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1、光的粒子性1第1页，本讲稿共31页普朗克普朗克能量子解释黑体辐射；能量子解释黑体辐射；爱因斯坦爱因斯坦光量子解释光电效应；光量子解释光电效应；玻尔玻尔能级解释原子核式模型与氢光谱；能级解释原子核式模型与氢光谱；德布罗意德布罗意提出实物粒子的波粒二象性；提出实物粒子的波粒二象性；海森伯、薛定谔、玻恩、狄拉克海森伯、薛定谔、玻恩、狄拉克量子理论。量子理论。1919世纪末一系列重大的发现，揭开了近代物理世纪末一系列重大的发现，揭开了近代物理学的序幕。学的序幕。2第2页，本讲稿共31页 第一节第一节 黑体黑体(热热)辐射辐射一、热辐射现象一、热辐射现象基本性质：基本性质：温度温度 发射的能量发射的能量
2、 电磁波的短波成分电磁波的短波成分 平衡热辐射：平衡热辐射：物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量。量。实实 验：验：分子的热运动使物体辐射电磁波分子的热运动使物体辐射电磁波其能量按波其能量按波长分布，分布随温度而变化。长分布，分布随温度而变化。3第3页，本讲稿共31页从温度为从温度为T T 的物体的的物体的单位表面、单位时间内单位表面、单位时间内发出波长在发出波长在 +d 范围范围电磁波的能量为电磁波的能量为dM定义定义:单位单位:Wm-3总辐出度总辐出度M 单位面积的辐射功率。单位面积的辐射功率。同一物体，不同温度下同一物体，不同温度下 M（，T
3、)曲曲线不同线不同。温度相同的不同物体，温度相同的不同物体，M(,T)曲线也不曲线也不同。同。其单位：其单位：Wm-2曲线下面积曲线下面积1 基本概念基本概念单色辐出度单色辐出度二、二、基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律（18591859年年1212月）月）4第4页，本讲稿共31页根据能量守恒定律，对每一种根据能量守恒定律，对每一种波长都有波长都有:物体对不同波长的辐射反射、吸物体对不同波长的辐射反射、吸收能力不同。收能力不同。定义定义:单色反射率单色反射率单色吸收率单色吸收率单色反射率单色反射率r 与吸收率与吸收率a a 1 的物体称的物体称黑体黑体，它能全部吸收射到其表面的一切热，它能全部吸
4、收射到其表面的一切热辐射，它的单色辐射出射度也大。辐射，它的单色辐射出射度也大。5第5页，本讲稿共31页用用 实验证明实验证明 空腔内平衡热辐射的两个重要特性空腔内平衡热辐射的两个重要特性 寻找黑体单色辐射出射度，成为研究平衡热辐射场的台阶。寻找黑体单色辐射出射度，成为研究平衡热辐射场的台阶。2 基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律6第6页，本讲稿共31页电炉电炉1 1、斯忒番、斯忒番玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律（18741874年、年、18841884年）年）空腔空腔棱镜棱镜测得不同频率测得不同频率的辐射功率的辐射功率频率不同折射频率不同折射率不同，折射率不同，折射角不同。角不同。G G转动平行光管
5、转动平行光管热电偶热电偶三三 黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律7第7页，本讲稿共31页2 2、维恩位移定律、维恩位移定律 斯忒番斯忒番-玻尔兹曼定律和维恩位移定律是黑体辐射玻尔兹曼定律和维恩位移定律是黑体辐射 的的基本定律，现代广泛应用于高温测量、遥感、红外追踪等。基本定律，现代广泛应用于高温测量、遥感、红外追踪等。T T2 2T1T38第8页，本讲稿共31页 人体几乎是一个黑体。假设人体的表面积是人体几乎是一个黑体。假设人体的表面积是1.73m1.73m2 2，表面温度是，表面温度是33330 0 。求人体的辐射的总功率。求人体的辐射的总功率。例题例题13-113-1 已知在红外范围内，
6、人类的皮肤的吸收比，已知在红外范围内，人类的皮肤的吸收比，总功率：总功率：解：解：9第9页，本讲稿共31页例题：例题：先后两次测得炼钢炉测温孔（近似为黑体）辐射出射度先后两次测得炼钢炉测温孔（近似为黑体）辐射出射度的峰值波长的峰值波长 1 1m m=0.80.8 m m、2 2m m =0.40.4 m m，求：求：（1 1）相应的温度比；（相应的温度比；（2 2）相应的辐射本领之比。）相应的辐射本领之比。解：解：（1 1）根据维恩位移定律根据维恩位移定律T T1 1 1 1m m =b=b T T2 2 2 2m m =b=b （2 2）根据斯忒番）根据斯忒番-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律10第
7、10页，本讲稿共31页1919世纪末，物理学最引人注目的课题之一，即欲从理论上导出世纪末，物理学最引人注目的课题之一，即欲从理论上导出 黑体的单色辐射出射度黑体的单色辐射出射度 的数学式。的数学式。（1 1）维恩公式）维恩公式（2 2）瑞利）瑞利金斯公式金斯公式玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数四、普朗克的量子假设四、普朗克的量子假设11第11页，本讲稿共31页能量不连续，只能是 h 的整数倍。19001900年年1212月月1414日，在德国物理学会上演讲。这一天定为日，在德国物理学会上演讲。这一天定为量子力学的诞生日。量子力学的诞生日。19001900年，普朗克提出能量子年，普朗克提出能量子h h
8、h h=6.63=6.63 1010-34-34 J.s J.s 普朗克常数普朗克常数并根据玻尔兹曼统计法推出并根据玻尔兹曼统计法推出黑体辐射公式黑体辐射公式2 2）谐振子与外界发生能量交换的量子化假说）谐振子与外界发生能量交换的量子化假说1 1）谐振子能量的量子化假说）谐振子能量的量子化假说12第12页，本讲稿共31页普朗克的量子假设揭示了物质与辐射相互作用的普遍规律。他普朗克的量子假设揭示了物质与辐射相互作用的普遍规律。他比喻：比喻：能量如商店里卖啤酒，只能一瓶一瓶的摆着，也只能能量如商店里卖啤酒，只能一瓶一瓶的摆着，也只能一瓶一瓶卖出一瓶一瓶卖出。他对自己的理论忐忑不安，他对自己的理论忐
9、忑不安，“经典理论给了我们这样多有经典理论给了我们这样多有用的东西，因此，必须以最大的谨慎对待它，维护它用的东西，因此，必须以最大的谨慎对待它，维护它除非绝对必要，否则不要改变现有的理论。除非绝对必要，否则不要改变现有的理论。”1910”1910年，年，他提出发射能量不连续，吸收连续，他提出发射能量不连续，吸收连续，啤酒卖出去后就成了啤酒卖出去后就成了流体流体。19141914年，发射也连续只有相互碰撞时才不连续。年，发射也连续只有相互碰撞时才不连续。普朗克把物理带到量子论大门口，却没进去。普朗克把物理带到量子论大门口，却没进去。13第13页，本讲稿共31页18871887年年赫兹赫兹发现发现
10、紫外光紫外光带电粒子带电粒子勒纳证明勒纳证明是电子是电子!金属金属电电磁磁波波照照射射下下金金属属发发射射电电子子的的现现象象称称为为光光电电效效应应。光电效应光电效应第二节第二节 光电效应光电效应14第14页，本讲稿共31页频率不变时，单位时间逸出的光电频率不变时，单位时间逸出的光电子数与照射光强成正比。子数与照射光强成正比。I I2 2II1 1一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律饱饱和和光光电电流流I I1 1I I2 20 0V VG GK KA Ai i红限频率红限频率1.1.对一定的金属材料制成的阴极，存在一个确定的临阈频率。对一定的金属材料制成的阴极，存在一个确定的临阈频
11、率。照照射射光光强强15第15页，本讲稿共31页此外，此外，不变不变时，饱和光电流与入射光强饱和光电流与入射光强成正比，即单位时间内从从金属表面逸出成正比，即单位时间内从从金属表面逸出的电子与入射光强成正比。的电子与入射光强成正比。*光电子的初动能可用遏光电子的初动能可用遏止电压止电压 U Ua a 测量。测量。当当o o 尽管光强极弱，光电效应也会在瞬间（尽管光强极弱，光电效应也会在瞬间（t t 1010-9-9 s s）产）产生；生；当当o o即使光强再强，也不会产生光电效应。即使光强再强，也不会产生光电效应。2.2.光电子的初动能光电子的初动能与频率成线性关系，而与与频率成线性关系，而与
12、入射光的强度入射光的强度I I 无无关。关。其关系：其关系：斜率斜率K K与材料无关。与材料无关。截距截距A A与材料有关。与材料有关。(1014Hz)C Cu u7.7.5 5N Na a5.5.5 5A A3.3.光电效应具有瞬时性光电效应具有瞬时性16第16页，本讲稿共31页1.1.应该与光强有关，而不是频率。应该与光强有关，而不是频率。2.2.只要光强足够，就应产生光电效应，不应存在红限。只要光强足够，就应产生光电效应，不应存在红限。3.3.产生光电效应需要时间积累能量，尤其光强较弱时。产生光电效应需要时间积累能量，尤其光强较弱时。经典理论的困难经典理论的困难二、爱因斯坦的光量子假说（
13、二、爱因斯坦的光量子假说（19051905年）年）1.1.电磁波能量本身也是量子化的，即传播中也是量子化的。电磁波能量本身也是量子化的，即传播中也是量子化的。2.2.爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程:爱因斯坦的光量子假说爱因斯坦的光量子假说:17第17页，本讲稿共31页光子光子能量能量 E=hE=h =mc=mc2 2质量质量 m m=h h/c c2 2动量动量 p=mc=hv/c=h/p=mc=hv/c=h/红限频率红限频率 不变不变时，光强光强I=NhI=Nh I I N N i iM M 3.3.金属中，一个电子能够一次全部吸收一个光子的能量，只金属中，一个电子能够一次全部吸收
14、一个光子的能量，只要光子的能量大于金属的逸出功，则这个电子立即逸出金属表要光子的能量大于金属的逸出功，则这个电子立即逸出金属表面，而不需要时间去积累能量。面，而不需要时间去积累能量。2.2.对于同一种金属，逸出功对于同一种金属，逸出功A A是常数，初动能与入射频率成是常数，初动能与入射频率成线性关系。与光强无关。线性关系。与光强无关。1.1.若使电子逸出金属表面，光子的能量若使电子逸出金属表面，光子的能量hvhv不能小于不能小于A A。三、光子的质量与动量三、光子的质量与动量18第18页，本讲稿共31页解：解：例题：例题：光电效应实验，已知阴极材料的逸出功光电效应实验，已知阴极材料的逸出功A
15、A，照射光的频，照射光的频率率 o o ，求，求（1 1）红限红限 o o；（；（2 2）遏止电压）遏止电压Ua Ua 。（2）（1）由爱因斯坦方程）由爱因斯坦方程19第19页，本讲稿共31页光电效应的应用光电效应的应用1、i iM M I I 可用来实现光、电信号转换。（电影、可用来实现光、电信号转换。（电影、电视、电视、传真等现代通讯技术传真等现代通讯技术)2 2、瞬时性用于自动控制、自动计数。、瞬时性用于自动控制、自动计数。3 3、光电管、光电倍增管、光电二极管、光电管、光电倍增管、光电二极管由于在理论物理方面的贡献，特别是对光电效应的成功解释，由于在理论物理方面的贡献，特别是对光电效应
16、的成功解释，19211921年，爱因斯坦获得诺贝尔物理奖！年，爱因斯坦获得诺贝尔物理奖！20第20页，本讲稿共31页1.现象现象晶体（作光栅）晶体（作光栅）探探测测器器石石墨墨X射线射线 o（o）康普顿散射光康普顿散射光 o光谱仪光谱仪 o：正常光正常光光谱仪测得散射光谱仪测得散射光波长：光波长：一、康普顿效应一、康普顿效应(1923(1923美国物理学家）美国物理学家）第三节第三节 光的波粒二相性光的波粒二相性21第21页，本讲稿共31页 0 入射光入射光 =0o =45o =90oLi（Z=3）Fe（Z=26）0 0正常光光强正常光光强康普顿散康普顿散 射光光强射光光强2.散射光光谱图散射
17、光光谱图康普顿散射光康普顿散射光 特特 点点同一散射角，不同的散射物，康普顿散射同一散射角，不同的散射物，康普顿散射光光强占总光强的比例不同。光光强占总光强的比例不同。轻原子比例大轻原子比例大重原子比例小重原子比例小1、波长与散射、波长与散射角有关，与散射角有关，与散射物无关。物无关。2、光强与散、光强与散射物有关。射物有关。I22第22页，本讲稿共31页3.康普顿的解释康普顿的解释光子理论光子理论 ：(1)X(1)X 射线由射线由 的光子组成；的光子组成；外层电子外层电子自由自由与光子碰撞时获得一部分能量与光子碰撞时获得一部分能量光子能量光子能量 康普顿散射光；康普顿散射光；内层电子与核结合
18、紧内层电子与核结合紧一体一体光子与之碰撞光子与之碰撞反弹（不损失反弹（不损失能量）能量）不变不变正常光正常光。轻的原子中的电子束缚弱，散射光较强，正常成分少；重的轻的原子中的电子束缚弱，散射光较强，正常成分少；重的原子则相反，所以散射光较少，正常成分比较多。原子则相反，所以散射光较少，正常成分比较多。经典波动理论：经典波动理论：电磁波（电磁波（0 0 0 0）散射物（电子受迫振荡）散射物（电子受迫振荡）辐射电磁波辐射电磁波波长、频率只能是波长、频率只能是 0 0 0 0。(2)(2)光子与实物粒子一样，能与电子等粒子作弹性碰撞光子与实物粒子一样，能与电子等粒子作弹性碰撞23第23页，本讲稿共3
19、1页 h oXYh 能量守恒能量守恒 X方向动量方向动量守恒守恒 Y方向动方向动量守恒量守恒考虑：考虑：康普顿波长康普顿波长电子电子散射光子散射光子入射光子入射光子二、光的波粒二相性二、光的波粒二相性24第24页，本讲稿共31页第四节第四节 实物粒子的波动性实物粒子的波动性一、经典粒子与经典波一、经典粒子与经典波经典粒子特点：定域性、经典粒子特点：定域性、排他性。排他性。经典波特点：经典波特点：广延广延性、可叠加性。性、可叠加性。让开！这是我让开！这是我的地方的地方。各种不同频率的电磁各种不同频率的电磁波在空间同时传播。波在空间同时传播。25第25页，本讲稿共31页二、微观粒子与德布罗意波二、
20、微观粒子与德布罗意波1.1.德布罗意德布罗意（19241924年）：一个具有确定能量年）：一个具有确定能量E E、动量、动量P P的粒子，的粒子，在某些测量条件下显示出沿动量方向传播的单色平面波的行为，在某些测量条件下显示出沿动量方向传播的单色平面波的行为，其频率其频率、波长、波长 满足满足他明确指出：可以用他明确指出：可以用电子波电子波贯穿晶片进行验证。贯穿晶片进行验证。26第26页，本讲稿共31页例题：例题：已知电子的动能为已知电子的动能为100eV,100eV,求其得布罗意波长？求其得布罗意波长？解：解：例题：例题：若初速度为零的电子经电场加速，加速电压为若初速度为零的电子经电场加速，加
21、速电压为U U，vcvc求求得布罗意波长。得布罗意波长。解：解：27第27页，本讲稿共31页 电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象2.2.汤姆逊（汤姆逊（19271927）3.3.约恩逊（约恩逊（19611961）多晶多晶铝泊铝泊28第28页，本讲稿共31页经典理论经典理论：自然过程连续，测量仪器对客体的干扰自然过程连续，测量仪器对客体的干扰 可无限地连续减小。可无限地连续减小。量子理论量子理论：仪器对客体的干扰不能连续减小，作用量子仪器对客体的干扰不能连续减小，作用量子 h h 的存在规定了干扰的下限与性质。的存在规定了干扰的下限与性质。1.1.测
22、量理论测量理论2.2.不确定关系不确定关系电子流如同电子流如同单色光单色光通过狭缝通过狭缝衍射现象衍射现象三、不确定关系三、不确定关系29第29页，本讲稿共31页例题：例题：原子线度为原子线度为1010-10-10m m，计算原子中电子速度的不确定度。计算原子中电子速度的不确定度。解：解：x x=10 =10-10-10 P P=m m v v按经典力学计算，氢原子中电子的轨道速度按经典力学计算，氢原子中电子的轨道速度 v v 10106 6 msms-1-1 。物理量与其不确定度一样数量级，物理量没有意义了！物理量与其不确定度一样数量级，物理量没有意义了！在微观领域内，经典的决定论和粒子的轨道概念一同被取消！在微观领域内，经典的决定论和粒子的轨道概念一同被取消！30第30页，本讲稿共31页例题：例题：已知电子沿已知电子沿X方向运动，速度为方向运动，速度为200m/s，速度不确定量，速度不确定量为为0.01%，求测量电子，求测量电子X坐标轴所能达到的最小不确定度坐标轴所能达到的最小不确定度上述若为子弹上述若为子弹m=10g情况如何？情况如何？解：解：31第31页，本讲稿共31页