第7章光的量子性精选PPT.ppt

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1、第7章光的量子性第1页，本讲稿共60页7-1 光速的测定、相速和群速光速的测定、相速和群速7-2 经典辐射定律经典辐射定律7-6 康普顿效应康普顿效应7-3 普朗克辐射公式普朗克辐射公式 能量子能量子7-4 光电效应光电效应7-5 爱因斯坦的量子解释爱因斯坦的量子解释7-7 德布罗意波德布罗意波7-8 波粒二象性波粒二象性第2页，本讲稿共60页从经典物理到现代物理概述从经典物理到现代物理概述 物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学物理学经典物理经典物理现代物理现代物理力学力学热学热学电磁学电磁学光学光学相对论相对论量子论量子论非线性非线性时间时间 t关关键键概概

2、念念的的发发展展力学力学电磁学电磁学热学热学相对论相对论量子论量子论1600 1700 1800 1900第3页，本讲稿共60页近年来的发展：近年来的发展：*粒子物理粒子物理 高能加速器产生新粒子，已发现高能加速器产生新粒子，已发现300种。种。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。*天体物理天体物理 运用物理学实验方法和理论运用物理学实验方法和理论,对宇宙各种星球对宇宙各种星球进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。经典、量子、广义

3、相对论、等离子体物理和粒子物理。*太阳中微子短缺问题太阳中微子短缺问题*引力波存在的问题引力波存在的问题*物体的速度能否超过光速的问题物体的速度能否超过光速的问题*生物物理有机体遗传程序的研究生物物理有机体遗传程序的研究 *有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计 物理、物理、X射线、电子能谱射线、电子能谱 和核磁共振和核磁共振技术等）。技术等）。*非平衡热力学及统计物理非平衡热力学及统计物理 第4页，本讲稿共60页物理学发展的总趋向：物理学发展的总趋向：*学科之间的大综合。学科之间的大综合。*相互渗透结合成边缘学科。相互渗透结合成边缘学科。生物物理

4、、生物化学、物理化学、量子化学生物物理、生物化学、物理化学、量子化学量子电子学、量子电子学、量子统计力学、量子统计力学、固体量子论。固体量子论。二十世纪物理学中两个重要的概念：二十世纪物理学中两个重要的概念：场和对称性场和对称性 从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出 光电效应光电效应 康普顿效应。康普顿效应。黑体辐射问题，即所谓黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难紫外灾难”。原子的稳定性和大小。原子的稳定性和大小。第5页，本讲稿共60页7-2 经典辐射定律经典辐射定律 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁固体或液体，在任何温度

5、下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征仅与温度有关。的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征仅与温度有关。固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化1400K800K1000K1200K一、热辐射、基尔霍夫定律一、热辐射、基尔霍夫定律一、热辐射、基尔霍夫定律一、热辐射、基尔霍夫定律第6页，本讲稿共60页1、热辐射、热辐射热辐射体中原子和分子不发生运动状态变化；热辐射体中原子和分子不发生运动状态变化；热辐射能量来自物体的热运动；热辐射能量来自物体的热运动；在任何温度下（

6、不是绝对零度）辐射连续光谱。在任何温度下（不是绝对零度）辐射连续光谱。发射本领和吸收本领发射本领和吸收本领 发射本领（单色辐射出射度）：发射本领（单色辐射出射度）：是用来描述辐射物体发射能量的能力的物理量。是用来描述辐射物体发射能量的能力的物理量。第7页，本讲稿共60页 (1)(1)单色辐射出射度单色辐射出射度单色辐出度：单色辐出度：温度为温度为T的热辐射体，的热辐射体，单位时间内从物体单位面积向各个单位时间内从物体单位面积向各个方向发射的、频率在方向发射的、频率在+范围的能量为范围的能量为:叫做物体在温度为叫做物体在温度为T时，发射频率为时，发射频率为的的单色辐射出射度。单色辐射出射度。其中

7、，第8页，本讲稿共60页 (2)(2)辐射出射度辐射出射度(简称辐出度简称辐出度简称辐出度简称辐出度)M)MO O(T):(T):(T):(T):温度为温度为温度为温度为T T T T的热辐射体的热辐射体的热辐射体的热辐射体,单位时单位时单位时单位时间间间间单位单位单位单位面积面积面积面积,向向向向2 2 2 2 立体角辐射出立体角辐射出立体角辐射出立体角辐射出的所有波长的能量的所有波长的能量的所有波长的能量的所有波长的能量.第9页，本讲稿共60页(3)(3)吸收本领吸收本领 A(,T):A(,T):A(,T):A(,T):入射到物体上的辐射通量入射到物体上的辐射通量入射到物体上的辐射通量入射

8、到物体上的辐射通量 ,一部分被物体一部分被物体一部分被物体一部分被物体散射或反射散射或反射散射或反射散射或反射(对透明物体对透明物体对透明物体对透明物体,还会有一部分透射还会有一部分透射还会有一部分透射还会有一部分透射),),),),其余的为物体所吸收其余的为物体所吸收其余的为物体所吸收其余的为物体所吸收.吸收本领定义为吸收本领定义为吸收本领定义为吸收本领定义为:吸收吸收吸收吸收 入射入射入射入射第10页，本讲稿共60页(4)(4)(4)(4)基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律:物物物物体体体体的的的的单单单单色色色色辐辐辐辐出出出出度度度度和和和和吸吸吸吸收收收收本本本本领领领

9、领的的的的比比比比值值值值与与与与物物物物体体体体性性性性质质质质无无无无关关关关。对对对对于于于于所所所所有有有有物物物物体体体体，这这这这个个个个比比比比值值值值是是是是波长和温度的函数，可表示为波长和温度的函数，可表示为波长和温度的函数，可表示为波长和温度的函数，可表示为:是与物体性质无关的普适函数是与物体性质无关的普适函数是与物体性质无关的普适函数是与物体性质无关的普适函数.上式是基尔霍夫定律的数学表达式。上式是基尔霍夫定律的数学表达式。上式是基尔霍夫定律的数学表达式。上式是基尔霍夫定律的数学表达式。第11页，本讲稿共60页2.2.2.2.黑体辐射黑体辐射 黑体辐射定律黑体辐射定律能够

10、在任何温度下全部吸收任何波长的辐射的物体能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射的物体能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射的物体能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射的物体称称称称绝对黑体绝对黑体绝对黑体绝对黑体，简称，简称，简称，简称黑体黑体黑体黑体.参见下图！参见下图！参见下图！参见下图！(1)(1)(1)(1)黑体黑体黑体黑体由基尔霍夫定律，对黑体也应有由基尔霍夫定律，对黑体也应有由基尔霍夫定律，对黑体也应有由基尔霍夫定律，对黑体也应有:第12页，本讲稿共60页 能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体称能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体称为为绝对黑体绝对黑体。简称黑体。简

11、称黑体 不透明的材料制成带小孔的的空腔不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作可近似看作黑体黑体。在相同的温度下，黑体的吸收本领最大，因而辐射本在相同的温度下，黑体的吸收本领最大，因而辐射本领也最大。领也最大。研究黑体辐射的规律是研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基了解一般物体热辐射性质的基础。因为黑体的单色幅出度仅础。因为黑体的单色幅出度仅与波长和温度有关，与材料，与波长和温度有关，与材料，表面情况无关。它反映了辐射表面情况无关。它反映了辐射本身的规律。本身的规律。黑体模型黑体模型第13页，本讲稿共60页所以有所以有所以有所以有:黑体辐射的单色辐出度与物体黑体辐射的单色辐出度与物

12、体黑体辐射的单色辐出度与物体黑体辐射的单色辐出度与物体热辐射普适函数有相同的形式。热辐射普适函数有相同的形式。热辐射普适函数有相同的形式。热辐射普适函数有相同的形式。人们研究热辐射，需要找出这个普适函数的人们研究热辐射，需要找出这个普适函数的人们研究热辐射，需要找出这个普适函数的人们研究热辐射，需要找出这个普适函数的数学形式。研究黑体辐射，就是寻找普适函数的数学形式。研究黑体辐射，就是寻找普适函数的数学形式。研究黑体辐射，就是寻找普适函数的数学形式。研究黑体辐射，就是寻找普适函数的一个有效途径。一个有效途径。一个有效途径。一个有效途径。第14页，本讲稿共60页T热电偶热电偶平行光管平行光管绝对

13、黑体绝对黑体三棱镜三棱镜二二 黑体的经典辐射定律黑体的经典辐射定律测定黑体辐出度按波长分布实验的测定黑体辐出度按波长分布实验的实验装置图实验装置图第15页，本讲稿共60页1700K1500K1300K1100K0 1 2 3 4 5 绝对黑体的辐出度按波长分布曲线绝对黑体的辐出度按波长分布曲线 实验曲线实验曲线第16页，本讲稿共60页由实验及理论都可以得到由实验及理论都可以得到斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律（1）斯忒藩（）斯忒藩（）斯忒藩（）斯忒藩（Stefan)Stefan)玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律曲线下的面积等于绝对黑体在一曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下的辐射出射度定温度下的辐

14、射出射度即：即：斯忒藩常数斯忒藩常数第17页，本讲稿共60页维恩位移定律维恩位移定律:维恩位移定律指出维恩位移定律指出：当绝对黑体的温度升高时，：当绝对黑体的温度升高时，单单色辐出度色辐出度最大值最大值向短波方向移动。向短波方向移动。（2 2）维恩（）维恩（）维恩（）维恩（Wien)位移定律位移定律位移定律位移定律最大值所对应的波长为最大值所对应的波长为峰值波长峰值波长第18页，本讲稿共60页1400 K物体辐射总能量及能量按波长分布决定于温度物体辐射总能量及能量按波长分布决定于温度800 K1000 K1200 K固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化例子：低温火炉辐射能集中在

15、红光。例子：低温火炉辐射能集中在红光。高温物体辐射能集中在绿、蓝色。高温物体辐射能集中在绿、蓝色。应用：光测高温计，测量发电厂炉内温度。应用：光测高温计，测量发电厂炉内温度。炉火纯青炉火纯青第19页，本讲稿共60页 例例 假设太阳表面的特性和黑体等效，测得太阳假设太阳表面的特性和黑体等效，测得太阳表面单色辐出度的最大值所对应的波长为表面单色辐出度的最大值所对应的波长为465nm。试估计太阳表面的温度和单位面积上的辐射功率试估计太阳表面的温度和单位面积上的辐射功率解解：第20页，本讲稿共60页1 1 1 1、维恩经验公式、维恩经验公式:问题：问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式如何从理论上

16、找到符合实验曲线的函数式？这个公式与实验曲线短波长处符合得很好，但这个公式与实验曲线短波长处符合得很好，但在波长很长处与实验曲线相差较大。在波长很长处与实验曲线相差较大。7-3 普朗克辐射公式普朗克辐射公式 能量子能量子第21页，本讲稿共60页2 2 2 2、瑞利、瑞利、瑞利、瑞利-金斯经验公式金斯经验公式金斯经验公式金斯经验公式:这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近，这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近，但在短波区，按此公式，但在短波区，按此公式，将随波长趋向将随波长趋向 于零而趋向无穷大的荒谬结果，即于零而趋向无穷大的荒谬结果，即“紫外灾难紫外灾难”。第22页，本讲稿共60页o实验值/

17、m维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线12345678第23页，本讲稿共60页 维恩公式和瑞利维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实验是物理学晴朗天空中验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。一朵令人不安的乌云。为了解决上述困难，普朗克提出了一个著名的为了解决上述困难，普朗克提出了一个著名的能量子假能量子假设设。普朗克的量子假说普朗克的量子假说 普朗克公式普朗克公式

18、第24页，本讲稿共60页 普朗克在能量子假说的基础上，普朗克在能量子假说的基础上，利用内插利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公式衔接起来，金斯公式衔接起来，提出并确立了一个新的公式：提出并确立了一个新的公式：普朗克常数普朗克常数 ！这一公式称为这一公式称为普朗克公式。普朗克公式。它与实验结果它与实验结果符合得好符合得好 ！参见上图。参见上图。第25页，本讲稿共60页普朗克公式还可以用频率表示为：普朗克公式还可以用频率表示为：普朗克得到上述公式后意识到，如果仅仅是一个普朗克得到上述公式后意识到，如果仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式，

19、其价值只能是有限的。必侥幸揣测出来的内插公式，其价值只能是有限的。必须寻找这个公式的理论根据。他经过深入研究后发现：须寻找这个公式的理论根据。他经过深入研究后发现：必须使谐振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克必须使谐振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。公式。第26页，本讲稿共60页能量子假说：能量子假说：1.1.辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。以发射和吸收辐射能。2.2.这些谐振子的能量不能连续变化（象经典物理学所允许这些谐振子的能量不能连续变化（象经典物理学所允许的可具有任意值）。只能取一些分立

20、值，这些分立值是某的可具有任意值）。只能取一些分立值，这些分立值是某一最小能量一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：称为能量子）的整数倍，即：1,2,1,2,3,.3,.n n。n n为正整数为正整数,称为称为量子数。量子数。频率为频率为的谐振子最小能量为：的谐振子最小能量为：能量能量量子量子经典经典第27页，本讲稿共60页 振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体的单色辐出度，即普朗和经典电动力学理论，得到黑体的单色辐

21、出度，即普朗克公式克公式。能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能量子，理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论作出了卓越贡献，获对建立量子理论作出了卓越贡献，获19181918年诺贝尔年诺贝尔物理学奖。物理学奖。第28页，本讲稿共60页光光电电效效应应 当当波波长长较较短短的的可可见见光光或或紫紫外外光光照照射射到到某某些些金金属属表表面面上上时时,金金属属中中的的电电子子就就会会从从光光中中吸吸取取能能量量而

22、而从从金金属属表表面面逸逸出出的现象。的现象。1.1.1.1.光电效应的实验规律光电效应的实验规律光电效应的实验规律光电效应的实验规律入射光线入射光线OOOOOOVGAKBOO光电效应实验装置光电效应实验装置 金金属属板板释释放放的的电电子子称称为为光光电电子子,光光电电子子在在电电场场作作用用下下在在回路中形成光电流。回路中形成光电流。7-4 光电效应光电效应 爱因斯坦光量子理论爱因斯坦光量子理论第29页，本讲稿共60页结论结论1 1：单位时间单位时间内，受光照的金属内，受光照的金属板释放出来的板释放出来的光电光电子数和入射光的强度子数和入射光的强度成正比。成正比。(1)1)饱和电流饱和电流

23、 实验表明：实验表明：在一定强度的单色光照在一定强度的单色光照射下射下,光电流随加速电势差的增加而增大光电流随加速电势差的增加而增大,但当加速但当加速电势差增加到一定量值时电势差增加到一定量值时,光电流达饱和值光电流达饱和值 ，如，如果再增加光的强度，果再增加光的强度，相应的相应的 也增大。也增大。光强较弱光强较弱光强较强光强较强光电效应的伏安特性曲线光电效应的伏安特性曲线第30页，本讲稿共60页（2 2）遏止电势差）遏止电势差 如果使负的电势差足够大，从如果使负的电势差足够大，从 而而使使由由金金属属板板表表面面释释放放出出的的具具有有最最大大速速度度的的电电子子也也不不能能到到达达阳阳极极

24、时时，光光电电流流便便降降为为零零，此此外外加加电电势差的绝对值势差的绝对值 叫叫遏止电势差遏止电势差。实验表明：遏止电势差与光强度无关。参见下图实验表明：遏止电势差与光强度无关。参见下图！结论结论2 2：光电子从金属表面逸出时具有一定的动能，光电子从金属表面逸出时具有一定的动能，最大初动能与入射光的强度无关。最大初动能与入射光的强度无关。第31页，本讲稿共60页截止电压与入射光强度无关截止电压与入射光强度无关截止电压与入射光强度无关截止电压与入射光强度无关.第32页，本讲稿共60页遏止电势差与频率的关系遏止电势差与频率的关系（3）遏止频率）遏止频率（又称红限）（又称红限）实验表明：当光频率实

25、验表明：当光频率小于某最小值小于某最小值 时，无光电子逸出。称此频率为时，无光电子逸出。称此频率为该金属的光电效应截止频率。遏止电势差该金属的光电效应截止频率。遏止电势差 和入和入射光的频率之间具有线性关系：射光的频率之间具有线性关系：，K 是图线的斜率；第33页，本讲稿共60页实实实实验验验验证证证证明明明明截截截截止止止止电电电电压压压压(或或或或光光光光电电电电子子子子初初初初始始始始动动动动能能能能)与入射光的频率有关与入射光的频率有关与入射光的频率有关与入射光的频率有关.第34页，本讲稿共60页 为不随金属性质不同而改变的普适恒量为不随金属性质不同而改变的普适恒量 这说明，最大初动能

26、随入射光的频率线性地增这说明，最大初动能随入射光的频率线性地增加，要使光所照射的金属释放电子，加，要使光所照射的金属释放电子，入射光的入射光的频率必须满足：频率必须满足：称为光电效应的红限（遏止频率）称为光电效应的红限（遏止频率）第35页，本讲稿共60页（4 4）弛豫时间）弛豫时间 实验表明，从入射光实验表明，从入射光开始照射直到金属释放出电子，无论光开始照射直到金属释放出电子，无论光的强度如何，这段时间很短，不会超过的强度如何，这段时间很短，不会超过 。结论结论 3 3：光电子从金属表面逸出时的最光电子从金属表面逸出时的最大初始动能与入射光的频率成线性关系大初始动能与入射光的频率成线性关系.

27、当入射光的频率小于当入射光的频率小于 时，不管照射时，不管照射光的强度多大、照射时间有多长，也不光的强度多大、照射时间有多长，也不会产生光电效应。会产生光电效应。第36页，本讲稿共60页q 按照光的波动说，光电子的初动能应决定于按照光的波动说，光电子的初动能应决定于 入射光的光强，即决定于光的振幅而不决定入射光的光强，即决定于光的振幅而不决定 于光的频率。于光的频率。2.2.2.2.光的波动说的缺陷光的波动说的缺陷光的波动说的缺陷光的波动说的缺陷q 无法解释红限的存在。无法解释红限的存在。q 无法解释光电效应的产生几乎无须时间积累。无法解释光电效应的产生几乎无须时间积累。第37页，本讲稿共60

28、页3.3.3.3.爱因斯坦的光子理论爱因斯坦的光子理论爱因斯坦的光子理论爱因斯坦的光子理论 爱因斯坦从普朗克的能量子假设中得到启发,他假定光在空间传播时,也具有粒子性,想象一束光是一束以 运动的粒子流,这些粒子称为光量子,现在称为光子,每一光子的 能量为 ,光的能流密度决定于单位时间内通过该单位面积的光子数。根据光子理论,光电效应可解释如下:当金属中一个自由电子从入射光中吸收一个光子后,就获得能量 ,如果 大于电子从金属表面逸出时所需的逸出功 ,这个电子就会从金属中逸出。第38页，本讲稿共60页爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦对光电效应的解释：爱因斯坦对光电效应的解释：v入

29、射的光波强度大，光子数多，释放的光电子入射的光波强度大，光子数多，释放的光电子 也多，所以产生的光电流也就大。也多，所以产生的光电流也就大。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。第39页，本讲稿共60页v 从方程可以看出光电子初动能和照射从方程可以看出光电子初动能和照射 光的频率成线性关系。与实验方程比较光的频率成线性关系。与实验方程比较 可得普适恒量可得普适恒量 K 的值。的值。第40页，本讲稿共60页由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律应的实

30、验规律,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。v 从光电效应方程中，当初动能为零时，从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到红限频率：可得到红限频率：第41页，本讲稿共60页 例例 波长波长=4.010=4.010-7-7m m 单色光照射到金属铯上，单色光照射到金属铯上，求铯所释放的光电子最大初速度。求铯所释放的光电子最大初速度。利用关系式利用关系式:代入已知数据得到代入已知数据得到:解：解：铯原子红限频率铯原子红限频率 =4.810 =4.81014 14 HzHz，根据爱根据爱 因斯坦光电效应方程，光电子最大初动能：因斯坦光电效应方程，光电子最大初动能：第42页，本讲

31、稿共60页 例例 在光电效应实验中，测得金属得截止电压和入射光的在光电效应实验中，测得金属得截止电压和入射光的 频率对应数据如下频率对应数据如下:试用作图法求：试用作图法求：1.该金该金 属光电效应的红线频率属光电效应的红线频率 2.普朗克常量普朗克常量2.由图求得直线的斜率:第43页，本讲稿共60页光电管光电管5.5.5.5.光电效应的应用光电效应的应用光电效应的应用光电效应的应用光电倍增管光电倍增管第44页，本讲稿共60页解：解：(1)(1)按照经典电磁理论按照经典电磁理论,照射到离光源照射到离光源d d处的半径为处的半径为r r圆面圆面 积内的功率是：积内的功率是：例题例题 有一功率有一

32、功率P=1WP=1W的点光源的点光源,d=3md=3m处有一钾薄片处有一钾薄片.假定钾薄假定钾薄片中的电子可以在半径片中的电子可以在半径r=0.510r=0.510-10-10m m的圆面积范围内收集能量的圆面积范围内收集能量,已知钾的逸出功为已知钾的逸出功为W=1.8eV,(1)W=1.8eV,(1)按照经典电磁理论按照经典电磁理论,计算电子从计算电子从照射到逸出需要多长时间照射到逸出需要多长时间;(2);(2)如果光源发出波长为如果光源发出波长为 的单色光的单色光,根据光子理论根据光子理论,求每单位时间打到钾片单位面积上有求每单位时间打到钾片单位面积上有多少光子？多少光子？假定这些能量全部

33、被电子所吸收假定这些能量全部被电子所吸收,那么可以计算出光开始那么可以计算出光开始 照射到电子逸出表面所需的时间为：照射到电子逸出表面所需的时间为：第45页，本讲稿共60页单位时间打在距光源单位时间打在距光源3m的钾片单位面积上的能量为的钾片单位面积上的能量为:(2)按照光子理论按照光子理论,第46页，本讲稿共60页4.4.康普顿散射实验装置康普顿散射实验装置第47页，本讲稿共60页钼谱线钼谱线钼谱线钼谱线散射物质散射物质散射物质散射物质石墨石墨石墨石墨5.5.实验规律：实验规律：散散散散射射射射光光光光中中中中除除除除有有有有原原原原波波波波长长长长成成成成分分分分外外外外，还出现了还出现了

34、还出现了还出现了0 0 的谱线的谱线的谱线的谱线0 0随随随随 增增增增加加加加而而而而增增增增加加加加;的强度随的强度随的强度随的强度随 增加而增加增加而增加增加而增加增加而增加.(1)(1)(1)(1)(2)(2)(2)(2)第48页，本讲稿共60页与与与与散散散散射射射射物物物物质质质质无无无无关关关关;的的谱谱谱谱线线线线的的的的强强强强度度度度随随随随散散散散射射射射物物物物质质质质原原原原子子子子序数的增加而减小序数的增加而减小序数的增加而减小序数的增加而减小;0 0的的的的谱谱谱谱线线线线强强强强度度度度随随随随散散散散射射射射物物物物质质质质原原原原子序数的增加而增加子序数的增

35、加而增加子序数的增加而增加子序数的增加而增加.按按按按照照照照经经经经典典典典理理理理论论论论,散散散散射射射射是是是是一一一一种种种种共共共共振振振振吸吸吸吸收收收收再再再再发发发发射射射射的的的的过过过过程程程程,散散散散射射射射波波波波的的的的频频频频率率率率(波波波波长长长长)应应应应与与与与入入入入射射射射波波波波相相相相同同同同.上上上上面面面面的的的的实实实实验验验验结结结结果果果果,经经经经典典典典理理理理论难以解释论难以解释论难以解释论难以解释.(3)(3)(3)(3)第49页，本讲稿共60页 康康康康普普普普顿顿顿顿假假假假设设设设:入入入入射射射射x x x x光光光光是

36、是是是光光光光子子子子流流流流,这这这这些些些些光光光光子子子子不不不不但但但但有有有有能能能能量量量量h h 0 0，而而而而且且且且有有有有动动动动量量量量 h h 0 0/c/c。光光光光的的的的散散散散射射射射过过过过程程程程是是是是光光光光子子子子与与与与原子中自由电子的原子中自由电子的原子中自由电子的原子中自由电子的完全弹性碰撞完全弹性碰撞完全弹性碰撞完全弹性碰撞过程。过程。过程。过程。电子的质量：电子的质量：电子的质量：电子的质量：碰撞过程能量守恒：碰撞过程能量守恒：碰撞过程能量守恒：碰撞过程能量守恒：碰撞过程动量守恒：碰撞过程动量守恒：碰撞过程动量守恒：碰撞过程动量守恒：第50

37、页，本讲稿共60页解上面解上面解上面解上面3 3 3 3个方程得个方程得个方程得个方程得:或这或这或这或这上式说明了上式说明了上式说明了上式说明了随散射角变化，而与散射物质无关。随散射角变化，而与散射物质无关。随散射角变化，而与散射物质无关。随散射角变化，而与散射物质无关。当当当当光光光光子子子子与与与与原原原原子子子子内内内内层层层层电电电电子子子子相相相相碰碰碰碰，由由由由于于于于内内内内层层层层电电电电子子子子束束束束缚缚缚缚的的的的较较较较紧紧紧紧，形形形形成成成成光光光光子子子子与与与与整整整整个个个个原原原原子子子子相相相相碰碰碰碰。原原原原子子子子质质质质量量量量比比比比电电电电

38、子子子子质质质质量量量量大大大大得得得得多多多多，光光光光子子子子传传传传给给给给原原原原子子子子而而而而使使使使其其其其运运运运动动动动的的的的能能能能量量量量很很很很小小小小，散散散散射射射射波波波波长长长长的的的的变变变变化化化化观观观观察察察察不不不不到到到到。这这这这就就就就是是是是散散散散射射射射光光光光中中中中总总总总有有有有入入入入射射射射光成分的原因。光成分的原因。光成分的原因。光成分的原因。原原原原子子子子序序序序数数数数越越越越大大大大，被被被被束束束束缚缚缚缚紧紧紧紧的的的的电电电电子子子子越越越越多多多多，因因因因此此此此散散散散射光中波长为射光中波长为射光中波长为射

39、光中波长为 0 0 0 0的成分强度越大。的成分强度越大。的成分强度越大。的成分强度越大。第51页，本讲稿共60页6.6.波粒二象性：波粒二象性：在在在在讨讨讨讨论论论论与与与与光光光光的的的的传传传传播播播播有有有有关关关关的的的的一一一一系系系系列列列列现现现现象象象象(光光光光的的的的干干干干涉涉涉涉、衍衍衍衍射射射射、偏偏偏偏振振振振、双双双双折折折折射射射射)中中中中，光光光光表表表表现现现现出出出出波波波波动动动动本本本本性性性性。在在在在这这这这一一一一章章章章中中中中我我我我们们们们看看看看到到到到，当当当当光光光光与与与与物物物物质质质质相相相相互互互互作作作作用用用用并并并

40、并产产产产生生生生能能能能量量量量或或或或动动动动量量量量的的的的交交交交换换换换过过过过程程程程中中中中，光光光光又又又又表表表表现现现现出出出出分分分分立立立立的的的的量量量量子子子子化化化化特特特特征征征征，并并并并可可可可以以以以用用用用爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦的的的的光光光光子子子子理理理理论论论论加加加加以以以以成成成成功功功功描描描描述述述述。这这这这就就就就是是是是所谓的光的所谓的光的所谓的光的所谓的光的“波粒二象性波粒二象性波粒二象性波粒二象性”。光子的能量光子的能量光子的能量光子的能量:由相对论：由相对论：由相对论：由相对论：光子的质量光子的质量光子的质量光子的质量

41、:第52页，本讲稿共60页光子的速度光子的速度光子的速度光子的速度:光子的动量光子的动量光子的动量光子的动量:、P是是是是用用用用来来来来描描描描述述述述粒粒粒粒子子子子的的的的特特特特征征征征，、是是是是用用用用来来来来描描描描述述述述波波波波动动动动特特特特性性性性的的的的物物物物理理理理量量量量，普普普普朗朗朗朗克克克克常常常常数数数数h h 将将将将这这这这两两两两种种种种特特特特征征征征量量量量联系起来联系起来联系起来联系起来.或或或或 物理学在微观粒子方面的研究取得很大的成就。物理学在微观粒子方面的研究取得很大的成就。物理学在微观粒子方面的研究取得很大的成就。物理学在微观粒子方面的

42、研究取得很大的成就。基本粒子有基本粒子有基本粒子有基本粒子有62626262种，分为三类：种，分为三类：种，分为三类：种，分为三类：光子的静止质量光子的静止质量光子的静止质量光子的静止质量:第53页，本讲稿共60页光子是电磁相互作用的媒介粒子光子是电磁相互作用的媒介粒子光子是电磁相互作用的媒介粒子光子是电磁相互作用的媒介粒子.第二种第二种第二种第二种:费米子费米子费米子费米子.共共共共4848种种种种.电子电子电子电子,中微子中微子中微子中微子,子子子子,子子子子,夸克夸克夸克夸克 是费米子是费米子是费米子是费米子.第三种：第三种：第三种：第三种：希格斯粒子希格斯粒子希格斯粒子希格斯粒子 光光

43、光光具具具具有有有有波波波波动动动动性性性性质质质质，但但但但它它它它又又又又与与与与实实实实物物物物粒粒粒粒子子子子一一一一样样样样，有有有有能能能能量量量量、动动动动量量量量、质质质质量量量量，因因因因此此此此，它它它它在在在在一一一一定定定定的的的的条条条条件件件件下下下下又又又又表表表表现现现现出出出出粒粒粒粒子子子子性性性性。以以以以此此此此类类类类推推推推，实实实实物物物物粒粒粒粒子子子子，如如如如电电电电子子子子、质质质质子子子子等等等等，是是是是否否否否也也也也具具具具有有有有波波波波动性呢动性呢动性呢动性呢?第一类第一类第一类第一类:规范玻色子规范玻色子规范玻色子规范玻色子.

44、有有有有13131313种种种种.光子是规范玻色子光子是规范玻色子光子是规范玻色子光子是规范玻色子.第54页，本讲稿共60页 7.7.物质波物质波德布罗意德布罗意德布罗意德布罗意:在在在在1911-19191911-19191911-19191911-1919年年年年间间间间，学学学学习习习习了了了了庞庞庞庞加加加加莱莱莱莱、洛洛洛洛仑仑仑仑兹兹兹兹、朗朗朗朗之之之之万万万万、玻玻玻玻耳耳耳耳兹兹兹兹曼曼曼曼等等等等人人人人的的的的著著著著作作作作(统统统统计计计计力力力力学学学学)，学学学学习习习习了了了了哈哈哈哈密密密密顿顿顿顿-雅雅雅雅可可可可比比比比的的的的理理理理论论论论，特特特特别

45、别别别是是是是普普普普朗朗朗朗克克克克、爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦、玻玻玻玻尔尔尔尔的的的的量子著作。量子著作。量子著作。量子著作。在在在在1924192419241924年年年年夏夏夏夏作作作作的的的的博博博博士士士士学学学学位位位位答答答答辩辩辩辩论论论论文文文文提出物质波的概念。提出物质波的概念。提出物质波的概念。提出物质波的概念。第55页，本讲稿共60页象象象象光光光光具具具具有有有有粒粒粒粒子子子子性性性性一一一一样样样样 ,实实实实物物物物粒粒粒粒子子子子,如如如如质质质质子子子子,中中中中子子子子,电电电电子等，也具有波动性子等，也具有波动性子等，也具有波动性子等，也具有波

46、动性.粒子的能量可表示为：粒子的能量可表示为：粒子的能量可表示为：粒子的能量可表示为：动量可表示为：动量可表示为：动量可表示为：动量可表示为：具有速度具有速度具有速度具有速度 的实物粒子的波长为：的实物粒子的波长为：的实物粒子的波长为：的实物粒子的波长为：叫做德布罗意波长叫做德布罗意波长叫做德布罗意波长叫做德布罗意波长.这种波称为德布罗意波这种波称为德布罗意波这种波称为德布罗意波这种波称为德布罗意波.第56页，本讲稿共60页 由由由由于于于于h h h h很很很很小小小小，对对对对宏宏宏宏观观观观物物物物体体体体来来来来说说说说，其其其其波波波波动动动动性性性性很很很很弱弱弱弱。如如如如一一一

47、一块块块块1 1 1 1克克克克质质质质量量量量的的的的石石石石子子子子以以以以一一一一米米米米/秒秒秒秒的的的的速速速速度度度度运运运运动动动动，波波波波长长长长仅仅仅仅6.66.66.66.6 10101010-31-31-31-31米米米米，根根根根本本本本测测测测不不不不出出出出。而而而而对对对对于于于于微微微微观观观观粒粒粒粒子子子子，由由由由静静静静止而被止而被止而被止而被150150150150伏高压加速的电子动能：伏高压加速的电子动能：伏高压加速的电子动能：伏高压加速的电子动能：德德德德布布布布罗罗罗罗意意意意因因因因为为为为提提提提出出出出物物物物质质质质波波波波的的的的假假

48、假假说说说说荣荣荣荣获获获获1929192919291929年年年年的的的的诺诺诺诺贝贝贝贝尔尔尔尔物物物物理理理理学学学学奖奖奖奖。1927192719271927年年年年德德德德布布布布罗罗罗罗意意意意的的的的物物物物质质质质波波波波被被被被戴戴戴戴维维维维孙孙孙孙、革革革革末以及汤姆孙所作的电子衍射实验所证实。末以及汤姆孙所作的电子衍射实验所证实。末以及汤姆孙所作的电子衍射实验所证实。末以及汤姆孙所作的电子衍射实验所证实。第57页，本讲稿共60页朗之万评价朗之万评价朗之万评价朗之万评价:除了思想的独创性外，德布罗意以非凡的除了思想的独创性外，德布罗意以非凡的除了思想的独创性外，德布罗意以

49、非凡的除了思想的独创性外，德布罗意以非凡的技巧作出努力克服阻碍物理学家的困难。技巧作出努力克服阻碍物理学家的困难。技巧作出努力克服阻碍物理学家的困难。技巧作出努力克服阻碍物理学家的困难。爱因斯坦的支持爱因斯坦的支持爱因斯坦的支持爱因斯坦的支持:德德德德布布布布罗罗罗罗意意意意的的的的物物物物质质质质波波波波开开开开始始始始并并并并没没没没有有有有受受受受到到到到物物物物理理理理学学学学界界界界的的的的重重重重视视视视。他他他他的的的的导导导导师师师师朗朗朗朗之之之之万万万万将将将将论论论论文文文文寄寄寄寄给给给给了了了了爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦。爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦向向向向

50、来来来来欣欣欣欣赏赏赏赏物物物物理理理理学学学学中中中中的的的的对对对对称称称称性性性性，而而而而德德德德布布布布罗罗罗罗意意意意的的的的理理理理论论论论正正正正是是是是建建建建立立立立了了了了这这这这种种种种光光光光和和和和物物物物质质质质的的的的对对对对称称称称性性性性。爱爱爱爱因因因因斯坦称赞道斯坦称赞道斯坦称赞道斯坦称赞道“德布罗意揭开了大幕的一角德布罗意揭开了大幕的一角德布罗意揭开了大幕的一角德布罗意揭开了大幕的一角”物理学家对德布罗意的物质波的评价：物理学家对德布罗意的物质波的评价：物理学家对德布罗意的物质波的评价：物理学家对德布罗意的物质波的评价：第58页，本讲稿共60页爱因斯坦