量子物理学基础.pptx

1 17-1 热辐射热辐射 普朗克能量子假说普朗克能量子假说17-2 光的粒子性光的粒子性17-3 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔理论玻尔理论17-4 粒子的波动性粒子的波动性117-5 薛定谔方程薛定谔方程17-6 氢原子的量子力学处理氢原子的量子力学处理17-7 电子自旋电子自旋 四个量子数四个量子数17-8 原子核外电子的壳层结构原子核外电子的壳层结构第第17章章 量子物理学基础量子物理学基础2 17-1 热辐射热辐射 普朗克能量子假说普朗克能量子假说1.热辐射热辐射任何物体在任何温度下都要对外辐射各种任何物体在任何温度下都要对外辐射各种波长的电磁波，这种辐射称为波长的电磁波，这种辐射称为热辐射热辐射。火火炉炉600度度1000度度400度度因辐射与温度有关，故称因辐射与温度有关，故称热辐射热辐射。观察：观察：物体逐渐升高温度，物体看物体逐渐升高温度，物体看来从暗红来从暗红黄黄青白色。青白色。3 测量体温是诊断疾病最常用的方测量体温是诊断疾病最常用的方法。传统测量体温的方法是在腋下、法。传统测量体温的方法是在腋下、舌下，但这样的方法对于远程大量测舌下，但这样的方法对于远程大量测量体温是不适合的。比如，当发生大量体温是不适合的。比如，当发生大规模流行疾病，需要在火车站、机场规模流行疾病，需要在火车站、机场等公众场合测定旅客体温时。等公众场合测定旅客体温时。与传统的体温计测量体温需分钟相比，应用红外线测与传统的体温计测量体温需分钟相比，应用红外线测量体温（量体温（红外测量眼睛或皮肤红外测量眼睛或皮肤热辐射热辐射的方法的方法）仅需秒钟，）仅需秒钟，即可准确测出体温。即可准确测出体温。红外温度计能测量人体的红外热辐射从而推得病人的身红外温度计能测量人体的红外热辐射从而推得病人的身体温度，这在几年前的体温度，这在几年前的“抗非典抗非典”战斗中曾发挥了较大作用，战斗中曾发挥了较大作用，那时我们可以看到机场、车站等公共场所匹配了各式各样的那时我们可以看到机场、车站等公共场所匹配了各式各样的红外测温装置。红外测温装置。41 1）从经典物理学来看热辐射过程的实质是物质以电）从经典物理学来看热辐射过程的实质是物质以电磁波的形式向外辐射电磁波的过程。其辐射的能量称磁波的形式向外辐射电磁波的过程。其辐射的能量称之为之为辐射能辐射能。2 2）热辐射有平衡热辐射与非平衡热辐射：）热辐射有平衡热辐射与非平衡热辐射：当物体因辐射而失去的能量等于从外界吸收的当物体因辐射而失去的能量等于从外界吸收的辐射能时，这时物体的状态可用一确定的温度来描辐射能时，这时物体的状态可用一确定的温度来描述，这种热辐射称为述，这种热辐射称为平衡热辐射平衡热辐射。反之称为反之称为非平衡热辐射非平衡热辐射。注意：注意：实验表明：物体辐射能的多少决定于物体的实验表明：物体辐射能的多少决定于物体的温度温度（T）、辐射的、辐射的波长波长、时间的、时间的长短长短、发射的、发射的面积面积。5引入物理量：单色辐出度引入物理量：单色辐出度：在一定：在一定温度温度下，下，单位时单位时间间内从物体单位表内从物体单位表面积面积上发射的、波长在上发射的、波长在 附近单位附近单位波波长长间隔内间隔内的的辐射能辐射能（辐射功率）。（辐射功率）。设从物体设从物体单位表面积单位表面积上发射的，波长在上发射的，波长在 到到+d 范围内的辐射功率为范围内的辐射功率为dM，dM 和和d 的比值叫做该物的比值叫做该物体对于波长体对于波长 的单色辐出的单色辐出度度M（T）。既然辐射能量随温度的升高而增加，于是问题既然辐射能量随温度的升高而增加，于是问题的焦点就是求出的焦点就是求出能量、温度与波长之间的关系式能量、温度与波长之间的关系式。6 M（T）与物体的温度与物体的温度T T 和波长和波长 有关，它反映了有关，它反映了不同温度下辐射能按波长的分布情况。不同温度下辐射能按波长的分布情况。从物体单位面积上辐射出的从物体单位面积上辐射出的所有波长所有波长的总辐射的总辐射功率，叫做该物体的功率，叫做该物体的辐出度辐出度（或称（或称总辐出度总辐出度），用），用M（T）表示。表示。7 十九世纪末叶之时，经典物理学大厦经过十九世纪末叶之时，经典物理学大厦经过了从了从牛顿牛顿到到麦克斯韦麦克斯韦这些大师们的精心设计和这些大师们的精心设计和建造，真可谓建造，真可谓尽善尽美尽善尽美了。大自然中的物理现了。大自然中的物理现象也都能用经典理论解释得清清楚楚。可是好象也都能用经典理论解释得清清楚楚。可是好景不长，不知谁先想出了一个题目，要是一块景不长，不知谁先想出了一个题目，要是一块全黑全黑的物体，它是怎样吸收外来的热量又怎样的物体，它是怎样吸收外来的热量又怎样放出热量呢？放出热量呢？8 一个物体对入射的电磁波能量全部吸收，我们一个物体对入射的电磁波能量全部吸收，我们就称它为黑体。例如宇宙中的就称它为黑体。例如宇宙中的黑洞黑洞。黑体只是一种。黑体只是一种理想模型理想模型。2.黑体黑体 当热辐射能入射到不透明物体表面时，一般是，当热辐射能入射到不透明物体表面时，一般是，一部分辐射能被物体吸收，另一部分能量被物体表面一部分辐射能被物体吸收，另一部分能量被物体表面反射。反射。在同样的温度下，颜色深的物体吸收辐射的本在同样的温度下，颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到8080左右。所谓左右。所谓“黑体黑体”是指能够全部吸收外来的辐射是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是而毫无任何反射和透射，吸收率是100100的理想物体。的理想物体。9根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：物体吸收的能量越多，加热时它辐射物体吸收的能量越多，加热时它辐射的本领愈大。黑体的吸收本领是一切物体中最大的，加热的本领愈大。黑体的吸收本领是一切物体中最大的，加热时它辐射本领也最大。时它辐射本领也最大。理想模型的建立和应用，是根据问题的性质和需要，理想模型的建立和应用，是根据问题的性质和需要，抓住主要因素，略去次要因素，对所研究的复杂问题进行抓住主要因素，略去次要因素，对所研究的复杂问题进行合理简化处理。合理简化处理。2.2.许多物体是较好的黑体许多物体是较好的黑体近似近似(在某些波段上在某些波段上)。研究热辐射的规律时，特别注意黑体的辐射本领的研究。研究热辐射的规律时，特别注意黑体的辐射本领的研究。3.黑体黑体辐射辐射1.1.辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关。定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，定义了一，定义了一种理想物体种理想物体黑体黑体(black body)，以此作为热辐射研究的，以此作为热辐射研究的标准物体。标准物体。10 用不透明材料做成有小孔的空腔，可看作黑体。用不透明材料做成有小孔的空腔，可看作黑体。如图所如图所示：从小孔射入黑体空腔中的电磁波，经多次反射吸收，强示：从小孔射入黑体空腔中的电磁波，经多次反射吸收，强度逐渐减弱，最后从小孔中反射出去的辐射能近似地为零。度逐渐减弱，最后从小孔中反射出去的辐射能近似地为零。这就是这就是黑体黑体黑体黑体辐射辐射辐射辐射。当空腔处于某一当空腔处于某一温度温度T 时，也会有一时，也会有一定的电磁波从小孔中定的电磁波从小孔中辐射出去，辐射出去，相当于面积为相当于面积为小孔面积，温度为小孔面积，温度为T的黑体表面发出的的黑体表面发出的辐射，辐射，现在研究黑体辐射现在研究黑体辐射11用分光技术测出由它发出用分光技术测出由它发出的电磁波的能量按波长的分布的电磁波的能量按波长的分布M（T），就可以研究黑体辐，就可以研究黑体辐射的规律。射的规律。12黑体辐射的黑体辐射的单色辐出度单色辐出度与波长的关系的实验曲线如图所示：与波长的关系的实验曲线如图所示：1700k1500k1300k通过对曲线的分析总结通过对曲线的分析总结出黑体辐射的两条出黑体辐射的两条实验实验规律规律。（1）维恩位移定律维恩位移定律实验发现：当绝对黑体的实验发现：当绝对黑体的温度升高时，温度升高时，单色辐出度单色辐出度最大值对应的最大值对应的 m向短波方向短波方向移动。向移动。观察、分析 m13(2)斯忒藩斯忒藩(Stefan)-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律黑体辐出度（黑体辐出度（总辐出度）总辐出度）（单色辐出度与波长关系曲单色辐出度与波长关系曲线下的总面积线下的总面积）与绝对温度有如下关系：）与绝对温度有如下关系：以上两规律只适用于黑体，对非黑体只近似成立。以上两规律只适用于黑体，对非黑体只近似成立。斯斯忒忒藩藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温(如辐射高温计如辐射高温计)、遥感和红外追踪等的物理基础。、遥感和红外追踪等的物理基础。1700k1500k1300k m014从理论上导出符合实验曲线的关系式，从理论上导出符合实验曲线的关系式，一直是物理学研究的重要课题。一直是物理学研究的重要课题。但是由经典电磁理论和热力学理论出发但是由经典电磁理论和热力学理论出发导出的理论公式都与实验结果不符合。导出的理论公式都与实验结果不符合。WilhelmWien荣获荣获1911年年NobelPrize(forhisdiscoveriesregardingthelawsgoverningtheradiation of heat)维恩维恩(1864-1928)德国人德国人 154.经典物理遇到的困难：经典物理遇到的困难：1896年，维恩（年，维恩（W.Wien）根据经典热力学得出公式）根据经典热力学得出公式这个公式能说明短波段，这个公式能说明短波段，不能说明长波段不能说明长波段。1900年，瑞利和琼斯用能量均分定理电磁理论得出：年，瑞利和琼斯用能量均分定理电磁理论得出：这个公式只能适合于长波段，这个公式只能适合于长波段，在在短波方向得出灾难性的结论短波方向得出灾难性的结论。开尔文称之为开尔文称之为“紫外区灾难紫外区灾难紫外区灾难紫外区灾难 ”C1、C2 为常数为常数C3 为常数为常数16 当当波长波长短短到了紫外线或到了紫外线或X射线，射线，辐出度达到更大值，如果事实真是辐出度达到更大值，如果事实真是如此，地球上的一切生物都要遭受灭顶之灾，在科学史如此，地球上的一切生物都要遭受灭顶之灾，在科学史上，人们戏称这为上，人们戏称这为“紫外灾难紫外灾难”。按照该公式，随着辐射按照该公式，随着辐射波波长长的的变变短，短，辐出度辐出度增大。增大。电磁波电磁波危害危害健康健康（波长越短频率越高）（波长越短频率越高）危害越大危害越大放射防护学专家一致呼吁放射防护学专家一致呼吁 ：慎用：慎用X射线检查射线检查 “紫外灾难紫外灾难”1700k1500k1300k m0 幸亏事实上实验曲线到了中段变缓、变平，到了极大幸亏事实上实验曲线到了中段变缓、变平，到了极大值辐出度随着辐射值辐出度随着辐射波长波长的的变变短而下降。短而下降。17 按按经典理论经典理论，热的辐射和吸收是一个完全连续的过，热的辐射和吸收是一个完全连续的过程，就像管子里流出来的一股水，光和辐射是一种电磁程，就像管子里流出来的一股水，光和辐射是一种电磁波。这条波。这条连续性原理连续性原理是经典物理学的一块基石。可是物是经典物理学的一块基石。可是物理学家们用这种理论来解释黑体辐射，无论如何也不能理学家们用这种理论来解释黑体辐射，无论如何也不能使辐射能量和辐射谱统一起来。使辐射能量和辐射谱统一起来。所以，当时代步入所以，当时代步入2020世纪第一个年头时，物理学界世纪第一个年头时，物理学界的老前辈开尔文在新年祝辞中一面庆贺物理学的新胜利，的老前辈开尔文在新年祝辞中一面庆贺物理学的新胜利，一面又忧心地提到，一面又忧心地提到，天空又出现了两朵乌云天空又出现了两朵乌云，这便是其，这便是其中之一。中之一。18开尔文所提出的开尔文所提出的“紫外区灾难紫外区灾难紫外区灾难紫外区灾难 ”被称为被称为“物理学晴物理学晴朗天空的两朵乌云朗天空的两朵乌云”之一之一。正是这朵乌云导致正是这朵乌云导致“量子力学量子力学”的诞生。的诞生。普朗克普朗克面对单色辐出度与波长的关系的实验曲线，没有面对单色辐出度与波长的关系的实验曲线，没有从经典理论出发从经典理论出发,而是发挥自己的数学才能，而是发挥自己的数学才能，用数学表达用数学表达式来拟合这条曲线，从而获得理论公式式来拟合这条曲线，从而获得理论公式（即寻求一个数（即寻求一个数学表达式，在此公式代入相应的值后，所绘制出的曲线学表达式，在此公式代入相应的值后，所绘制出的曲线与实验曲线相符）与实验曲线相符）。既然由经典电磁理论和热力学理论出发导出的理既然由经典电磁理论和热力学理论出发导出的理论公式都与实验结果不符合。论公式都与实验结果不符合。19普朗克根据普朗克根据维恩、瑞利和琼斯维恩、瑞利和琼斯两公式，用数学内两公式，用数学内插法得出了与实验结果符合的插法得出了与实验结果符合的普朗克公式普朗克公式 取高频取高频极限极限取低频取低频极限极限T m =b普朗克公式普朗克公式M=T 4积分积分求极值求极值维恩公式维恩公式瑞瑞琼琼公式公式20普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式通过计算，这个公式的理论值与实验曲线很好的吻合。通过计算，这个公式的理论值与实验曲线很好的吻合。实验实验瑞利瑞利-琼斯琼斯维恩维恩普朗克普朗克211900年年10月月19日普朗克在德国物理学会议日普朗克在德国物理学会议上报告了他的黑体辐射公式上报告了他的黑体辐射公式(这公式是他这公式是他“为了为了凑合实验数据而猜出来的凑合实验数据而猜出来的”)。当天，两科学家。当天，两科学家发现此公式和实验符合很好，并在第二天把这发现此公式和实验符合很好，并在第二天把这一喜讯告诉了普朗克。一喜讯告诉了普朗克。（19001900年年1212月月1414日被认为是量子论的诞生之日）日被认为是量子论的诞生之日）这使普朗克决心这使普朗克决心“不惜一切代价找到一个不惜一切代价找到一个理论的解释理论的解释”。经过。经过两个月的日夜奋斗两个月的日夜奋斗，他于，他于1212月月1414日在德国物理学会上提出了他的假设。日在德国物理学会上提出了他的假设。22真实的历史真实的历史 普朗克在一次会议上宣读自己的观点，但全场除一人发普朗克在一次会议上宣读自己的观点，但全场除一人发言外，其余的人毫无反应，而这一人还是表示反对。言外，其余的人毫无反应，而这一人还是表示反对。无一知音，普朗克对十几岁的儿子说：无一知音，普朗克对十几岁的儿子说：“我现在发现的我现在发现的那个东西，要么荒诞无稽，要么也许是牛顿以来物理学上最那个东西，要么荒诞无稽，要么也许是牛顿以来物理学上最伟大的发现之一。伟大的发现之一。”1900 1900年年1010月月1919日，柏林物理学会又在举行讨论会。热物日，柏林物理学会又在举行讨论会。热物理学家库尔鲍姆在会上报告了他最近的实验，仍与维恩公式理学家库尔鲍姆在会上报告了他最近的实验，仍与维恩公式不符，又是那道不可逾越的难题。谁知这时普朗克恰巧在座，不符，又是那道不可逾越的难题。谁知这时普朗克恰巧在座，这真是天赐良机，普朗克立即上前在黑板上写出一个自己推这真是天赐良机，普朗克立即上前在黑板上写出一个自己推出的公式。出的公式。这个式子无论对长波、短波、高温、低温都惊人这个式子无论对长波、短波、高温、低温都惊人地适用，瑞利琼斯公式和维恩公式被和谐地统一到一起。地适用，瑞利琼斯公式和维恩公式被和谐地统一到一起。于是满座大惊，虽然还没有一个人能完全弄清楚这个新公式，于是满座大惊，虽然还没有一个人能完全弄清楚这个新公式，但是在事实面前却再无人能提出反对意见。但是在事实面前却再无人能提出反对意见。23 物理学会再也不能轻视普朗克的挑战了，两物理学会再也不能轻视普朗克的挑战了，两个月后，个月后，19001900年年1212月月1414日他们召开会议，特请普日他们召开会议，特请普朗克介绍这项新发现。朗克介绍这项新发现。5.普朗克能量子假说普朗克能量子假说辐射黑体中的分子辐射黑体中的分子 原子可看作原子可看作线性谐振子线性谐振子振动时向外辐射能量（也可吸收能量）振动时向外辐射能量（也可吸收能量）振子的能量不连续振子的能量不连续 E=n n=1,2,3.=h 物体发射或吸收电磁辐射时物体发射或吸收电磁辐射时 交换能量的最小交换能量的最小单位是单位是“能量子能量子”=h 24普朗克公式普朗克公式 由此由此,普朗克导出了与实验普朗克导出了与实验结果极为符合的普朗克公式：结果极为符合的普朗克公式：在电磁波的发射和吸收过程中，物体的能在电磁波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，能量值只能取跳跃非连续地改变它们的能量，能量值只能取某个最小能量元的整数倍。某个最小能量元的整数倍。普朗克常数普朗克常数h=6.62606810-34m2kg/s 25讨论：讨论：按波长分布的普朗克公式按波长分布的普朗克公式261）当波长很短或温度较低时当波长很短或温度较低时维恩公式维恩公式令：令：272 2）当波长很长或温度很高时当波长很长或温度很高时瑞利瑞利-琼斯公式琼斯公式令：令：28 由于量子化的概念和经典物理严重背离，正由于量子化的概念和经典物理严重背离，正因为量子说和经典物理概念如此不同，在提出后因为量子说和经典物理概念如此不同，在提出后的五年内没人理会。在此后的十余年内，普朗克的五年内没人理会。在此后的十余年内，普朗克很很后悔后悔当时提出当时提出“量子说量子说”，并想尽办法试图把，并想尽办法试图把它纳入经典范畴。它纳入经典范畴。普朗克普朗克(18581947)德国人德国人(60岁获诺贝尔奖岁获诺贝尔奖)MaxPlanck荣获荣获1918年年NobelPrize(forhisdiscoveryofenergyquanta)29普朗克是一位老派的学者。普朗克是一位老派的学者。在学术工作中，他主张尽可在学术工作中，他主张尽可能地谨慎，不到万不得已不愿意打破传统的能地谨慎，不到万不得已不愿意打破传统的“框框框框”。他把他把自己的量子假说称为自己的量子假说称为“孤注一掷孤注一掷”的办法。就是说，只是在的办法。就是说，只是在实验事实的逼迫下，他才终于实验事实的逼迫下，他才终于“上了梁山上了梁山”。因此，人们常。因此，人们常说他是一个说他是一个“不情愿的革命者不情愿的革命者”。普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信h 的的引入确实反映了新理论的本质。引入确实反映了新理论的本质。他的墓碑上只刻着他的姓名和他的墓碑上只刻着他的姓名和30普朗克所提出的能量量子化假设普朗克所提出的能量量子化假设打破打破了一切了一切自然过程都是连续的经典定论，第一次向人们揭自然过程都是连续的经典定论，第一次向人们揭示了自然的非连续本性。示了自然的非连续本性。从日常经验出发，建立在一切自然过程（包从日常经验出发，建立在一切自然过程（包括物体性质的变化）都是连续的这一定论之上的括物体性质的变化）都是连续的这一定论之上的经典理论经典理论牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论又牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论又已经被大量的已经被大量的实验所证实实验所证实。“量子论量子论”违背了实验事实？违背了实验事实？连续性原理是经典物理学的一块基石连续性原理是经典物理学的一块基石31例：设想一质量为例：设想一质量为 m=1g 的小珠子悬挂在一个小轻弹的小珠子悬挂在一个小轻弹簧下面作振幅簧下面作振幅 A=1mm的谐振动。弹簧的劲度系数的谐振动。弹簧的劲度系数 k=0.1N/m。按量子论计算此弹簧振子按量子论计算此弹簧振子（谐振子）谐振子）的的能级间隔多大？减少一个能量子时振动能量的相对变能级间隔多大？减少一个能量子时振动能量的相对变化是多少？化是多少？思考题思考题:在宏观世界中能够观察到（谐振子）在宏观世界中能够观察到（谐振子）能量分立的现象能量分立的现象?！解：弹簧振子的频率解：弹簧振子的频率谐振子谐振子能级间隔能级间隔谐谐振子能量振子能量32减少一个能量子时振动能量的减少一个能量子时振动能量的相对能量变化相对能量变化这样小的相对能量变化在现在的技术条件这样小的相对能量变化在现在的技术条件下还不可能测量出来。下还不可能测量出来。所以宏观的能量变化看起来都是连续的所以宏观的能量变化看起来都是连续的!现在能达到的最高的能量分辨率为：现在能达到的最高的能量分辨率为：33普朗克的发现使神秘的量子从此出现在人们普朗克的发现使神秘的量子从此出现在人们的面前，它让物理学家们既兴奋，又烦恼。的面前，它让物理学家们既兴奋，又烦恼。这些能量子在运动中并不分裂，而且只能作这些能量子在运动中并不分裂，而且只能作为整体被吸收或发射。为整体被吸收或发射。能量子是什么？能量子是什么？量子论量子论翻开第二页翻开第二页“光电效应光电效应”34赫兹试验示意图赫兹试验示意图 光照射金属表面使之逸出电子的现象，称为光电效应。光照射金属表面使之逸出电子的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。逸出的电子称为光电子。这一现象首先是这一现象首先是赫兹在赫兹在1886-18871886-1887年间在实验中偶年间在实验中偶然发现的。然发现的。17-2 光的粒子性光的粒子性 赫兹在电磁波实验中还顺便发现了光电效应。赫兹在电磁波实验中还顺便发现了光电效应。18871887年，年，他发现当检测器振子的两极受到发射振子的火花光线照射他发现当检测器振子的两极受到发射振子的火花光线照射时，检测器的火花会有所加强。进一步的研究表明这是由时，检测器的火花会有所加强。进一步的研究表明这是由于紫外线的照射于紫外线的照射,紫外线会从负电极上打出带负电的粒子紫外线会从负电极上打出带负电的粒子。他将此事写成论文发表，但没有进一步研究。他将此事写成论文发表，但没有进一步研究。光电效应光电效应35光电效应的实验简图光电效应的实验简图UGKA 当光（特别是波长当光（特别是波长较短的紫外光）照射到较短的紫外光）照射到密封的真空管内的的金密封的真空管内的的金属属K（负极）上时，就（负极）上时，就有光电子从表面逸出，有光电子从表面逸出，逸出的光电子在加速电逸出的光电子在加速电势差势差U=UA-UK的作用下，的作用下，从从K到到A，从而在电路中，从而在电路中形成电流，称为光电流，形成电流，称为光电流，光电流强度可由电流计光电流强度可由电流计G 读出。读出。莱纳德莱纳德 光电效应实验光电效应实验19051905年年换向开关换向开关真空管真空管注意观察！注意观察！36通过实验，我们可以画出以下实验特征曲线。通过实验，我们可以画出以下实验特征曲线。1.1.光电效应伏光电效应伏-安曲线图安曲线图-US为反向截止电压为反向截止电压饱和光电流强度与入射光饱和光电流强度与入射光强度成正比。强度成正比。或者说：单位时间内从金或者说：单位时间内从金属表面逸出的光电子数目属表面逸出的光电子数目与入射光强成正比。与入射光强成正比。I0UIm饱饱和和电电流流USI1I2入射光频率恒定入射光频率恒定371.1.光电效应伏光电效应伏-安曲线图安曲线图反向电势差反向电势差截止电势差截止电势差Us 光电子最大初动能光电子最大初动能截止电压的存在说明此时从阴截止电压的存在说明此时从阴极逸出的极逸出的最快最快的光电子，由于的光电子，由于受到电场的阻碍，也不能达到受到电场的阻碍，也不能达到阳极。根据阳极。根据能量分析能量分析应有：应有：I0UIm饱饱和和电电流流USI1I2-US为反向截止电压为反向截止电压入射光频率恒定入射光频率恒定当降低当降低U，I 随着降低，当随着降低，当U=0时时，I 一般不等于一般不等于0。只有当只有当 U=UA-Uk变为负值变为负值（由（由换向开关实现换向开关实现），），I 减减小以至为零。小以至为零。38CsCaNa4.0 6.08.010.0US/Vn1014Hz4.02.00k与金属材料无关与金属材料无关2.US 实验曲线图实验曲线图 为入射光频率为入射光频率截止电压与入射光频率有截止电压与入射光频率有线性关系（即线性关系（即光电子最大光电子最大初动能和光频率初动能和光频率 成线性成线性关系）关系）不同金属的不同金属的 USv 曲线是曲线是斜率相同的平行直线斜率相同的平行直线使金属产生光电效应的最使金属产生光电效应的最低频率低频率v0 称为红限频率。称为红限频率。红限频率红限频率红限频率与金属材料有关红限频率与金属材料有关时，才能产生光电效应。时，才能产生光电效应。时，无论光强多么强都不能产生光电效应。时，无论光强多么强都不能产生光电效应。39经典物理与实验规律的矛盾经典物理与实验规律的矛盾 电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量量(与光强与光强I I 有关有关)逸出，不应存在红限逸出，不应存在红限 0 。当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累。当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累。只有光的频率只有光的频率 0 时，电子才会逸出时，电子才会逸出。逸出光电子的多少取决于光强逸出光电子的多少取决于光强I。光电子即时发射，滞后时间不超过光电子即时发射，滞后时间不超过109秒秒。总结总结光电子最大初动能和光频率光电子最大初动能和光频率 成线性关系成线性关系。光电子最大初动能取决于光强，和光的频率光电子最大初动能取决于光强，和光的频率 无关。无关。40普朗克提出的量子假设在随后的几年普朗克提出的量子假设在随后的几年里，并没有引起人们的注意。当时大多数里，并没有引起人们的注意。当时大多数物理学家只是把普朗克公式看作是一个局物理学家只是把普朗克公式看作是一个局限于辐射问题的限于辐射问题的“经验公式经验公式”。首先认识到量子概念的重要性首先认识到量子概念的重要性并对它的发展起了巨大推动作用的并对它的发展起了巨大推动作用的是专利局三级技术员、年轻的科学是专利局三级技术员、年轻的科学爱好者爱因斯坦（爱好者爱因斯坦（2626岁）岁）41一个频率为一个频率为 的光子具有能量的光子具有能量爱因斯坦光子（光量子）假设爱因斯坦光子（光量子）假设(1905年年)（1）爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论：）爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论：h为普朗克恒量，为普朗克恒量，h=6.62610-34Js（2）光电效应的解释：）光电效应的解释：金属中自由电子从照射光金属中自由电子从照射光中吸收一个光子的能量中吸收一个光子的能量 h 1.1.电子的逸出功电子的逸出功 A2.2.光电子的初动能光电子的初动能 逸出功逸出功 A：金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需：金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的最低能量），单位的最低能量），单位eV，与材料有关的常数。，与材料有关的常数。42或写成：或写成：解释红限频率的存在解释红限频率的存在实验结果：实验结果：对比理论公式对比理论公式所以所以k与金属种类无关与金属种类无关所以所以A与金属种类有关与金属种类有关43入射光强度越大，表明光量子数越多；它被金属中的电子吸入射光强度越大，表明光量子数越多；它被金属中的电子吸收的可能性就越大，可解释收的可能性就越大，可解释光电子的多少取决于光强光电子的多少取决于光强 I。光子被电子一次吸收而增大动能的过程需时很短，光子被电子一次吸收而增大动能的过程需时很短，由此，可解释光电效应的瞬时性。由此，可解释光电效应的瞬时性。19161916年，密立根利用截止电压与入射光频率线性关系年，密立根利用截止电压与入射光频率线性关系h=ek计计算得：算得：h=6.56 10-34Js，与当时其他方法测得的值符合得很，与当时其他方法测得的值符合得很好！对光子论的正确性是一个很好的证明。密立根好！对光子论的正确性是一个很好的证明。密立根由此获诺由此获诺贝尔奖贝尔奖（另一原因是他用油滴法精确地测定了电子电量）（另一原因是他用油滴法精确地测定了电子电量）。当时普朗克常数当时普朗克常数h=6.5510-34Js 另外，另外，逸出光电子的多少取决于光强逸出光电子的多少取决于光强I。光电子即时发射，滞后时间不超过光电子即时发射，滞后时间不超过109秒秒。44爱因斯坦的光量子理论（爱因斯坦的光量子理论（1905年）虽然成功年）虽然成功地解释了光电效应，但它并没有被广大物理学家地解释了光电效应，但它并没有被广大物理学家所承认。因为在他们看来，这一理论与光的波动所承认。因为在他们看来，这一理论与光的波动理论是完全违背的。理论是完全违背的。普朗克也认为这一理论普朗克也认为这一理论“太太过份了过份了”，甚至到，甚至到1913年他仍持否定态度年他仍持否定态度。密立根也不相信光的量子理论，他从密立根也不相信光的量子理论，他从1905年年开始作开始作“光电效应光电效应”的实验来否定它，可是于的实验来否定它，可是于1915年他却宣布：年他却宣布：“结果与我所有的预期相反结果与我所有的预期相反。”45光电效应的研究历经三十年，有三人荣获光电效应的研究历经三十年，有三人荣获诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖莱纳德莱纳德 完美完美实验实验 19051905年年爱因斯坦爱因斯坦 理论理论解释解释 19211921年年密立根密立根 实验实验证实证实 19231923年年 研究基本电荷和研究基本电荷和光电效应光电效应，特别是通过著名的油滴实特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。验，证明电荷有最小单位。密立根密立根(18681953)(RobertA.Millikan)美国人美国人46 爱因斯坦在爱因斯坦在19051905年解释光电效应，当初爱因斯坦并没年解释光电效应，当初爱因斯坦并没有想的那么多，但是正因为他当时解释的光电效应，一直有想的那么多，但是正因为他当时解释的光电效应，一直到现代有非常重要的应用。到现代有非常重要的应用。光电效应的光电效应的现代应用现代应用实在太多了，包括空间科学、生实在太多了，包括空间科学、生命科学。举一个最贴近我们生活的例子，数码相机或者数命科学。举一个最贴近我们生活的例子，数码相机或者数码摄像机，最关键的是码摄像机，最关键的是CCD摄像阵列。大家买数码相机的摄像阵列。大家买数码相机的时候都要问有多少像素，从时候都要问有多少像素，从200200万像素到万像素到400400万像素，专业万像素，专业的是的是800800万像素，有万像素，有800800万个最基本的光电探测单元。万个最基本的光电探测单元。研究天文、宇宙的起源，不管用什么样的天文显微镜，研究天文、宇宙的起源，不管用什么样的天文显微镜，最后都有摄像的基本单元，都是要利用所谓的光电效应。现最后都有摄像的基本单元，都是要利用所谓的光电效应。现在都讲数字地球，这是全球定位系统，对海洋资源、陆地资在都讲数字地球，这是全球定位系统，对海洋资源、陆地资源等等定位。在空间要对地球进行定位，最基本的必须要有源等等定位。在空间要对地球进行定位，最基本的必须要有一个非常灵敏的光电探测器。一个非常灵敏的光电探测器。47光电成像器件能将可见或不可见的辐射图像转换或增强成光电成像器件能将可见或不可见的辐射图像转换或增强成为可观察记录、传输、储存的图像。为可观察记录、传输、储存的图像。光电效应的应用光电效应的应用红红外外变变像像管管红外辐射图像红外辐射图像可见光图像可见光图像像像 增增 强强 器器微弱光学图像微弱光学图像高亮度可见光学图像高亮度可见光学图像测量波长在测量波长在2001200nm极微弱光的功率极微弱光的功率光电倍增管光电倍增管48例：铝的逸出功为例：铝的逸出功为4.2eV，今用波长为今用波长为2000埃的紫外线照射铝表面，求埃的紫外线照射铝表面，求：（1 1）光电子的最大初动能。）光电子的最大初动能。（2 2）截止电压）截止电压。（3 3）铝的红限波长。）铝的红限波长。(*1eV=1.6021764610-19J)解：解：光子能量：光子能量：电子最大初动能：电子最大初动能：由：由：得得：US=2.0V由：由：49 1909 1909年年9 9月月2121日，爱因斯坦应邀参加德国自然科日，爱因斯坦应邀参加德国自然科学家协会第学家协会第8181次大会。这是爱因斯坦第一次正式参次大会。这是爱因斯坦第一次正式参加学术界的活动，也是他第一次会见普朗克等著名加学术界的活动，也是他第一次会见普朗克等著名物理学家。爱因斯坦在这次大会上首次提出光具有物理学家。爱因斯坦在这次大会上首次提出光具有波粒二象性。波粒二象性。光的波粒二象性。光的波粒二象性。光在传播过程中表现为光在传播过程中表现为波动性波动性，如光的，如光的干涉和衍射干涉和衍射。光在与物质相互作用时表现为光在与物质相互作用时表现为粒子性粒子性，如，如光电效应光电效应。光既具有波动性，又具有粒子性，光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性。称为光的波粒二象性。50光的波动性（光的波动性（，v）和粒子性（和粒子性（m，p）是通是通过普朗克常数联系在一起的。过普朗克常数联系在一起的。光子动量：光子动量：又因为：又因为：所以，光子的静止质量为零。所以，光子的静止质量为零。光子能量：光子能量：光子质量：光子质量：51 1911 1911年年1010月月3030日，当时世界上在这一领域内最日，当时世界上在这一领域内最优秀的优秀的1818名领袖齐集布鲁塞尔的大都会饭店。但是名领袖齐集布鲁塞尔的大都会饭店。但是年高望重的瑞利未能到会，他送来一封短信，对量年高望重的瑞利未能到会，他送来一封短信，对量子论表示子论表示反对反对。琼斯和彭加勒两个大人物也表示。琼斯和彭加勒两个大人物也表示反反对对。不过，临散会时彭加勒已经背叛了经典原理而。不过，临散会时彭加勒已经背叛了经典原理而加入这支义军。加入这支义军。还有卢瑟福、居里夫人等五位实验物理学家，还有卢瑟福、居里夫人等五位实验物理学家，他们对这个很玄的理论问题原来也不怎么关心，所他们对这个很玄的理论问题原来也不怎么关心，所以持以持中立立场中立立场，其余十一位科学家表示，其余十一位科学家表示赞成赞成。十一。十一年过去了，这支新军从一人发展到十二人，稍成气年过去了，这支新军从一人发展到十二人，稍成气候。候。52会议的主力当然是普朗克和爱因斯坦。会议的主力当然是普朗克和爱因斯坦。“不过爱因斯坦先生，为什么您不全力以赴在这个理论上再不过爱因斯坦先生，为什么您不全力以赴在这个理论上再做贡献呢？做贡献呢？”爱因斯坦说：爱因斯坦说：“可惜上帝给物理学的晴空里可惜上帝给物理学的晴空里送来两朵乌云。我现被那另一朵乌云罩住正脱不得身呢。送来两朵乌云。我现被那另一朵乌云罩住正脱不得身呢。”布布鲁鲁塞塞尔尔的的女女巫巫盛盛宴宴53康普顿散射康普顿散射（1922年）年）SDCR康普顿实验原理如下图：康普顿实验原理如下图：R：X射线源。射线源。D：光栏。：光栏。S：摄谱仪。：摄谱仪。C：石墨晶体，是：石墨晶体，是X射线的散射体。射线的散射体。实验目的：入射与散实验目的：入射与散射的波长比较。射的波长比较。入射入射散射散射散射角散射角54IIII实验发现：实验发现：观察，分析观察，分析 波长不变的散波长不变的散射称为正常散射。射称为正常散射。但在散射谱线但在散射谱线中，除了波长不变中，除了波长不变的射线外，还有波的射线外，还有波长变长的射线。长变长的射线。波长变长的散射波长变长的散射称为称为康普顿散射康普顿散射。55实验总结：实验总结：1.在散射谱线中，除有入射波长在散射谱线中，除有入射波长的射线外，还的射线外，还有比有比更长的射线。更长的射线。2.波长改变量随着散射角的增大而增大。波长改变量随着散射角的增大而增大。与散射物与散射物质的性质无关。质的性质无关。是与