光学光的量子性.pptx

1济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六电电子子教教案案电电子子教教案案1光学课件目录济南大学理学院2019-12-222济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六复习上节课主要内容复习上节课主要内容第六章第六章 光的吸收光的吸收 色散和散射色散和散射 6.1 光的吸收光的吸收朗伯定律朗伯定律吸收与介质折射率的关系吸收与介质折射率的关系复折射率复折射率一般吸收与选择吸收一般吸收与选择吸收3济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六6.2 光的色散光的色散一、色散的概念一、色散的概念二、正常色散与反常色散二、正常色散与反常色散三、相速与群速的概念三、相速与群速的概念4济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六6.3 光的散射光的散射 光的散射光的散射光通过某些介质（光学性质不均光通过某些介质（光学性质不均匀）时，在偏离正常传播方向上有光出射的现象。匀）时，在偏离正常传播方向上有光出射的现象。散射可改变入射光的光强空间分布、偏振态或频率散射可改变入射光的光强空间分布、偏振态或频率频率不改变的散射有：频率不改变的散射有：瑞利散射、米氏散射、廷德瑞利散射、米氏散射、廷德尔散射。尔散射。频率改变的散射有：频率改变的散射有：拉曼散射、布里渊散射。拉曼散射、布里渊散射。5济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六瑞利散射的特点：瑞利散射的特点：1.散射光的波长与入射光的波长相同散射光的波长与入射光的波长相同（光频不变的散射）。（光频不变的散射）。2.散射光的强度与波长的四次方成反比。散射光的强度与波长的四次方成反比。瑞利散射定律瑞利散射定律3.散射光的光强（自然光入射）散射光的光强（自然光入射）（方向的光强）方向的光强）散射光方向散射光方向4.自然光入射时，各方向的散射光一般为部分偏振自然光入射时，各方向的散射光一般为部分偏振光，在垂直入射光方向上的散射光为线偏振光，沿光，在垂直入射光方向上的散射光为线偏振光，沿入射光方向或其逆方向的散射光仍为自然光。入射光方向或其逆方向的散射光仍为自然光。6济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六第七章第七章 光的量子性光的量子性7.1黑体辐射黑体辐射黑体辐射黑体辐射 7.1.1 7.1.1 两种不同形式的辐射两种不同形式的辐射两种不同形式的辐射两种不同形式的辐射 7.1.2 7.1.2 基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律 7.1.3 7.1.3 黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律 7.1.4 7.1.4 黑体辐射的经典理论及其与实验黑体辐射的经典理论及其与实验黑体辐射的经典理论及其与实验黑体辐射的经典理论及其与实验 的矛盾的矛盾的矛盾的矛盾7.1.3 7.1.3 能量子假设和普郎克公式能量子假设和普郎克公式能量子假设和普郎克公式能量子假设和普郎克公式7济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六7.27.2光的粒子性及其实验基础光的粒子性及其实验基础光的粒子性及其实验基础光的粒子性及其实验基础 7.2.1 7.2.1 光电效应光电效应光电效应光电效应 7.2.2 7.2.2 康普顿效应是说明光的粒子性的康普顿效应是说明光的粒子性的康普顿效应是说明光的粒子性的康普顿效应是说明光的粒子性的 另一个重要的实验另一个重要的实验另一个重要的实验另一个重要的实验 7.37.3光的波粒二像性光的波粒二像性光的波粒二像性光的波粒二像性第七章第七章 光的量子性光的量子性8济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六7.1 黑体辐射黑体辐射7.1.1 两种不同形式的辐射两种不同形式的辐射 对辐射源补充能量的方式，以及在辐射过程中辐对辐射源补充能量的方式，以及在辐射过程中辐射源原子或分子的内部运动状态是否发生变化，分为射源原子或分子的内部运动状态是否发生变化，分为两种辐射：两种辐射：一、发光：一、发光：辐射源原子或分子内部运动状态发生变辐射源原子或分子内部运动状态发生变化相联系的辐射化相联系的辐射发光有以下几种形式：发光有以下几种形式：1.电致发光：电致发光：电能直接转化为光能的过程。电能直接转化为光能的过程。如：火花放电，辉光放电等。如：火花放电，辉光放电等。9济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六 2.光致发光光致发光：由外来的光照射或预照射后，由外来的光照射或预照射后，物体本身的发光。物体本身的发光。如：荧光、磷光、日光灯等。如：荧光、磷光、日光灯等。3.化学发光：化学发光：由于化学反应而发光的过程。由于化学反应而发光的过程。如：燃烧。如：燃烧。4.阴极射线致发光：阴极射线致发光：由电子束轰击而引起的物质发光由电子束轰击而引起的物质发光.如：荧光屏。如：荧光屏。5、热致发光：、热致发光：物体加热到一定程度也会发光物体加热到一定程度也会发光如：食盐在火焰中发出的钠黄光。如：食盐在火焰中发出的钠黄光。10济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六二、热辐射二、热辐射 物体由于其内部原子、分子具有热运动而以物体由于其内部原子、分子具有热运动而以电磁波的形式向外辐射能量的过程称为热辐射。电磁波的形式向外辐射能量的过程称为热辐射。热辐射与热发光的区别：热辐射与热发光的区别：1.热辐射在任何温度下（热辐射在任何温度下（T 0K)都能进行。都能进行。2.热辐射是辐射源与周围物体之间热传递的一种方式。热辐射是辐射源与周围物体之间热传递的一种方式。热辐射在不断地向外辐射能量，同时也吸收外界热辐射在不断地向外辐射能量，同时也吸收外界热量，最后达到热平衡。热量，最后达到热平衡。3.热辐射的辐射谱是连续谱，而热发光辐射谱为线状热辐射的辐射谱是连续谱，而热发光辐射谱为线状谱或带状谱。谱或带状谱。11济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六4.热辐射在气体、液体、固体之间均可发热辐射在气体、液体、固体之间均可发生，而热发光则主要发生在稀薄气体中。生，而热发光则主要发生在稀薄气体中。7.1.2 基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律一、与辐射场有关的几个物理量一、与辐射场有关的几个物理量 单位体积内物体的总辐射能量，称为辐射场的能单位体积内物体的总辐射能量，称为辐射场的能量密度。量密度。1.能量密度（能量密度（U）单位体积内，物体所辐射出的频率在单位体积内，物体所辐射出的频率在附近单位频附近单位频率间隔内的辐射能量，称为能量密度的谱密度或光谱率间隔内的辐射能量，称为能量密度的谱密度或光谱能量密度能量密度.2.光谱能量密度光谱能量密度U(v)12济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六光谱能量密度与总能量密度的关系光谱能量密度与总能量密度的关系 单位时间内，通过辐射场中某一面积的辐射能。单位时间内，通过辐射场中某一面积的辐射能。也称为辐射功率。也称为辐射功率。单位时间内，通过辐射场中某一面积的频率在单位时间内，通过辐射场中某一面积的频率在v 附附近单位频率间隔内的辐射能量称为光谱辐射通量。近单位频率间隔内的辐射能量称为光谱辐射通量。3.辐射通量辐射通量4.光谱辐射通量光谱辐射通量（v）单位表面积所发出的辐射通量。单位表面积所发出的辐射通量。5.辐射出射度辐射出射度R13济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六频率在频率在v 附近单位频率间隔内的辐射出射度。附近单位频率间隔内的辐射出射度。辐射场中物体所吸收的辐射通量与照射到该物体辐射场中物体所吸收的辐射通量与照射到该物体上的辐射通量之比。用上的辐射通量之比。用 A 表示。表示。如不是物体辐射而是被照射相应的有如不是物体辐射而是被照射相应的有辐照度和光辐照度和光谱辐照度谱辐照度，用，用E 和和e(v)表示。表示。频率在频率在v 附近单位频率间隔内的吸收率附近单位频率间隔内的吸收率,用用 a 表示。表示。6.光谱辐出度光谱辐出度r(v)7.吸收率吸收率8.光谱吸收率光谱吸收率14济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六二、基尔霍夫热辐射定律二、基尔霍夫热辐射定律 基尔霍夫热辐射定律主要讨论辐出度与吸收基尔霍夫热辐射定律主要讨论辐出度与吸收率之间的关系。率之间的关系。如图所示的系统，最终要达到热平衡。如图所示的系统，最终要达到热平衡。处于热平衡的任何物体，它的处于热平衡的任何物体，它的光谱光谱辐出度与光谱吸收率之比辐出度与光谱吸收率之比是一个频是一个频率与温度的率与温度的普适函数普适函数,与物体的性与物体的性质无关。质无关。(基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律)15济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六7.1.3 黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律一、绝对黑体一、绝对黑体 如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为无反射，这种物体称为绝对黑体绝对黑体，简称黑体简称黑体。基尔霍夫定律中的普适函数就是黑体的光谱辐出度基尔霍夫定律中的普适函数就是黑体的光谱辐出度绝对黑体模型绝对黑体模型开有一个小孔的绝热等温孔腔。开有一个小孔的绝热等温孔腔。空腔黑体空腔黑体16济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六17济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六二、黑体辐射谱的测定及实验规律二、黑体辐射谱的测定及实验规律绝对黑体单色辐出度按波长分布实验绝对黑体单色辐出度按波长分布实验1.1.实验装置实验装置T热电偶热电偶平行光管平行光管绝对黑体绝对黑体三棱镜三棱镜18济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六2.实验曲线实验曲线0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K3.几个实验定律几个实验定律（1）斯忒藩）斯忒藩玻玻尔兹曼定律尔兹曼定律 曲线下的面积等于绝对黑体在一定温曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下的辐射出射度度下的辐射出射度 ，即，即（斯忒藩（斯忒藩玻尔兹曼常数）玻尔兹曼常数）19济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六（2 2）维恩位移定律）维恩位移定律最大值所对应的波长为最大值所对应的波长为 。当绝对黑体的温度升当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值高时，单色辐出度最大值向短波方向移动。向短波方向移动。峰值波长。峰值波长。维恩位移定律指出：维恩位移定律指出：20济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六7.1.4 黑体辐射的经典理论及其与实验的矛盾黑体辐射的经典理论及其与实验的矛盾一、维恩经验公式一、维恩经验公式式中，式中，1、2 为常数，为常数，c 为真空中光速。为真空中光速。维恩公式仅在短波区域与实验曲线符合的很好维恩公式仅在短波区域与实验曲线符合的很好,而而在长波长区域却与实验不符。在长波长区域却与实验不符。二、瑞利二、瑞利金斯经验公式金斯经验公式 瑞利瑞利-金斯经验公式在长波区域与实验曲线符合的金斯经验公式在长波区域与实验曲线符合的很好，在短波区域与实验曲线不符合。很好，在短波区域与实验曲线不符合。历史上称为历史上称为“紫外灾难紫外灾难”。21济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六(m)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10实验值实验值维恩维恩瑞利瑞利-金斯金斯紫紫外外灾灾难难22济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六7.1.5 能量子假设与普朗克公式能量子假设与普朗克公式一、普朗克的能量子假设一、普朗克的能量子假设 普朗克能量子假说普朗克能量子假说 辐射物质中具有带电的线性谐振子，它和周围辐射物质中具有带电的线性谐振子，它和周围电磁场交换能量。电磁场交换能量。这些谐振子只能处于某种特殊的状这些谐振子只能处于某种特殊的状态，它的能量取值只能为某一最小能量态，它的能量取值只能为某一最小能量 (称为能量子称为能量子)的整数倍，即：的整数倍，即：（n为正整数）为正整数）23济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六 对于频率为对于频率为 的谐振子最小能量为的谐振子最小能量为h 称为普朗克常数。称为普朗克常数。振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状态。一个状态。在能量子假说基础上，普朗克给出了黑体辐射在能量子假说基础上，普朗克给出了黑体辐射公式。公式。二、普朗克公式二、普朗克公式24济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六分别分别是玻尔兹曼常数和光速。是玻尔兹曼常数和光速。普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，还解释了固体的比热问题等等。它成为现代理论题，还解释了固体的比热问题等等。它成为现代理论的重要组成部分。的重要组成部分。由普朗克公式可得其他定律由普朗克公式可得其他定律25济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六(m)01 2 3 4 5 6 7 8 9 10普朗克普朗克实验值实验值26济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六M.V.普朗克普朗克 研究辐射的量子理论，发研究辐射的量子理论，发现基本量子，提出能量量现基本量子，提出能量量子化的假设子化的假设。19181918诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖27济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六7.2 光的粒子性及其实验基础光的粒子性及其实验基础7.2.1 光电效应光电效应一、光电效应的实验装置和实验规律一、光电效应的实验装置和实验规律Is饱饱和和电电流流光光 强强 较较 强强I-UaOU光光 强强 较较 弱弱遏遏止止电电压压光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线OOOOOOVGAKBOOm光电效应实验装置光电效应实验装置28济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六 2.光电子初动能和入射光频率的关系光电子初动能和入射光频率的关系 1.光电流与入射光光强的关系光电流与入射光光强的关系 结论：结论：单位时间内电极上逸出的光电子数和入射光单位时间内电极上逸出的光电子数和入射光 光强成正比光强成正比.实验指出：饱和光电流和入射光光强成正比。实验指出：饱和光电流和入射光光强成正比。当反向电压加至当反向电压加至 时光电流为零，称时光电流为零，称 为为遏止电压遏止电压。遏止电压的存在说明光电子具有初动能，且：遏止电压的存在说明光电子具有初动能，且：29济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六U0和金属有关的恒量；和金属有关的恒量；k和金属无关的普适恒量。和金属无关的普适恒量。实验指出：实验指出：遏止电压和入射光的遏止电压和入射光的 频率有线性频率有线性关系，如图所示。关系，如图所示。遏止电压与入射光频率的实验曲线遏止电压与入射光频率的实验曲线oUa30济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六结论：结论：光电子初动能和入射光频率成正比，与入射光光电子初动能和入射光频率成正比，与入射光光强无关。光强无关。3、存在截止频率（红限）、存在截止频率（红限）对于给定的金属对于给定的金属,当照射光频率当照射光频率 小于某一数值小于某一数值(称为红限称为红限)时时,无论照射光多强都不会产生光电效应。无论照射光多强都不会产生光电效应。31济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六结论：结论：光电效应的产生几乎无需时间的累积。光电效应的产生几乎无需时间的累积。因为初动能大于零，因而产生光电效应的条件是：因为初动能大于零，因而产生光电效应的条件是：红限频率（红限频率（截止频率截止频率）4.光电效应瞬时响应性质光电效应瞬时响应性质 实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光电子实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光电子出现只需要出现只需要 的时间。的时间。32济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六 几种金属的红限及逸出功：几种金属的红限及逸出功：钯 Pd金 Au汞 Hg钛 Ti铯 Cs12.111.610.99.9248.0258.0275.030.3652.01.94.14.54.85.0金金 属属逸逸 出出 功功(nm)4.8（eV）33济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六 1.按经典理论光电子的初动能应决定于入射光的光按经典理论光电子的初动能应决定于入射光的光强，而不决定于光的频率。强，而不决定于光的频率。二、经典电磁波理论的缺陷二、经典电磁波理论的缺陷3.无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。2.无法解释红限的存在。无法解释红限的存在。34济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六三、三、爱因斯坦方程爱因斯坦方程 光量子（光子）光量子（光子）(爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程)爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说：其每个光子的能量为其每个光子的能量为 。一束光是以光速一束光是以光速 c 运动的运动的粒粒子（称为光子）流，子（称为光子）流，金属中的自由电子吸收一个光子能量金属中的自由电子吸收一个光子能量 以后以后,一一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸部分用于电子从金属表面逸出所需的逸出功出功A,一部一部分转化为光电子的动能，即：分转化为光电子的动能，即：35济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六 3.从方程可以看出光电子初动能和照射光的从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成频率成线性关系。线性关系。爱因斯坦对光电效应的解释：爱因斯坦对光电效应的解释：2.电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积。所以无须时间的累积。1.光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。电流也大。4.从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红限频率限频率36济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六光子的能量光子的能量 质量和动量质量和动量光子质量为光子质量为光子的动量为光子的动量为光子能量为光子能量为因为因为以光子的以光子的“静止质量静止质量”为零！为零！光子在真空中速度恒为光子在真空中速度恒为c，所，所37济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六 A.爱因斯坦爱因斯坦 对现物理方面的贡对现物理方面的贡献，特别是阐明献，特别是阐明光电效应的定律。光电效应的定律。19211921诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖38济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六7.2.2光的粒子性的另一个重要的实验光的粒子性的另一个重要的实验康普顿效应康普顿效应 1922-1933年间康普顿年间康普顿（A.H.Compton）观察观察X 射射线通过物质散射时，发现散线通过物质散射时，发现散射的波长发生变化的现象。射的波长发生变化的现象。19271927诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖39济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六康普顿实验装置示意图康普顿实验装置示意图X 射线管射线管X射线谱仪射线谱仪光阑光阑石墨体（散射物）石墨体（散射物）晶体晶体可测量各种散射角下的散射线的波长与强度可测量各种散射角下的散射线的波长与强度40济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六康普顿实验指出康普顿实验指出改变波长的散射改变波长的散射康普顿散射康普顿散射(康普顿效应康普顿效应)散射光中除了和入射光波长散射光中除了和入射光波长 相同的射线之外，相同的射线之外，还出现一种波长还出现一种波长 大于大于 的新的射线。的新的射线。散射散射X射线的波长中有两个峰值射线的波长中有两个峰值和和且且与散射角与散射角 有关有关41济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六石石墨墨的的康康普普顿顿效效应应.=0O(a)(b)(c)(d)o相相对对强强度度（A）0.7000.750波长波长42济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六.=0=45OO石石墨墨的的康康普普顿顿效效应应(a)(b)(c)(d)相相对对强强度度.0.7000.750波长波长（A）o43济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六.=0=45OO石石墨墨的的康康普普顿顿效效应应(a)(b)(c)(d)相相对对强强度度.0.7000.750波长波长（A）o.=90O44济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六.=0=45OO石石墨墨的的康康普普顿顿效效应应(a)(b)(c)(d)相相对对强强度度.0.7000.750波长波长（A）o.=90=135OO45济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还发现：我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还发现：原子量小的物质康普顿散射较强，原子量大的物原子量小的物质康普顿散射较强，原子量大的物质康普顿散射较弱；质康普顿散射较弱；当散射角增加时，波长改变也随着增加；在同一散当散射角增加时，波长改变也随着增加；在同一散射角下，所有散射物质的波长改变都相同。射角下，所有散射物质的波长改变都相同。46济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六总结实验曲线的特点：总结实验曲线的特点：P396 1.对各种物质及不同散射角对各种物质及不同散射角(=0除外除外)，散射线，散射线中均有波长不变成分中均有波长不变成分()及波长变长成分及波长变长成分()。2.当散射角增加时，波长改变也随着增加；在同一散当散射角增加时，波长改变也随着增加；在同一散射角下，所有散射物质的波长改变都相同。射角下，所有散射物质的波长改变都相同。3.对同一散射物质对同一散射物质,谱线的强度随谱线的强度随的增大而减小的增大而减小,谱线的强度随谱线的强度随增大而增大；对不同散射物质在同一散增大而增大；对不同散射物质在同一散射角下射角下,谱线强度随散射物质的原子序数的增大而增大谱线强度随散射物质的原子序数的增大而增大,谱线的强度随散射物质的原子序数的增大而减小。谱线的强度随散射物质的原子序数的增大而减小。47济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难 根据经典电磁波理论根据经典电磁波理论,当电磁波通过散射物质时当电磁波通过散射物质时,物质中带电粒子将作受迫振动物质中带电粒子将作受迫振动,其频率等于入射光频其频率等于入射光频率率,所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。无法解释波长改变和散射角的关系。无法解释波长改变和散射角的关系。48济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释 光子理论认为康普顿效应是高能光子和低能自由光子理论认为康普顿效应是高能光子和低能自由电子作弹性碰撞的结果，具体解释如下：电子作弹性碰撞的结果，具体解释如下：若光子和散射物外层电子（相当于自由电子）相若光子和散射物外层电子（相当于自由电子）相碰撞，光子有一部分能量传给电子碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减散射光子的能量减少，因此波长变长，频率变低。少，因此波长变长，频率变低。49济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六 若光子和被原子核束缚很紧的内层电子相碰撞时，若光子和被原子核束缚很紧的内层电子相碰撞时，就相当于和整个原子相碰撞，由于光子质量远小于原就相当于和整个原子相碰撞，由于光子质量远小于原子质量，碰撞过程中光子传递给原子的能量很少，子质量，碰撞过程中光子传递给原子的能量很少，碰碰撞前后光子能量几乎不变，故在散射光中仍然保留有撞前后光子能量几乎不变，故在散射光中仍然保留有波长波长 的成分的成分。因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。波长改变和散射角有关。50济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六康普顿效应的定量分析康普顿效应的定量分析yx（1）碰撞前碰撞前yx（2）碰撞后碰撞后光子在自由电子上的散射光子在自由电子上的散射（3）动量守恒动量守恒x51济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六由能量守恒由能量守恒:由动量守恒由动量守恒:最后得到：最后得到：(康普顿散射公式康普顿散射公式)此式说明：此式说明：波长改变与散射物质无关，仅决定于散射波长改变与散射物质无关，仅决定于散射角；波长改变随散射角增大而增加。角；波长改变随散射角增大而增加。(电子的康普顿波长电子的康普顿波长)52济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六7.3 光的波粒二象性光的波粒二象性 在在讨讨论论与与光光的的传传播播有有关关的的一一系系列列现现象象(光光的的干干涉涉、衍衍射射、偏偏振振、双双折折射射)中中，光光表表现现出出波波动动本本性性。在在这这一一章章中中我我们们看看到到，当当光光与与物物质质相相互互作作用用并并产产生生能能量量或或动动量量的的交交换换过过程程中中，光光又又表表现现出出分分立立的的量量子子化化特特征征，并并可可以以用用爱爱因因斯斯坦坦的的光光子子理理论论加加以以成成功功描描述。这就是所谓的光的述。这就是所谓的光的“波粒二象性波粒二象性”。光子的能量：光子的能量：由相对论知：由相对论知：光子的质量：光子的质量：53济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六光子的速度：光子的速度：光子的动量：光子的动量：、P 是是用用来来描描述述粒粒子子的的特特征征，、是是用用来来描描述述波波动动特特性性的的物物理理量量，普普朗朗克克常常数数h h 将将这这两两种种特特征征量量联联系起来系起来.或或光子的静止质量：光子的静止质量：（真空中）（真空中）54济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六 总结：光是什么？总结：光是什么？光既是粒子，也是波，具有波粒二象性！光既是粒子，也是波，具有波粒二象性！光既非经典粒子（无静质量和确定轨迹）也非经典光既非经典粒子（无静质量和确定轨迹）也非经典波（能量在空间连续分布）波（能量在空间连续分布）,是带有波动性的粒子，又是带有波动性的粒子，又是带有粒子性的波。是带有粒子性的波。粒子性：粒子性：a.探测时以整个粒子形式出现；探测时以整个粒子形式出现；b.有确定的能量和动量。有确定的能量和动量。波动性：波动性：a.无确定轨道；无确定轨道；b.其行为可由随时空振荡的波函数描述，且波函数遵其行为可由随时空振荡的波函数描述，且波函数遵从叠加原理。从叠加原理。55济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六粒子论粒子论波动论波动论波粒二象性波粒二象性光是一种特殊的物质形态，具有波粒二象性。它既光是一种特殊的物质形态，具有波粒二象性。它既是具有波动性的粒子流，又是具有粒子性的电磁波。是具有波动性的粒子流，又是具有粒子性的电磁波。56济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六了解黑体辐射及其实验规律；了解黑体辐射及其实验规律；了解普朗克假设；了解普朗克假设；了解光电效应的实验现象及规律。深刻理解和掌握了解光电效应的实验现象及规律。深刻理解和掌握光的波粒二象性。光的波粒二象性。本章作为了解和掌握的内容为本章作为了解和掌握的内容为57济南大学物理学院济南大学物理学院光学课件目录光学课件目录2024/4/6 周六周六济南大学物理学院济南大学物理学院普物教研室普物教研室