片上，然后用底片上，然后用X X射射线照射，为她拍摄了线照射，为她拍摄了一张带着戒子左手一张带着戒子左手手指骨骼照片，这是手指骨骼照片，这是历史上第一张历史上第一张X X光照片光照片。伦琴夫人手伦琴夫人手伦琴夫人手伦琴夫人手X X片片片片9第9页18951895年年1212月月2828日日伦伦琴琴写写出出了了一一篇篇论论文文论论一一个个新新射线射线，文章详细总结了新射线性质：，文章详细总结了新射线性质：新新射射线线来来自自于于被被阴阴极极射射线线击击中中固固体体，固固体体元元素素越越重，产生出来新射线越强；重，产生出来新射线越强；新新射射线线是是直直线线传传输输，不不被被棱棱镜镜反反射射和和折折射射，也也不不被磁场偏转；被磁场偏转；新射线对全部物体几乎都是透明；新射线对全部物体几乎都是透明；新新射射线线可可使使荧荧光光物物质质发发光光，使使摄摄影影底底片片感感光光，当当把把手手放放在在放放电电管管和和荧荧光光屏屏之之间间时时，因因为为肌肌肉肉对对新新射射线线吸吸收收比比骨骨质质弱弱得得多多，屏屏上上便便可可看看到到手手指指骨骨骼。骼。10第10页X X 射射线线这这个个名名称称也也是是伦伦琴琴最最先先采采取取，他他在在给给孔孔特特信信中中说说：“我我终终于于发发觉觉了了一一个个光光，我我不不知知道道是是什什么么光光，无无以以名名之之，就就把把它它叫叫做做 X X 光光吧吧”，后后人人为为了了纪纪念念他他，又又把把它它称称为为“伦伦琴琴射线射线”。伦琴发觉震惊了整个科学界，许多物理学伦琴发觉震惊了整个科学界，许多物理学家转向研究家转向研究 X X 射线，反应之快速和强烈是物射线，反应之快速和强烈是物理学史上罕见，仅理学史上罕见，仅18961896年一年内，关于年一年内，关于X X射线射线研究论文达研究论文达10001000多篇。多篇。11第11页在X射线发觉3个月后，维也纳医院中首次利用X射线对人体进行拍片;六个月后，英国出版了第一本研究X射线专业杂志射线临床摄影资料;今后，J.J.汤姆逊和卢瑟福证实X射线能使气体电离；19德国物理学家劳厄用晶体作光栅，得到X射线衍射图，证实X射线是一个波长很短（约在10102之间）电磁波，同时证实了晶体含有空间点阵，劳厄所以取得了1914年度诺贝尔物理奖。12第12页X射线发觉使人们认识“电磁波谱”朝着短波方向拓广了一大段；19，英国物理学家巴克拉发觉每种金属都有自己“特征X射线”，用它能够确定元素在周期表上排位，巴拉克所以而取得了19诺贝尔物理学奖；19诺贝尔物理学奖授予英国物理学家布拉格父子，表彰他们在劳厄工作基础上，提出了布拉格公式，能够用它准确测定晶体原子结构；13第13页19，英国年轻物理学家莫斯莱发觉一个主要规律：各种元素波长非常有规律地伴随它们在周期表中排列次序而递减，利用此规律能够准确地确定各元素原子序数，而且发觉它们恰好与核电荷数相等，他发觉对认识原子内部结构有很大意义；瑞典物理学家西格本深入发觉了一系列新X射线，并准确测定了各种元素射线谱，建立了射线光谱学，西格本工作对于揭开原子内电子壳层结构情况有主要作用，他所以而荣获了1924年度诺贝尔物理学奖。14第14页X X射线分析法应用：射线分析法应用：1953195919531959年年，小小布布拉拉格格两两位位助助手手佩佩鲁鲁茨茨和和肯肯德德罗罗，用用改改进进了了X X射射线线分分析析法法测测定定了了肌肌红红蛋蛋白白及及血血红红蛋蛋白白分分子子结结构构，为为此此取取得得19621962年年诺诺贝尔化学奖。贝尔化学奖。19621962年年诺诺贝贝尔尔生生理理学学奖奖及及医医学学奖奖授授予予英英国国生生物物物物理理学学家家克克里里克克、威威尔尔金金森森、美美国国生生物物学学家家沃沃森森，表表彰彰他他们们发发觉觉DNADNA双双螺螺旋旋结结构构，这这是是2020世世纪纪生生物物学学最最伟伟大大成成就就，他他们们依依靠靠也也是是X X射射线分析法。线分析法。15第15页因因使使用用X X射射线线分分析析法法研研究究蛋蛋白白质质、核核糖糖核核酸酸、青青霉霉素素、维维生生素素等等生生物物大大分分子子、有有机机高高分分子子结结构构而而获获诺诺贝尔化学、生理医学奖科学家多达数贝尔化学、生理医学奖科学家多达数1010位。位。X X射射线线也也用用于于军军事事。“星星球球大大战战”中中关关键键武武器器是是高高能能X X射射线线激激光光器器，将将它它装装在在军军事事卫卫星星上上能能远远距距离离摧摧毁对方洲际导弹。毁对方洲际导弹。2020世世纪纪6060年年代代，美美国国物物理理学学家家科科马马克克和和英英国国电电气气工工程程师师洪洪斯斯菲菲尔尔德德提提出出用用计计算算机机控控制制X X射射线线断断层层扫扫描描原原理理，并并创创造造X X射射线线断断层层扫扫描描仪仪，使使医医生生能能看看到到人人体体内内脏脏器器官官横横断断面面图图象象，从从而而准准确确诊诊疗疗病病症症，他他们们两人共享了两人共享了19791979年诺贝尔生物学及医学奖。年诺贝尔生物学及医学奖。16第16页值得一提是在伦琴发觉X射线之前，人们已在试验室操作阴极射线管达30多年之久，也有一些人如克鲁克斯、勒纳德都曾碰到过阴极射线管附近照片底片感光或物体发出荧光现象，不过，他们都没有仔细审查这个奇怪现象而失去了“机遇”，正如恩格斯所描述：“当真理碰到鼻子尖上时候还是没有得到真理”，在科学发展史上这类事实是屡见不鲜。不过伦琴1869年苏黎世大学获博士学位，他治学严谨，一贯重视基本试验，从不放过任何一个可疑现象，发觉苗子重复试验，终于发觉了X射线。伦琴荣获19诺贝尔物理奖，成为诺贝尔物理奖第一个获奖者，他是当之无愧。17第17页第一张诺贝尔物理奖(19伦琴)18第18页2 2、电子发觉、电子发觉18581858年年德国物理学家德国物理学家普鲁普鲁克利用盖斯勒放电管研究克利用盖斯勒放电管研究气体放电时发觉了对着阴极管壁上出现了漂亮绿色气体放电时发觉了对着阴极管壁上出现了漂亮绿色光芒；光芒；18761876年年德国物理学家德国物理学家哥尔德斯坦哥尔德斯坦证实这种绿色光芒证实这种绿色光芒是由阴极上所产生某种射线射到玻璃上产生，他把是由阴极上所产生某种射线射到玻璃上产生，他把这种射线命名为这种射线命名为“阴极射线阴极射线”。法国物理学家大多认为阴极射线是一个电磁波，法国物理学家大多认为阴极射线是一个电磁波，英国物理学家则认为是一个带电粒子流，这一争论英国物理学家则认为是一个带电粒子流，这一争论连续了一、二十年，连续了一、二十年，促使许多物理学家进行很有意促使许多物理学家进行很有意义试验，推进了物理学发展，这场争论最终由义试验，推进了物理学发展，这场争论最终由J.J.J.J.汤姆逊汤姆逊处理了。处理了。19第19页J.J.J.J.汤姆逊汤姆逊，18561856年年1212月月1818日生于英国，日生于英国，18841884年任年任卡文迪许试验室卡文迪许试验室教授，这个试验室在他教授，这个试验室在他领导下，成了全世界引人注目标物理试验中心，领导下，成了全世界引人注目标物理试验中心，世界各地科学家常来这里开展研究工作，其中有世界各地科学家常来这里开展研究工作，其中有八位以后取得诺贝尔奖八位以后取得诺贝尔奖，如卢瑟福、威尔逊、巴，如卢瑟福、威尔逊、巴克拉）、克拉）、G.P.G.P.汤汤 姆逊等，如后表所姆逊等，如后表所 示，这八位获奖者示，这八位获奖者 是他直接培养过，是他直接培养过，卡文迪许试验室获卡文迪许试验室获 得诺贝尔奖共有得诺贝尔奖共有 25 25人次人次。20第20页获奖者获奖者获奖时间和奖项获奖时间和奖项获奖原因获奖原因E.卢瑟福卢瑟福1908化学奖化学奖研究元素蜕变和放射性化学研究元素蜕变和放射性化学W.H.布拉格布拉格1915物理学奖物理学奖用用X射线法分析晶体结构射线法分析晶体结构W.L.布拉格布拉格C.G.巴尔克拉巴尔克拉1917物理学奖物理学奖发觉元素特征发觉元素特征X射线辐射射线辐射F.W.阿斯顿阿斯顿1922化学奖化学奖研究原子结构和辐射研究原子结构和辐射C.T.R.威尔逊威尔逊1927物理学奖物理学奖用蒸汽凝聚使带电粒子可见方法用蒸汽凝聚使带电粒子可见方法O.W.里查森里查森1928物理学奖物理学奖发发觉觉电电子子放放射射决决定定于于温温度度里里查查森森定定律律G.P.汤姆逊汤姆逊1937物理学奖物理学奖用用电电子子照照射射试试验验发发觉觉晶晶体体内内干干涉涉现现象象21第21页18971897年年，J.J.J.J.汤姆逊发觉，不论怎样改变汤姆逊发觉，不论怎样改变放电管中气体种类，也不论怎样改变电极材料，放电管中气体种类，也不论怎样改变电极材料，阴极射线粒子荷质比一直保持不变，这就意味阴极射线粒子荷质比一直保持不变，这就意味着阴极射线是一个荷质比完全确定粒子流所组着阴极射线是一个荷质比完全确定粒子流所组成，由此断定，这种粒子应是电极材料原子基成，由此断定，这种粒子应是电极材料原子基本组成部分。本组成部分。18971897年年8 8月月，J.J.J.J.汤汤姆姆逊逊把把他他发发觉觉写写成成论论文文“阴极射线阴极射线”，1010月发表在哲学杂志上。月发表在哲学杂志上。22第22页190919间美国科学家罗伯特密立根在利用有名油滴试验测定电子电荷量e值，他以严谨科学态度和追求准确测量而受到人们赞誉。19密立根油滴试验证实一切荷电物质都只能带有e整数倍电量，而一个阴极射线粒子所带电量（e）是负电荷最小单位，e/m是不变，e也不变，表示阴极射线粒子质量m也是确定，这种粒子便称为电子，所以阴极射线就是高速电子流。23第23页电子发觉再一次否定了原子不可分观念，电子是第一个被发觉微观粒子，电子发觉对原子组成了解起了极为主要作用。J.J.汤姆逊因为发觉电子而于19荣获诺贝尔物理学奖，J.J.汤姆逊被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门伟人”。电子发觉在科学技术上诱发了电子时代降临，19，A.弗莱明创造了二极电子管，19，L.德弗莱斯特(L.deForest)创造了三极管。真空管创造，使电力通讯、控制合自动化生产很快发展。晶体管集成电路创造，使人类进入微电子科技时代。24第24页3 3、放射性发觉、放射性发觉 在在X X射射线线发发觉觉很很快快，贝贝克克勒勒尔尔对对一一个个称称为为硫硫酸酸双双氧氧铀铀钾钾荧荧光光物物质质进进行行了了研研究究，他他把把这这种种铀铀化化合合物物放放在在用用黑黑纸纸包包起起来来摄摄影影底底片片上上，然然后后放放在在太太阳阳光光下下曝曝晒晒几几小小时时，把把底底片片取取出出来来进进行行冲冲洗洗，他他发发觉觉了了“荧荧光光物物质质在在底底片片上上黑黑色色轮轮廓廓”，他他又又在在荧荧光光物物质质和和纸纸之之间间放放一一块块玻璃，继续进行试验，玻璃，继续进行试验，也得到了一样结果。这就也得到了一样结果。这就是最早发觉放射性现象，是最早发觉放射性现象，铀是贝克勒尔发觉第一个铀是贝克勒尔发觉第一个放射性元素放射性元素。25第25页法国科学泰斗法国科学泰斗彭加勒彭加勒在阅读伦琴发觉在阅读伦琴发觉X X射线试验汇报射线试验汇报后，脑子里出现出一个想法：后，脑子里出现出一个想法：既然既然X X射线发生在荧光射线发生在荧光现象尤其强烈地方，那么，一切强烈荧光物质都可能现象尤其强烈地方，那么，一切强烈荧光物质都可能发射发射X X 射线射线。贝克勒尔贝克勒尔是在这种情况下去做试验，不过，他是在这种情况下去做试验，不过，他不不迷信权威迷信权威，经过试验他发觉彭加勒关于荧光物质产生，经过试验他发觉彭加勒关于荧光物质产生X X射线理论是错误。射线理论是错误。自然现象纷纭复杂，假象和真象交织，现象合本自然现象纷纭复杂，假象和真象交织，现象合本质对立，原因合结果互变，要探索它规律，怎能一点质对立，原因合结果互变，要探索它规律，怎能一点也不犯错误？贝克勒尔初衷也是证实彭加勒构想，以也不犯错误？贝克勒尔初衷也是证实彭加勒构想，以后却否定了它。所以，后却否定了它。所以，从错误理论出发，经过试验，从错误理论出发，经过试验，揭示错误，走向真理也是科学研究一个正常模式揭示错误，走向真理也是科学研究一个正常模式。26第26页放射性发觉公布后很快，放射性发觉公布后很快，玛丽玛丽 居里居里很快投入了这一新很快投入了这一新研究领域，她发觉沥青铀矿中放射性比已测得铀放射性研究领域，她发觉沥青铀矿中放射性比已测得铀放射性强得多。她大胆假定沥青铀矿中存在一个比铀放射性强强得多。她大胆假定沥青铀矿中存在一个比铀放射性强得多未知元素。为了寻找这个未知元素，她丈夫皮埃尔得多未知元素。为了寻找这个未知元素，她丈夫皮埃尔 居里经过繁重劳动，从大量沥青矿渣中去提取那个未知居里经过繁重劳动，从大量沥青矿渣中去提取那个未知元素，最终元素，最终发觉了两种新放射性元素，一个取名为发觉了两种新放射性元素，一个取名为“钋钋”（PoloriumPolorium），以纪念自己祖国），以纪念自己祖国波兰，另一个取波兰，另一个取名为名为“镭镭”。27第27页居里夫妇继续奋斗了近四年，在简陋工棚里，在原始条件下，历尽千辛万苦，终于在193月，从数以吨计沥青铀矿残渣中提炼出0.12克氯化镭，并测得了镭原子量为225（现公认为226），其放射性比铀强200万倍。19，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔物理奖。19完成了她名著论放射性，因为她出色贡献，19又荣获了诺贝尔化学奖。居里夫人成了第一个两次获诺贝尔奖殊荣人物，28第28页a射线、射线、射线和射线和 射线射线发觉：发觉：放射性发觉后很快，英国剑桥大学卡文迪放射性发觉后很快，英国剑桥大学卡文迪许试验室硕士许试验室硕士卢瑟福卢瑟福也投入了对放射性研究，也投入了对放射性研究，在科学家共同努力下，没几年就在科学家共同努力下，没几年就发觉了天然放发觉了天然放射性核素能够自发地放出各种射线，从而衰变射性核素能够自发地放出各种射线，从而衰变为另一个核素为另一个核素，衰变方式很多，放出射线也有，衰变方式很多，放出射线也有各种，主要有各种，主要有a射线射线是带两个正电荷氦核（是带两个正电荷氦核（）；）；b射线射线是带负电荷高速电子流；是带负电荷高速电子流；射线射线是从原子核内放出来电磁波，它实际上是是从原子核内放出来电磁波，它实际上是一束能量极高光子流，它波长比一束能量极高光子流，它波长比X X射线还要短，射线还要短，穿透本事比穿透本事比X X射线更强。射线更强。29第29页放射性放射性应用：应用：利用放射性钴源（利用放射性钴源（60Co60Co）射线辐照，能射线辐照，能够进行够进行食品食品（如肉类、水果等）（如肉类、水果等）保鲜保鲜、辐照、辐照消毒消毒（如对医疗器械、流通货币等）以及辐照（如对医疗器械、流通货币等）以及辐照育种育种等。等。尤其在医药上利用它来尤其在医药上利用它来杀伤人体内肿瘤细胞杀伤人体内肿瘤细胞，这，这是当前治疗肿瘤一个惯用方法。在发达国家中是当前治疗肿瘤一个惯用方法。在发达国家中放放射性药品射性药品使用已相当普及。在发展中国家中，使用已相当普及。在发展中国家中，我我国核医药水平名列前茅国核医药水平名列前茅。国内已经有。国内已经有10001000多家医多家医院开展了放射性药品诊治工作。院开展了放射性药品诊治工作。影视资料片：影视资料片：放射性放射性30第30页三大发觉，使物理学发生了深刻改变：三大发觉，使物理学发生了深刻改变：电子比最轻原子电子比最轻原子氢原子还要轻氢原子还要轻18361836倍；倍；电磁波除有没有线电波、红外线、可见光、紫外线，电磁波除有没有线电波、红外线、可见光、紫外线，还有还有波长更短波长更短X X射线；射线；一个原子在化学改变中释放出来能量只有几个电子一个原子在化学改变中释放出来能量只有几个电子伏特伏特eVeV（），而天然），而天然放射性现象中一个原子放出能量竟可到达几百万电放射性现象中一个原子放出能量竟可到达几百万电子伏特子伏特MeVMeV（）；）；化学改变不会引发原子性质根本改变，然而化学改变不会引发原子性质根本改变，然而原子经原子经过放射过放射 或或 射线后却完全变了射线后却完全变了。31第31页 量子概念是量子概念是 1900 年普朗克首先提出，年普朗克首先提出，距今已经有距今已经有 100多年历史多年历史.其间，经过爱其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师创新努力，薛定谔、狄拉克等许多物理大师创新努力，到到 20 世纪世纪 30 年代，就建立了一套完整量年代，就建立了一套完整量子力学理论子力学理论.32第32页11-1 黑体辐射定律与普朗克能量子假设33第33页一、热辐射几个基本概念1.热辐射热辐射辐射能辐射能：物体在任何温度下物体在任何温度下(绝对零度除绝对零度除外外)所发射各种电磁波能量。所发射各种电磁波能量。特特征征 辐射能量随波长连续改变，伴随温辐射能量随波长连续改变，伴随温度升高辐射总功率增大，强度在光谱中度升高辐射总功率增大，强度在光谱中由长波向短波转移由长波向短波转移.热辐射：热辐射：与温度相关电磁辐射现象。与温度相关电磁辐射现象。34第34页2.单色辐出度单色辐出度 一定温度下，单位时间内从辐射体单位表一定温度下，单位时间内从辐射体单位表面积上辐射出来波长在面积上辐射出来波长在附近单位波长间隔内附近单位波长间隔内辐射能称为该物体辐射能称为该物体单色辐出度单色辐出度。单位：单位：3.总辐出度总辐出度 单位时间内从物体单位表面积上发射各种波单位时间内从物体单位表面积上发射各种波长电磁波总辐射能称为长电磁波总辐射能称为辐出度辐出度E(T)。符号：符号：35第35页单位：单位：试验表明，相同温度下不一样物体，尤其试验表明，相同温度下不一样物体，尤其是表面情况是表面情况(如粗糙度如粗糙度)不一样时，单色辐出度不一样时，单色辐出度量值不一样量值不一样,则则E(T)量值也不一样。量值也不一样。4.吸收系数与反射系数吸收系数与反射系数l外来辐射投射到不透明物体表面时，被吸收外来辐射投射到不透明物体表面时，被吸收能量与入射到该物体表面上总能量之比称为能量与入射到该物体表面上总能量之比称为吸收系数吸收系数a。36第36页l反射能量与入射到该物体表面上总能量之比反射能量与入射到该物体表面上总能量之比称为称为反射系数反射系数r。吸收系数及反射系数与温度和波长相关吸收系数及反射系数与温度和波长相关.设某一温度下，单位时间内投射到物体表设某一温度下，单位时间内投射到物体表面辐射能中，在波长面辐射能中，在波长附近单位波长间隔内能附近单位波长间隔内能量为量为dE(T,)，单位时间内该物体吸收能量为，单位时间内该物体吸收能量为dEa(T,)，反射能量为，反射能量为dEr(T,)37第37页单色吸收系数单色吸收系数单色反射系数单色反射系数 对于不透明物体：对于不透明物体：38第38页二、基尔霍夫定律1.绝对黑体绝对黑体 任何温度下对任何波长电磁波都能完全吸任何温度下对任何波长电磁波都能完全吸收物体称为收物体称为绝对黑体绝对黑体(黑体黑体)。黑体是理想模型黑体是理想模型39第39页2.基尔霍夫定律基尔霍夫定律 一定温度下进行平衡热辐射，各物体对同一定温度下进行平衡热辐射，各物体对同一波长单色辐出度和单色吸收系数比值都相等，一波长单色辐出度和单色吸收系数比值都相等，且等于在同温度下绝对黑体对同一波长单色辐且等于在同温度下绝对黑体对同一波长单色辐出度。出度。平衡状态下，强吸收体必定是强辐射源平衡状态下，强吸收体必定是强辐射源.40第40页41第41页三、黑体辐射试验定律1.黑体辐射试验装置黑体辐射试验装置 会聚透镜会聚透镜空腔空腔小孔小孔平行光管平行光管棱镜棱镜热电偶热电偶42第42页在热平衡条件下，黑体辐射试验能谱曲线：在热平衡条件下，黑体辐射试验能谱曲线：43第43页2.斯特潘斯特潘-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 黑体辐出度与其温度四次方成正比。黑体辐出度与其温度四次方成正比。斯特潘恒量斯特潘恒量 任意物体辐出度任意物体辐出度:44第44页3.维恩位移定律维恩位移定律 维恩位移定律维恩位移定律:在在m附近附近辐射最强，伴辐射最强，伴随温度升高，随温度升高，辐射峰值由长辐射峰值由长波向短波方向波向短波方向移动移动.黑体单色辐出度试验曲线黑体单色辐出度试验曲线45第45页解解（1）由维恩位移定律由维恩位移定律 例例1（1）温度为温度为 黑体，其单色辐出度黑体，其单色辐出度峰值所对应波长是多少？峰值所对应波长是多少？(2)太阳单色辐出度太阳单色辐出度峰值波长峰值波长 ，试由此估算太阳，试由此估算太阳表面温度表面温度.（3）以上两辐出度之比为多少？以上两辐出度之比为多少？46第46页（2）（3）由斯特藩由斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律由维恩位移定律由维恩位移定律47第47页四、普朗克能量子假设1.经典物理所碰到困难经典物理所碰到困难l维恩公式维恩公式:l瑞利瑞利-金斯公式金斯公式:在短波段与试验曲线吻合，在长波段与试在短波段与试验曲线吻合，在长波段与试验曲线显著偏离。验曲线显著偏离。在波长很优点与试验曲线比较吻合，在短在波长很优点与试验曲线比较吻合，在短波紫外区与试验曲线显著不符。波紫外区与试验曲线显著不符。48第48页0123612345瑞利瑞利-金斯公式金斯公式维恩线维恩线*瑞利瑞利-金斯公式金斯公式紫外灾难紫外灾难49第49页普朗克（普朗克（1858 1947）德国理论物理学家，量子论奠基人.19他在德国物理学会上，宣读了以关于正常光谱中能量分布定律理论为题论文.劳厄称这一天是“量子论诞生日”.量子论和相对论组成了近代物理学研究基础.50第50页2.普朗克能量子假设普朗克能量子假设l普朗克定律普朗克定律(普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式):普朗克常数普朗克常数51第51页01236瑞利瑞利-金斯公式金斯公式24普朗克公式理论曲线普朗克公式理论曲线试验值试验值*试试验验值值与与普普朗朗克克公公式式理理论论曲曲线线比比较较T=2000K52第52页普朗克能量子假设普朗克能量子假设:黑体是由许多线性谐振子组成系统，每个黑体是由许多线性谐振子组成系统，每个振子发出一个单色波，整个黑体就发出连振子发出一个单色波，整个黑体就发出连续辐射，在处于热平衡时，它们辐射场相续辐射，在处于热平衡时，它们辐射场相当于形成驻波。当于形成驻波。每一频率为每一频率为v 振子能量不能连续改变，只能振子能量不能连续改变，只能处于一些特殊状态，在这些状态中它们能量处于一些特殊状态，在这些状态中它们能量是最小能量是最小能量E0整数倍。整数倍。53第53页 能量不连续改变称为能能量不连续改变称为能量量子化。量量子化。在发射或吸收时，谐振在发射或吸收时，谐振子只能从某一能级飞跃到这子只能从某一能级飞跃到这些能级中另一能级。些能级中另一能级。发射或吸收能量为发射或吸收能量为E0整数倍，该允许改变整数倍，该允许改变最小能量单位最小能量单位E0称为称为能量子能量子，简称，简称量子量子.54第54页爱因斯坦评价：爱因斯坦评价：“这一发觉成为这一发觉成为 20 世纪整个物理研究基世纪整个物理研究基础，从那时起，几乎础，从那时起，几乎完全决定了物理学发完全决定了物理学发展。展。”55第55页11-2 光子理论与光波粒二象性56第56页一、光电效应试验规律1.试验装置试验装置VA 光照射至金属光照射至金属表面表面,电子从金属电子从金属表面逸出表面逸出,称其为称其为光电子光电子.光照射金属表面光照射金属表面使之逸出电子现象称使之逸出电子现象称为为光电效应光电效应.57第57页2.试验规律试验规律饱和电流值饱和电流值(光强光强)截止电压截止电压Ua 截止电压指使光电截止电压指使光电流降到零时，所加反向流降到零时，所加反向电势差绝对值。电势差绝对值。58第58页存在红限频率存在红限频率(红限波长红限波长)红限频率与红限频率与材料相材料相关关与与光强无关光强无关.对某种金属来，只有入射光频率大于某对某种金属来，只有入射光频率大于某一频率一频率 0时，电子才会从金属表面逸出时，电子才会从金属表面逸出.0称为称为截止频率截止频率或或红限频率红限频率.O驰豫时间极短驰豫时间极短 不超出不超出10-9s59第59页二、光波动说碰到困难 按经典理论，电子逸出金属所需能量，需按经典理论，电子逸出金属所需能量，需要有一定时间来积累，与试验结果不符要有一定时间来积累，与试验结果不符.红限问题红限问题瞬时性问题瞬时性问题 按经典理论，不论何种频率入射光，只按经典理论，不论何种频率入射光，只要强度足够大，就能使电子逸出金属。要强度足够大，就能使电子逸出金属。与试与试验结果不符。验结果不符。60第60页三、爱因斯坦光子理论1.“光量子光量子”假设假设 光光可可看看成成是是由由光光子子组组成成粒粒子子流流，单单个个光光子子能量为能量为 .光强：光强：单位时间经过单位垂直面积光能单位时间经过单位垂直面积光能 表明：表明：对于一定频率单色光，光子数越多，对于一定频率单色光，光子数越多，光强越大。光强越大。61第61页理论解释理论解释:光强越大，光子数越多，单位时间内光强越大，光子数越多，单位时间内产生光电子数目越多产生光电子数目越多,光电流越大光电流越大.(时）时）2.爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 逸出功逸出功与与材料相关材料相关62第62页对于一定金属对于一定金属(A为常数为常数)，光子频率越高，光子频率越高，则光电子初动能越大，而与入射光强无关。则光电子初动能越大，而与入射光强无关。（截止频率）（截止频率）频率限制频率限制:只有只有时才会发生时才会发生瞬时性：瞬时性：光子射至金属表面，光子射至金属表面，一个光子一个光子能量能量 将一次性被一个电子吸收，若将一次性被一个电子吸收，若 ，电子马上逸出，无需时间积累，电子马上逸出，无需时间积累.63第63页3.普朗克常数测定普朗克常数测定遏止电势差和入射遏止电势差和入射光频率关系光频率关系O64第64页 例例 二分之一径为二分之一径为1.010-3m薄圆片，距薄圆片，距光源光源1.0m.光源功率为光源功率为1W，发射波长，发射波长589nm单色光单色光.假定光源向各个方向发射能量是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相同，试计算在单位时间内落在薄圆片上光子数子数.解解65第65页五、光波粒二象性相对论能量和动量关系相对论能量和动量关系(2)粒子性粒子性：(光电效应等光电效应等)(1)波动性：波动性：光干涉、衍射及偏振光干涉、衍射及偏振光子光子 66第66页描述光描述光 粒子性粒子性 描述光描述光 波动性波动性光子光子 67第67页例例 钾光电效应红限为钾光电效应红限为 0=6.2 10-7m，求，求(1)电子逸电子逸出功；出功；(2)在波长为在波长为3.0 10-7m紫外线照射下，遏止电紫外线照射下，遏止电压为多少？压为多少？(3)电子初速度为多少？电子初速度为多少？解：解：68第68页10-3 康普顿效应69第69页一、康普顿效应特点 1923年，美国物理学家康普顿在观察年，美国物理学家康普顿在观察X 射线被物质散射时，发觉射线被物质散射时，发觉散射散射线中含线中含有有波长波长发生了发生了改变改变成份成份散射束中除散射束中除了有与入射束波长了有与入射束波长 0 相同射线，还有相同射线，还有波长波长 0 射线射线.70第70页1.试验装置试验装置71第71页1.试验装置试验装置72第72页2.试验结果试验结果若入射光波长为若入射光波长为 0，则在散射光中除了，则在散射光中除了 0成份外，还存在成份外，还存在 0谱线。谱线。在同一散射角下，波长改变量与散射物质相在同一散射角下，波长改变量与散射物质相关。关。73第73页波长改变量为波长改变量为 -0，随散射角增加而增大：，随散射角增加而增大：2.试验结果试验结果74第74页二、康普顿效应理论解释1.经典理论困难经典理论困难 按按经典经典电磁理论，带电粒子受到入射电磁理论，带电粒子受到入射电磁波作用而发生受迫振动，从而向各个电磁波作用而发生受迫振动，从而向各个方向辐射电磁波，方向辐射电磁波，散射束散射束频率应与频率应与入射束入射束频率频率相同相同，带电粒子仅起能量传递作用，带电粒子仅起能量传递作用.可见，可见，经典理论无法解释波长变长散经典理论无法解释波长变长散射线射线.75第75页2.量子解释量子解释I.物理模型物理模型 入射光子入射光子(X 射线或射线或 射线射线)能量大能量大.范围为范围为：光子光子电子电子电子电子光子光子76第76页 电子反冲速度很大，用电子反冲速度很大，用相对论力学相对论力学处理处理.电子热运动能量电子热运动能量 ，可近似为，可近似为静止电静止电子子.固体表面电子束缚较弱，视为固体表面电子束缚较弱，视为近自由电子近自由电子.光子光子电子电子电子电子光子光子77第77页入入射射光光子子与与散散射射物物质质中中束束缚缚微微弱弱电电子子弹弹性性碰碰撞撞时时，一一部部分分能能量量传传给给电电子子，散散射射光子光子能量降低能量降低，频率下降、，频率下降、波长变大波长变大.II.定性分析定性分析光子光子与原子中束缚很紧电子发生碰撞，与原子中束缚很紧电子发生碰撞，近似与整个近似与整个原子原子发生弹性发生弹性碰撞碰撞时，能量时，能量不会显著减小，所以散射束中出现与入不会显著减小，所以散射束中出现与入射射光光波长相同波长相同射线射线.78第78页动量守恒动量守恒能量守恒能量守恒III.定量分析定量分析79第79页80第80页康普顿波长康普顿波长 康普顿公式康普顿公式81第81页 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IV.结论结论82第82页若若 则则 ，可见光观察，可见光观察不不到康到康普顿效应普顿效应.光含有波粒光含有波粒二象性二象性 普通而言，光在传递过程中，波动性较普通而言，光在传递过程中，波动性较为显著；光与物质相互作用时，粒子性比较为显著；光与物质相互作用时，粒子性比较显著显著.V.结论结论 与与 关系关系与物质无关与物质无关，是光子与近自是光子与近自由电子间相互作用由电子间相互作用.83第83页散射中散射中 散射光是因散射光是因光子光子与与紧束缚电紧束缚电子子作用作用.原子量大物质，其电子束缚较强，原子量大物质，其电子束缚较强，因而康普顿效应不显著因而康普顿效应不显著.VI.意义意义光子假设正确性，狭义相对论力学正确性光子假设正确性，狭义相对论力学正确性.微观粒子相互作用也恪守微观粒子相互作用也恪守能量守恒能量守恒和和动量动量守恒守恒定律定律.84第84页