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1、光的量子性 现在学习的是第1页，共24页现在学习的是第2页，共24页1.1.理解光电效应和康普顿效应的实验规律，以及爱理解光电效应和康普顿效应的实验规律，以及爱因斯坦的光子理论对这些效应的解释。因斯坦的光子理论对这些效应的解释。2.2.理解光的波粒二象性。理解光的波粒二象性。现在学习的是第3页，共24页一一. .热辐射热辐射 任何固体或液体在任何温度下都不断辐射各种波长任何固体或液体在任何温度下都不断辐射各种波长的电磁波，这种与温度有关的辐射称为的电磁波，这种与温度有关的辐射称为热辐射热辐射。太阳表面辐射太阳表面辐射现在学习的是第4页，共24页 绝对黑体绝对黑体 在任何温度下对在任何温度下对任
2、何入射辐射能都全部吸收而任何入射辐射能都全部吸收而不反射的物体。不反射的物体。二二. 绝对黑体的辐射绝对黑体的辐射 物体吸收的辐射能恰等于发射的辐射能时，它物体吸收的辐射能恰等于发射的辐射能时，它的温度将维持不变，称为的温度将维持不变，称为平衡热辐射平衡热辐射。研究辐射规。研究辐射规律时，讨论的都是律时，讨论的都是平衡热辐射。平衡热辐射。 单色辐射强度单色辐射强度 单位时间内从物体表单位时间内从物体表面单位面积上发射出来的、波长在面单位面积上发射出来的、波长在 附近附近单位波单位波长间隔内的辐射能。长间隔内的辐射能。) ,(Te 带小孔的空腔可视为绝对黑体带小孔的空腔可视为绝对黑体现在学习的是
3、第5页，共24页 绝对黑体的绝对黑体的单色辐射强度单色辐射强度与与 的关系曲线的关系曲线可见光可见光),(Te 红外光红外光紫外光紫外光 十九世纪许多物理学家从经典物理学概念推求十九世纪许多物理学家从经典物理学概念推求以上规律，所得公式在紫外部分与实验不符，称为以上规律，所得公式在紫外部分与实验不符，称为黑体黑体辐射问题的紫外灾难辐射问题的紫外灾难。现在学习的是第6页，共24页 1900 1900年，普朗克提出了年，普朗克提出了能量量子化假设能量量子化假设，把黑体看，把黑体看成是由能量只能取离散的不连续值的许多谐振子组成是由能量只能取离散的不连续值的许多谐振子组成的。频率为成的。频率为 的的谐
4、振子的最小能量为谐振子的最小能量为 nhEn 三三. 普朗克量子假设普朗克量子假设112),(520 kThcehcTesJ 1063. 634 h h 谐振子的能量谐振子的能量是最小能量的整数倍是最小能量的整数倍导出黑体辐射的普朗克公式导出黑体辐射的普朗克公式普朗克常量普朗克常量现在学习的是第7页，共24页 普朗克量子假设与经典理论不相容，普朗克量子假设与经典理论不相容，是一个革命性的概是一个革命性的概念，打破几百年来人们奉行的自然界连续变化的看法，圆满念，打破几百年来人们奉行的自然界连续变化的看法，圆满地解释了热辐射现象，并成为现代量子理论的开端，带来物地解释了热辐射现象，并成为现代量子理
5、论的开端，带来物理学的一次巨大变革。理学的一次巨大变革。普朗克公普朗克公式曲线式曲线经典理经典理论曲线论曲线实验结果实验结果 普朗克量子普朗克量子假设给出了与实假设给出了与实验符合很好的结验符合很好的结果果现在学习的是第8页，共24页一一. .光电效应的实验规律光电效应的实验规律光电效应实验装置光电效应实验装置入射光入射光光电流光电流阴极阴极阳极阳极 1. 单位时间内从金属阴极单位时间内从金属阴极逸出的电子数与入射光强成逸出的电子数与入射光强成正比；正比； 2. 如果入射光的频率小于如果入射光的频率小于金属的红限频率时，不论光金属的红限频率时，不论光多强都不能产生光电效应；多强都不能产生光电效
6、应；现在学习的是第9页，共24页红限频率红限频率 4. 从从光开始照射到电子从金属逸出，经过时间不超过光开始照射到电子从金属逸出，经过时间不超过10-9 s s，且与入射光强度无关。，且与入射光强度无关。 3. 光电子的最大初动能随入射光频率线性增加，光电子的最大初动能随入射光频率线性增加，与入射光的强度无关；与入射光的强度无关；光电流的伏安特性曲线光电流的伏安特性曲线U0U 01sIs2II光强高光强高光强低光强低遏止电压与频率的关系曲线遏止电压与频率的关系曲线现在学习的是第10页，共24页 光的电磁波说不能解释光电效应实验规律光的电磁波说不能解释光电效应实验规律 3. 3.不应该存在红限频
7、率不应该存在红限频率 。0v 1. 1.金属中电子从光波中吸取能量，当能量积累超过逸金属中电子从光波中吸取能量，当能量积累超过逸出功后才能从金属中逸出成为光电子，入射光越弱，能出功后才能从金属中逸出成为光电子，入射光越弱，能量积累时间越长，光电效应不会在瞬间发生。量积累时间越长，光电效应不会在瞬间发生。 2. 2.光波中电振动使金属内电子作受迫振动，电子受迫光波中电振动使金属内电子作受迫振动，电子受迫振动平均动能与入射光强成正比，光强越大，光电子的振动平均动能与入射光强成正比，光强越大，光电子的初动能也越大，而与入射光的频率无关。初动能也越大，而与入射光的频率无关。这些都与光电效应实验规律相背
8、离这些都与光电效应实验规律相背离现在学习的是第11页，共24页二二. .爱因斯坦的光子假设及对爱因斯坦的光子假设及对光电效应的解释光电效应的解释 爱因斯坦（爱因斯坦（1905年）年）在在普朗克的量子假设基础上普朗克的量子假设基础上提出：辐射能不仅在发射和吸收时是一份一份的，在提出：辐射能不仅在发射和吸收时是一份一份的，在传播过程中，也保留一份一份的性质。传播过程中，也保留一份一份的性质。 光是由一个个的、以光速运动的光是由一个个的、以光速运动的光子光子组成的粒子流组成的粒子流，频率为，频率为 的一个的一个光子光子的能量为的能量为 hE sJ 1063. 634 h普朗克常量普朗克常量 单位时间
9、投射到金属板单位面积上的光子数为单位时间投射到金属板单位面积上的光子数为N ，则入射光的强度，则入射光的强度为为 NhS 现在学习的是第12页，共24页Wmh 2m21v 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 爱因斯坦的光子假设对爱因斯坦的光子假设对光电效应的解释光电效应的解释电子吸收一个光子的能量电子吸收一个光子的能量 = = 电子的最大初动能电子的最大初动能 + 逸出功逸出功 1. 入射光强度入射光强度 S 与光子数与光子数 N成正比，光强越大，单位时成正比，光强越大，单位时间投射到阴极单位面积的光子越多，产生的光电子越多，则间投射到阴极单位面积的光子越多，产生的光电子越多，则饱和光电
10、流与入射光强成正比。饱和光电流与入射光强成正比。 2. 光电子的最大初动能随入射光频率线性增加，与光电子的最大初动能随入射光频率线性增加，与入射入射光的强度无关。光的强度无关。现在学习的是第13页，共24页 3. 对于每一种金属，因对于每一种金属，因 ，必须有，必须有即即（光电效应的红限频率）（光电效应的红限频率） 4. 电子一次吸收一个光子，不需要任何积累时间。电子一次吸收一个光子，不需要任何积累时间。 爱因斯坦的光子假设圆满地解释了光电效应，并爱因斯坦的光子假设圆满地解释了光电效应，并说明了光具有粒子性。说明了光具有粒子性。 美国物理学家密立根（美国物理学家密立根（R. A. Milika
11、n ）花了近十年时）花了近十年时间从实验上证实了爱因斯坦光电效应方程，并算出了普朗间从实验上证实了爱因斯坦光电效应方程，并算出了普朗克常数。克常数。Wh 0 212mvm0 hW现在学习的是第14页，共24页例题例题20-1 逸出功为逸出功为2.21eV的钾被波长为的钾被波长为250nm、强度为、强度为 2W/m2 的紫外光照射，求的紫外光照射，求(1)发射的电子的最大动能，发射的电子的最大动能，(2) 单位面积每秒发射的最大电子数。单位面积每秒发射的最大电子数。 解解 (1)应用应用爱因斯坦方程，最大初动能为爱因斯坦方程，最大初动能为eV 76. 2212m Whcm v(2) 单个光子具有
12、的能量为单个光子具有的能量为J 107.95J 101.64.97eV 97. 4-19-19 hc钾表面单位面积每秒接受的光子数即所求电子数钾表面单位面积每秒接受的光子数即所求电子数s)/(m102.52 s)/(m107.9522182-19 n现在学习的是第15页，共24页三三. 光子的能量和动量与频率和波长之间的关系光子的能量和动量与频率和波长之间的关系 hE hchp mccEp 即即光子能量光子能量为为光子光子动量动量表明光具有表明光具有波波粒粒二象性二象性。描述粒子性物理量描述粒子性物理量pE ,描述波动性物理量描述波动性物理量 ,h现在学习的是第16页，共24页四四. 光电效应
13、的应用光电效应的应用航天器的太阳能电池板航天器的太阳能电池板光电控制的路灯系统光电控制的路灯系统现在学习的是第17页，共24页X-射线管射线管散射光散射光入射光方向入射光方向 光谱仪光谱仪光谱仪光谱仪一一. .康普顿效应实验结果康普顿效应实验结果散射光中出现波长增大的成分散射光中出现波长增大的成分现在学习的是第18页，共24页 1. 在散射角相同的情况下，在散射角相同的情况下，波长的改变量与散射物质无波长的改变量与散射物质无关；关；0 实验证明：实验证明：2sin22C m1043. 212C 康普顿波长康普顿波长经典理论不能解释经典理论不能解释康普顿效应康普顿效应 按照光的波动理论，当光通过
14、物质时，使电按照光的波动理论，当光通过物质时，使电子作受迫振动，振动频率与入射光相同，并向各子作受迫振动，振动频率与入射光相同，并向各方向辐射同频率的电磁波。方向辐射同频率的电磁波。 2. 波长的改变量波长的改变量 与散射角的关系为与散射角的关系为现在学习的是第19页，共24页二二. 康普顿效应的解释康普顿效应的解释 1922年康普顿接受了爱因斯坦的光量子理论，将年康普顿接受了爱因斯坦的光量子理论，将X-射射线与物质的散射看成是光子与原子中的电子的碰撞，很好线与物质的散射看成是光子与原子中的电子的碰撞，很好地解释了康普顿效应。地解释了康普顿效应。X-射线光子与原子中的电子的碰撞可分为两类：射线
15、光子与原子中的电子的碰撞可分为两类： 1. 光子（能量光子（能量104eV）与原子中外层电子（束缚）与原子中外层电子（束缚能约几个能约几个eV）的碰撞，视为与自由电子的碰撞；）的碰撞，视为与自由电子的碰撞； 2. 光子（能量光子（能量104eV）与原子中内层电子（束缚能）与原子中内层电子（束缚能大）的碰撞，视为与整个原子的碰撞。大）的碰撞，视为与整个原子的碰撞。现在学习的是第20页，共24页1. 光子与原子中外层电子的碰撞光子与原子中外层电子的碰撞碰前碰前光子光子电子电子能量能量0hv20cm动量动量chv00碰后碰后能量能量hv2mc动量动量chvvme0mchv0 xy光子光子vm exy
16、chv现在学习的是第21页，共24页00, cc m10426. 2120C cmh 与实验非常吻合！与实验非常吻合！能量守恒：能量守恒：2200mchvcmhv 动量守恒：动量守恒：x 方向方向 coscos0vmchvchv y 方向方向 sinsin0vmchv 解得解得2sin2)cos1(2000 cmhcmh 因因现在学习的是第22页，共24页2. 光子与原子中内层电子的碰撞光子与原子中内层电子的碰撞02sin220 Mch 波长不变的散射光来自光子与整个原子（内层电子）波长不变的散射光来自光子与整个原子（内层电子）的碰撞；的碰撞； 波长变长的散射光来自光子与原子外层电子的碰波长变
17、长的散射光来自光子与原子外层电子的碰撞。撞。光量子理论对康普顿效应的解释：光量子理论对康普顿效应的解释： 以上推理过程还说明：以上推理过程还说明：能量守恒定律和动量守恒定律能量守恒定律和动量守恒定律适用于微观粒子适用于微观粒子。现在学习的是第23页，共24页康普顿效应的重要意义：康普顿效应的重要意义：1. 证实证实X-射线具有粒子性；射线具有粒子性；2. 证实了微观粒子的相互作用过程中证实了微观粒子的相互作用过程中, ,也严格遵也严格遵守能量守恒定律和动量守恒定律；守能量守恒定律和动量守恒定律；3. 证实了爱因斯坦的相对论有关公式：证实了爱因斯坦的相对论有关公式：cE 光光子子动动量量4. 促进了量子力学的建立。促进了量子力学的建立。现在学习的是第24页，共24页