六篇近代物理基础市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

1第1页2第六篇第六篇 近代物理基础近代物理基础第十五章第十五章 狭义相对论基础狭义相对论基础第十六章第十六章 量子物理量子物理第2页3第十六章第十六章 量子物理量子物理教学基本要求教学基本要求教学基本要求教学基本要求1.1.了解氢原子光谱试验规律及玻尔氢原子理论。了解氢原子光谱试验规律及玻尔氢原子理论。2.2.了解光电效应和康普顿效应试验规律以及爱因斯坦了解光电效应和康普顿效应试验规律以及爱因斯坦光子理论对这两个效应解释，了解光波粒二象性。光子理论对这两个效应解释，了解光波粒二象性。3.3.了解德布罗意物质波假设及其正确性试验证实。了了解德布罗意物质波假设及其正确性试验证实。了解实物粒子波粒二象性。解实物粒子波粒二象性。4.4.了解描述物质波动性物理量（波长、频率）和粒子了解描述物质波动性物理量（波长、频率）和粒子性物理量（动量、能量）间关系。性物理量（动量、能量）间关系。第3页45.5.了解波函数及其统计解释。了解一维坐标动量了解波函数及其统计解释。了解一维坐标动量不确定关系。不确定关系。了解一维定态薛定谔方程。了解一维定态薛定谔方程。6.6.了解怎样用驻波观点说明能量量子化。了解角了解怎样用驻波观点说明能量量子化。了解角动量量子化及空间量子化。了解施特恩动量量子化及空间量子化。了解施特恩格拉赫格拉赫试验及微观粒子自旋。试验及微观粒子自旋。7.7.了解描述原子中电子运动状态四个量子数。了了解描述原子中电子运动状态四个量子数。了解泡利不相容原理和原子电子壳层结构。解泡利不相容原理和原子电子壳层结构。第4页5光量子性光量子性1 1 1 1 黑体辐射和普朗克能黑体辐射和普朗克能黑体辐射和普朗克能黑体辐射和普朗克能量子假说量子假说量子假说量子假说一一.热辐射热辐射(温度辐射温度辐射)1.1.热辐射热辐射:任何物体在任何任何物体在任何温度下温度下,因为分子热运动使因为分子热运动使物体向外辐射各种波长电磁物体向外辐射各种波长电磁波波.平衡热辐射平衡热辐射:辐射能量辐射能量等于等于在同一时间所吸收能量在同一时间所吸收能量单位时间内从物体单位表面单位时间内从物体单位表面发出发出波长在波长在 附近单位波长附近单位波长间隔内间隔内电磁波能量电磁波能量.辐出度辐出度 :单位单位:Wm2单位时间从物体表面单位单位时间从物体表面单位面积辐射总能量面积辐射总能量.当温度上升时当温度上升时,辐射总能增辐射总能增加加,辐射最大波长减小辐射最大波长减小.物体辐射同时物体辐射同时,也吸收辐射也吸收辐射.2.2.辐出度和吸收比辐出度和吸收比单色辐出度单色辐出度:黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第5页6单色吸收比单色吸收比 :物体物体在温度在温度T T时时,对于对于波长在波长在 附附近单位波长间隔内近单位波长间隔内吸收能量吸收能量与辐射能量与辐射能量比值比值.若用若用 表示对应表示对应单色反射比单色反射比,对于不透明物对于不透明物体有体有3.3.基尔霍夫定律基尔霍夫定律(1859)(1859)推论推论I:I:在热平衡态下在热平衡态下,凡强凡强吸收体必定是强辐射体吸收体必定是强辐射体.单位时间内从物体单位表面单位时间内从物体单位表面发出发出波长在波长在 附近单位波长附近单位波长间隔内间隔内电磁波能量电磁波能量.辐出度辐出度 :单位单位:Wm2单位时间从物体表面单位单位时间从物体表面单位面积辐射总能量面积辐射总能量.2.2.辐出度和吸收比辐出度和吸收比单色辐出度单色辐出度:黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第6页7单色吸收比单色吸收比 :物体物体在温度在温度T T时时,对于对于波长在波长在 附附近单位波长间隔内近单位波长间隔内吸收能量吸收能量与辐射能量与辐射能量比值比值.若用若用 表示对应表示对应单色反射比单色反射比,对于不透明物对于不透明物体有体有3.3.基尔霍夫定律基尔霍夫定律(1859)(1859)推论推论I:I:在热平衡态下在热平衡态下,凡强凡强吸收体必定是强辐射体吸收体必定是强辐射体.能完全吸收各种波长能完全吸收各种波长电磁波而无反射物体电磁波而无反射物体.二二.黑体和黑体辐射基本规黑体和黑体辐射基本规律律空腔小孔可近似作为黑体空腔小孔可近似作为黑体.推论推论II:(II:(某某)物体若不能发物体若不能发射某波长辐射能射某波长辐射能,那么它也那么它也不能吸收这一波长辐射能不能吸收这一波长辐射能,反之亦然反之亦然.1.1.黑体黑体黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第7页8 能完全吸收各种波长能完全吸收各种波长电磁波而无反射物体电磁波而无反射物体.二二.黑体和黑体辐射基本规黑体和黑体辐射基本规律律空腔小孔可近似作为黑体空腔小孔可近似作为黑体.推论推论II:(II:(某某)物体若不能发物体若不能发射某波长辐射能射某波长辐射能,那么它也那么它也不能吸收这一波长辐射能不能吸收这一波长辐射能,反之亦然反之亦然.1.1.黑体黑体在相同温度下在相同温度下,黑体吸收本黑体吸收本事最大事最大,其发射本事也最大其发射本事也最大.显然有显然有:MB 最大最大,MB 和组成黑体和组成黑体材料及表面无关材料及表面无关.2.2.黑体辐射试验结果黑体辐射试验结果:当当T,T,MB ;每一温度每一温度T T对对应一条曲线应一条曲线;且且T,.T,.黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第8页9在相同温度下在相同温度下,黑体吸收本黑体吸收本事最大事最大,其发射本事也最大其发射本事也最大.显然有显然有:MB 最大最大,MB 和组成黑体和组成黑体材料及表面无关材料及表面无关.2.2.黑体辐射试验结果黑体辐射试验结果:当当T,T,MB ;每一温度每一温度T T对对应一条曲线应一条曲线;且且T,.T,.理论物理学家寻找理论物理学家寻找3.斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律黑体辐出度与黑体温黑体辐出度与黑体温度四次方成正比度四次方成正比.(由由热力学得出热力学得出)黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第9页10理论物理学家寻找理论物理学家寻找3.斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律黑体辐出度与黑体温黑体辐出度与黑体温度四次方成正比度四次方成正比.(由由热力学得出热力学得出)=5.67 10-8 W/m2K4定律只适合用于定律只适合用于黑黑体体.显然显然,斯特藩斯特藩-玻玻耳兹曼未找出耳兹曼未找出4 4维恩定律维恩定律假设腔内谐振子能量按假设腔内谐振子能量按玻耳兹曼分布玻耳兹曼分布,可得出可得出:斯特藩斯特藩-玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第10页11 公式只在短波公式只在短波(高频高频)区区,低温时才和试验相符低温时才和试验相符,在长波范围内与试验不符在长波范围内与试验不符.显然显然,维恩未找出维恩未找出但令但令 =5.67 10-8 W/m2K4定律只适合用于定律只适合用于黑黑体体.显然显然,斯特藩斯特藩-玻玻耳兹曼未找出耳兹曼未找出4 4维恩定律维恩定律假设腔内谐振子能量按假设腔内谐振子能量按玻耳兹曼分布玻耳兹曼分布,可得出可得出:斯特藩斯特藩-玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数可得可得 m T=bb=2.89775610-3 mK当黑体温度升高时当黑体温度升高时,与单与单色辐出度色辐出度M 峰值对应波长峰值对应波长 m向向短波方向移动短波方向移动.这与这与试验一致试验一致.维恩位移定律维恩位移定律黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第11页12 公式只在短波公式只在短波(高频高频)区区,低温时才和试验相符低温时才和试验相符,在长波范围内与试验不符在长波范围内与试验不符.显然显然,维恩未找出维恩未找出但令但令可得可得 m T=bb=2.89775610-3 mK当黑体温度升高时当黑体温度升高时,与单与单色辐出度色辐出度M 峰值对应波长峰值对应波长 m向向短波方向移动短波方向移动.这与这与试验一致试验一致.维恩位移定律维恩位移定律例例1:从太阳光谱试验观察从太阳光谱试验观察中中,测知单色辐出度峰值测知单色辐出度峰值所相对应波长为所相对应波长为483nm.试试由此预计太阳表面温度由此预计太阳表面温度.解解:太阳可视为黑体太阳可视为黑体由维恩位移定律由维恩位移定律也可由此方法估算宇宙中其也可由此方法估算宇宙中其它发光星体表面温度它发光星体表面温度.黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第12页13例例1:从太阳光谱试验观察从太阳光谱试验观察中中,测知单色辐出度峰值测知单色辐出度峰值所相对应波长为所相对应波长为483nm.试试由此预计太阳表面温度由此预计太阳表面温度.解解:太阳可视为黑体太阳可视为黑体由维恩位移定律由维恩位移定律也可由此方法估算宇宙中其也可由此方法估算宇宙中其它发光星体表面温度它发光星体表面温度.把腔内电磁场看作是含有一把腔内电磁场看作是含有一定数目本征振动驻波场定数目本征振动驻波场,然后然后,据能量按自由度均分定理据能量按自由度均分定理,可可得出得出:定律只在长波定律只在长波(低频低频)区区,高高温时才和试验相符温时才和试验相符,而在短而在短波范围内与试验完全不符波范围内与试验完全不符.这被称为这被称为“紫外灾难紫外灾难”.”.显显然然,瑞利和金斯也未找出瑞利和金斯也未找出5 5瑞利瑞利-金斯定律金斯定律黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第13页14把腔内电磁场看作是含有一把腔内电磁场看作是含有一定数目本征振动驻波场定数目本征振动驻波场,然后然后,据能量按自由度均分定理据能量按自由度均分定理,可可得出得出:定律只在长波定律只在长波(低频低频)区区,高高温时才和试验相符温时才和试验相符,而在短而在短波范围内与试验完全不符波范围内与试验完全不符.这被称为这被称为“紫外灾难紫外灾难”.”.显显然然,瑞利和金斯也未找出瑞利和金斯也未找出5 5瑞利瑞利-金斯定律金斯定律三三.普朗克假设和普朗普朗克假设和普朗克黑体辐射公式克黑体辐射公式维恩公式只适用短波维恩公式只适用短波,瑞利瑞利-金斯公式只适用长波区金斯公式只适用长波区,在在短波与试验完全不符短波与试验完全不符(“紫紫外灾难外灾难”).原因何在原因何在?他们他们用都是经典物理理论用都是经典物理理论.经典经典物理碰到了困难物理碰到了困难.黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第14页15三三.普朗克假设和普朗普朗克假设和普朗克黑体辐射公式克黑体辐射公式维恩公式只适用短波维恩公式只适用短波,瑞利瑞利-金斯公式只适用长波区金斯公式只适用长波区,在在短波与试验完全不符短波与试验完全不符(“紫紫外灾难外灾难”).原因何在原因何在?他们他们用都是经典物理理论用都是经典物理理论.经典经典物理碰到了困难物理碰到了困难.1.1.普普 朗朗 克克 能能 量量 子子 假假 说说 （19001900）组成黑体腔壁辐射物质中组成黑体腔壁辐射物质中电子振动可视为一维带电电子振动可视为一维带电线性谐振子线性谐振子,它们和腔内电它们和腔内电磁场交换能量磁场交换能量(辐射和吸收辐射和吸收).).而这些微观谐振子只能而这些微观谐振子只能处于一些特殊状态处于一些特殊状态,在这些在这些特状态中特状态中,它们对应能量是它们对应能量是某一最小能量某一最小能量(叫能量子叫能量子)整数倍整数倍.在辐射和吸收能在辐射和吸收能量时量时,振子只能从一个可能振子只能从一个可能状态跃迁到其它一个可能状态跃迁到其它一个可能状态状态.黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第15页16对频率为对频率为 谐振子谐振子,其最小其最小能量为能量为 =h(h=6.6310-34 Js).一个谐振子能量为一个谐振子能量为1.1.普普 朗朗 克克 能能 量量 子子 假假 说说 （19001900）组成黑体腔壁辐射物质中组成黑体腔壁辐射物质中电子振动可视为一维带电电子振动可视为一维带电线性谐振子线性谐振子,它们和腔内电它们和腔内电磁场交换能量磁场交换能量(辐射和吸收辐射和吸收).).而这些微观谐振子只能而这些微观谐振子只能处于一些特殊状态处于一些特殊状态,在这些在这些特状态中特状态中,它们对应能量是它们对应能量是某一最小能量某一最小能量(叫能量子叫能量子)整数倍整数倍.在辐射和吸收能在辐射和吸收能量时量时,振子只能从一个可能振子只能从一个可能状态跃迁到其它一个可能状态跃迁到其它一个可能状态状态.2.普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式在在普朗克能量子普朗克能量子假说基础上假说基础上,据玻耳兹曼分布据玻耳兹曼分布,一个振子一个振子在一定温度在一定温度T时时,处于能量处于能量E=n 一个一个状态几率正比于状态几率正比于 ,每个振子平均每个振子平均能量为能量为:黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第16页172.普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式对频率为对频率为 谐振子谐振子,其最小其最小能量为能量为 =h(h=6.6310-34 Js).一个谐振子能量为一个谐振子能量为在在普朗克能量子普朗克能量子假说基础上假说基础上,据玻耳兹曼分布据玻耳兹曼分布,一个振子一个振子在一定温度在一定温度T时时,处于能量处于能量E=n 一个一个状态几率正比于状态几率正比于 ,每个振子平均每个振子平均能量为能量为:又令又令黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第17页18又令又令黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第18页19将将E E代入瑞利代入瑞利-金斯公式中金斯公式中KT,KT,可得可得黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第19页20这就是著名普朗克黑体这就是著名普朗克黑体辐射公式辐射公式.在全波段在全波段与试与试验结果惊人符合验结果惊人符合.将将E E代入瑞利代入瑞利-金斯公式中金斯公式中KT,KT,可得可得可得维恩公式和可得维恩公式和瑞利瑞利-金斯公式金斯公式黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第20页21例例2.试由普朗克公式导出维试由普朗克公式导出维恩位移公式和斯特藩恩位移公式和斯特藩-玻耳玻耳兹曼公式兹曼公式.这就是著名普朗克黑体这就是著名普朗克黑体辐射公式辐射公式.在全波段在全波段与试与试验结果惊人符合验结果惊人符合.可得维恩公式和可得维恩公式和瑞利瑞利-金斯公式金斯公式解解:由公式由公式令令上式化为上式化为对上式求极值对上式求极值:黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第21页22有有解得解得例例2.试由普朗克公式导出维试由普朗克公式导出维恩位移公式和斯特藩恩位移公式和斯特藩-玻耳玻耳兹曼公式兹曼公式.解解:由公式由公式令令上式化为上式化为对上式求极值对上式求极值:再由再由得维恩位移公式得维恩位移公式.黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第22页23利用积分公式利用积分公式斯特藩斯特藩-玻耳兹曼公式玻耳兹曼公式有有解得解得再由再由得维恩位移公式得维恩位移公式.黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第23页24例例3.设有一音叉尖端质量为设有一音叉尖端质量为0.050Kg,0.050Kg,将其频率调到将其频率调到=480Hz=480Hz,振幅振幅A=1.0nm,A=1.0nm,求求:(1)尖端振动量子数尖端振动量子数;(2)当量子数由当量子数由n增加到增加到n+1时时,振幅改变是多少振幅改变是多少?解解:(1)音叉尖端振动能量为音叉尖端振动能量为=0.227J由由E=nh 得得:利用积分公式利用积分公式斯特藩斯特藩-玻耳兹曼公式玻耳兹曼公式黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第24页25(2)由由例例3.设有一音叉尖端质量为设有一音叉尖端质量为0.050Kg,0.050Kg,将其频率调到将其频率调到=480Hz=480Hz,振幅振幅A=1.0nm,A=1.0nm,求求:(1)尖端振动量子数尖端振动量子数;(2)当量子数由当量子数由n增加到增加到n+1时时,振幅改变是多少振幅改变是多少?解解:(1)音叉尖端振动能量为音叉尖端振动能量为=0.227J由由E=nh 得得:对上式微分对上式微分:=7.0110-34m可见改变很小可见改变很小,难以觉察难以觉察.黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说黑体辐射和普朗克能量子假说第25页262 光电效应光电效应一一.光电效应试验规律光电效应试验规律1 1光电效应光电效应在光照射下在光照射下,电子从金属表电子从金属表面逸出现象叫光电效应面逸出现象叫光电效应逸出电子叫光电子逸出电子叫光电子2 2光电效应试验装置光电效应试验装置A为阳极为阳极,K为阴极为阴极.光照射在光照射在K上上,电子从电子从K逸出逸出,在电压在电压UAK作用下作用下,形成光电形成光电流。流。测其电流测其电流,测电压测电压3.3.试验规律试验规律(1)只有当入射光频率只有当入射光频率 v大于大于一一 定频率定频率v0时时,才会产生光电流才会产生光电流.0叫截止频率叫截止频率(也称红限也称红限).(2)遏止电势差遏止电势差Uc 使光电使光电 流为零时反向电压流为零时反向电压.遏止电势差遏止电势差(eUc=Ekmax)与与入射光频率成线性关系入射光频率成线性关系光电效应光电效应光电效应光电效应第26页27A为阳极为阳极,K为阴极为阴极.光照射在光照射在K上上,电子从电子从K逸出逸出,在在电压电压UAK作用下作用下,形成光电流形成光电流.测其电流测其电流,测电压测电压3.3.试验规律试验规律(1)只有当入射光频率只有当入射光频率 v大于大于一一 定频率定频率v0时时,才会产生光电流才会产生光电流.0叫截止频率叫截止频率(也称红限也称红限).(2)遏止电势差遏止电势差Uc 使光电使光电 流为零时反向电压流为零时反向电压.遏止电势差遏止电势差(eUc=Ekmax)与与入射光频率成线性关系入射光频率成线性关系 Uc=K -U0与入射光强无关与入射光强无关.(3)瞬时性瞬时性:只要频率只要频率大于截止频率大于截止频率,光电效应光电效应产生时间不超出产生时间不超出10-9s.4.0 6.08.0 10.0 (1014Hz)0.01.02.0Uc(V)Na CaCs 0光电效应光电效应光电效应光电效应第27页28(4)饱和光电流强度与饱和光电流强度与入射光强度关系入射光强度关系 Uc=K -U0与入射光强无关与入射光强无关.(3)瞬时性瞬时性:只要频率只要频率大于截止频率大于截止频率,光电效应光电效应产生时间不超出产生时间不超出10-9s.4.0 6.08.0 10.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)Na CaCs 0在在 相同条件下相同条件下,饱和光电流饱和光电流强度强度iS与入射光强成与入射光强成正比正比.-UciUO光强较弱光强较弱iS1iS2光强较强光强较强光电效应光电效应光电效应光电效应第28页29二二.经典物理学所碰到困经典物理学所碰到困难难经典电磁理论认为经典电磁理论认为:光波光波强度与频率无关强度与频率无关,电子吸电子吸收能收能量也与频率无关量也与频率无关,更更不存在截止频率！不存在截止频率！光波能量分布在波面上光波能量分布在波面上,阴阴极电子积累能量克服极电子积累能量克服逸逸出功出功需要一段时间需要一段时间,光电效光电效就不可能暧时发生就不可能暧时发生!(4)饱和光电流强度与饱和光电流强度与入射光强度关系入射光强度关系在在 相同条件下相同条件下,饱和光电流饱和光电流强度强度iS与入射光强成与入射光强成正比正比.-UciUO光强较弱光强较弱iS1iS2光强较强光强较强光电效应光电效应光电效应光电效应第29页301.1.普朗克假定是不协调普朗克假定是不协调,只包括光发射或吸收只包括光发射或吸收,未包未包括辐射在空间传输括辐射在空间传输.2.2.爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设(1905)(1905)三三.爱因斯坦光量子论爱因斯坦光量子论即腔壁振子量子化即腔壁振子量子化,腔内仍腔内仍是电磁波是电磁波.爱因斯坦认为爱因斯坦认为,光在空间光在空间传输时也是量子化传输时也是量子化.电磁辐射由以光速电磁辐射由以光速c c运动局运动局限于空间某一小范围光量子限于空间某一小范围光量子（光子（光子,每一个每一个光子能量为光子能量为 ）组成）组成.二二.经典物理学所碰到困经典物理学所碰到困难难经典电磁理论认为经典电磁理论认为:光波光波强度与频率无关强度与频率无关,电子吸电子吸收能收能量也与频率无关量也与频率无关,更更不存在截止频率！不存在截止频率！光波能量分布在波面上光波能量分布在波面上,阴阴极电子积累能量克服极电子积累能量克服逸逸出功出功需要一段时间需要一段时间,光电效光电效就不可能暧时发生就不可能暧时发生!光电效应光电效应光电效应光电效应第30页313.对光电效应解释对光电效应解释此式为光电效应方程此式为光电效应方程入射光子能量入射光子能量光电子初动能光电子初动能金属逸出功金属逸出功入射光强增大入射光强增大光子数增多光子数增多光电子增多光电子增多光电流大光电流大光量子含有光量子含有“整体性整体性”粒子性粒子性.1.1.普朗克假定是不协调普朗克假定是不协调,只包括光发射或吸收只包括光发射或吸收,未包未包括辐射在空间传输括辐射在空间传输.2.2.爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设(1905)(1905)三三.爱因斯坦光量子论爱因斯坦光量子论即腔壁振子量子化即腔壁振子量子化,腔内仍腔内仍是电磁波是电磁波.爱因斯坦认为爱因斯坦认为,光在空间光在空间传输时也是量子化传输时也是量子化.电磁辐射由以光速电磁辐射由以光速c c运动局运动局限于空间某一小范围光量子限于空间某一小范围光量子（光子（光子,每一个每一个光子能量为光子能量为 ）组成）组成.光电效应光电效应光电效应光电效应第31页32电子初动能正比于频率电子初动能正比于频率.3.对光电效应解释对光电效应解释此式为光电效应方程此式为光电效应方程入射光子能量入射光子能量光电子初动能光电子初动能金属逸出功金属逸出功入射光强增大入射光强增大光子数增多光子数增多光电子增多光电子增多光电流大光电流大光量子含有光量子含有“整体性整体性”粒子性粒子性.比较得比较得:h=eK,W=eU0电子一次吸收一个光子电子一次吸收一个光子,不需要时间累积不需要时间累积瞬时性瞬时性.当当 W/h时时.不发生光电不发生光电效应效应红限频率红限频率光电效应光电效应光电效应光电效应第32页33四四.光子光子光子即光量子能量光子即光量子能量:=h 光子总是以光速光子总是以光速c 运动运动,所以光子是相对论粒子所以光子是相对论粒子.质量质量:m0=0,光子无静质量光子无静质量.动量动量:由相对论关系由相对论关系:电子初动能正比于频率电子初动能正比于频率.比较得比较得:h=eK,W=eU0电子一次吸收一个光子电子一次吸收一个光子,不需要时间累积不需要时间累积瞬时性瞬时性.当当 W/h时时.不发生光电不发生光电效应效应红限频率红限频率E0=m0c2=0得得 E=pc光电效应光电效应光电效应光电效应第33页34也可写为也可写为光波粒二象性光波粒二象性:光在传输过程中光在传输过程中,波动性波动性(,)表现比较显著表现比较显著;当光与物质当光与物质相互作用时相互作用时,粒子性粒子性(E,p)表表现比较显著现比较显著.E0=m0c2=0四四.光子光子光子即光量子能量光子即光量子能量:=h 光子总是以光速光子总是以光速c 运动运动,所以光子是相对论粒子所以光子是相对论粒子.质量质量:m0=0,光子无静质量光子无静质量.动量动量:由相对论关系由相对论关系:得得 E=pc光电效应光电效应光电效应光电效应第34页35例例1.波长为波长为450450单色光单色光射到纯钠表面上射到纯钠表面上.求求(1)这种光光子能量和动这种光光子能量和动量量;(2)光电子逸出表面时动光电子逸出表面时动能能;(3)若光子能量为若光子能量为2.40eV,其波长为多少其波长为多少?解解 (1)光子能量光子能量:=4.4210-19J=2.67eV也可写为也可写为光波粒二象性光波粒二象性:光在传输过程中光在传输过程中,波动性波动性(,)表现比较显著表现比较显著;当光与物质当光与物质相互作用时相互作用时,粒子性粒子性(E,p)表表现比较显著现比较显著.光电效应光电效应光电效应光电效应第35页36光子动量光子动量:=1.4710-27kgms-1例例1.1.波长为波长为450450单色光射单色光射到纯钠表面上到纯钠表面上.求求(1)这种光光子能量和动这种光光子能量和动量量;(2)光电子逸出表面时动光电子逸出表面时动能能;(3)若光子能量为若光子能量为2.40eV,其波长为多少其波长为多少?解解 (1)光子能量光子能量:=4.4210-19J=2.67eV(2)已知钠逸出功为已知钠逸出功为 W=2.28eV光电子初动能为光电子初动能为Ek=2.76-2.28=0.48eV光电效应光电效应光电效应光电效应第36页37(3)波长波长:=518nm例例2设有二分之一径为设有二分之一径为1.010-3m薄圆片薄圆片,它距光源它距光源1.0m.此光源功率为此光源功率为1W,发射波长发射波长为为589nm单色光单色光.假定光源假定光源向各个方向发射能量相同向各个方向发射能量相同,光子动量光子动量:=1.4710-27kgms-1(2)已知钠逸出功为已知钠逸出功为 W=2.28eV光电子初动能为光电子初动能为Ek=2.76-2.28=0.48eV光电效应光电效应光电效应光电效应第37页38解解 圆片面积为圆片面积为S=(1.010-3)2=10-6m2单位时间落到圆片上能量单位时间落到圆片上能量为为光子数为光子数为=7.41011 s-1试计算在单位时间内落在薄试计算在单位时间内落在薄圆片上光子数圆片上光子数.例例2(3)波长波长:=518nm设有二分之一径为设有二分之一径为1.010-3m薄圆片薄圆片,它距光源它距光源1.0m.此光源功率为此光源功率为1W,发射波长发射波长为为589nm单色光单色光.假定光源假定光源向各个方向发射能量相同向各个方向发射能量相同,光电效应光电效应光电效应光电效应第38页393 康普顿效应康普顿效应入射光入射光 0 探测器探测器准直系统准直系统石墨石墨散射体散射体散射光散射光 光波动理论能解释波长不变光波动理论能解释波长不变散射散射,不能解释不能解释红移红移现象现象.e 康康普普顿顿研研究究X射射线线(0很很短短)在在石石墨墨上上散散射射,发发觉觉散散射射光光中中不不但但有有与与原原入入射射线线波波长长 0相相同同谱谱线线,也也有有波波长长 0谱谱线线.这这种种波波长长变变长长现现象象称称康康普普顿顿红红移移.康普顿认为这是因为康普顿认为这是因为入射入射线中光子和散射物质中近线中光子和散射物质中近自由电子作弹性碰撞结果自由电子作弹性碰撞结果.康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应第39页40因为是因为是弹性碰撞弹性碰撞,动动量和能量都守恒量和能量都守恒,所所以有以有光波动理论能解释波长不变光波动理论能解释波长不变散射散射,不能解释不能解释红移红移现象现象.康普顿认为这是因为康普顿认为这是因为入射入射线中光子和散射物质中近线中光子和散射物质中近自由电子作弹性碰撞结果自由电子作弹性碰撞结果.e动量守恒大小关系为动量守恒大小关系为考虑考虑康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应第40页41电子电子Compton波长波长 ,;=0,=0,=0 为原波长为原波长.=90时时,=0.024得得因为是因为是弹性碰撞弹性碰撞,动动量和能量都守恒量和能量都守恒,所所以有以有动量守恒大小关系为动量守恒大小关系为考虑考虑康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应第41页42 康普顿效应解释康普顿效应解释X射线光子与射线光子与“静止静止”“”“近自由电子近自由电子”弹性弹性碰撞碰撞,光子把部分能量光子把部分能量传给电子传给电子h 0 h(散射散射光光),0电子电子Compton波长波长 ,;=0,=0,=0 为原波长为原波长.=90时时,=0.024得得在同一散射角下在同一散射角下,与与散射物质无关散射物质无关;与入射波长与入射波长 无关无关,对长对长波波,无无;对短波对短波,显著显著;光子与束缚电子发生碰撞光子与束缚电子发生碰撞,康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应第42页43相当于与整个原子碰撞相当于与整个原子碰撞,光光子能量不变子能量不变.波长波长 0不变不变;轻原子中电子普通束缚较弱轻原子中电子普通束缚较弱,重原子中电子普通束缚较紧重原子中电子普通束缚较紧,故原子量小物质故原子量小物质显著显著,原子原子量大物质量大物质 0.光子能量与光子能量与电子所受束缚电子所受束缚能能量量(结合能结合能)相差不相差不大时大时,主主要出现光电效应要出现光电效应;光子能量光子能量大大超出大大超出电子所受束缚电子所受束缚能量能量时时,主要出现康普顿效应主要出现康普顿效应.康普顿效应解释康普顿效应解释X射线光子与射线光子与“静止静止”“”“近自由电子近自由电子”弹性弹性碰撞碰撞,光子把部分能量光子把部分能量传给电子传给电子h 0 h(散射散射光光),0在同一散射角下在同一散射角下,与与散射物质无关散射物质无关;与入射波长与入射波长 无关无关,对长对长波波,无无;对短波对短波,显著显著;光子与束缚电子发生碰撞光子与束缚电子发生碰撞,康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应第43页44例例:设有波长设有波长=1.010-10mX射线光子与自由电子射线光子与自由电子作弹性碰撞作弹性碰撞.散射散射X射线散射射线散射角角=90.问问:(1)散射波长改变量散射波长改变量为多为多少少?(2)反冲电子得到多少反冲电子得到多少动能动能?(3)在碰撞中在碰撞中,光子能光子能量损失了多少量损失了多少?解解:(1)=90时时,相当于与整个原子碰撞相当于与整个原子碰撞,光光子能量不变子能量不变.波长波长 0不变不变;轻原子中电子普通束缚较弱轻原子中电子普通束缚较弱,重原子中电子普通束缚较紧重原子中电子普通束缚较紧,故原子量小物质故原子量小物质显著显著,原子原子量大物质量大物质 0.光子能量与光子能量与电子所受束缚电子所受束缚能能量量(结合能结合能)相差不相差不大时大时,主主要出现光电效应要出现光电效应;光子能量光子能量大大超出大大超出电子所受束缚电子所受束缚能量能量时时,主要出现康普顿效应主要出现康普顿效应.康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应第44页45(2)由公由公式式:电子反冲动能为电子反冲动能为利用利用:例例:设有波长设有波长=1.010-10mX射线光子与自由电子射线光子与自由电子作弹性碰撞作弹性碰撞.散射散射X射线散射线散射角射角=90.问问:(1)散射波长改变量散射波长改变量为多为多少少?(2)反冲电子得到多少反冲电子得到多少动能动能?(3)在碰撞中在碰撞中,光子能光子能量损失了多少量损失了多少?解解:(1)=90时时,康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应第45页46即即:代入已知数据代入已知数据,得得=4.721017J=295 eV(2)由公由公式式:电子反冲动能为电子反冲动能为利用利用:(3)光子损失能量等于反冲光子损失能量等于反冲电子所取得动能电子所取得动能,也为也为295eV.康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应第46页