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1、第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性能量量子化：物理学的新纪元能量量子化：物理学的新纪元 19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的一个能推断一切电磁现象的 Maxwell方程。方程。另外还找到了力、电、光、声另外还找到了力、电、光、声等都遵等都遵循的规律循的规律-能量转化与守恒定律。当时能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都
2、沉醉于这些成绩和胜利之许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。中。他们认为物理学已经发展到头了。1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言勋爵作了展望新世纪的发言:“科学的大厦已经基本完成，科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。的修补工作就行了。”-开尔文开尔文-但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家，但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：就在上面提到的文章中他还讲到：“但是
3、，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，令人不安的乌云，-”固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长固体或液体，在任何温度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的现象称为热辐射。而发射电磁波的现象称为热辐射。1 1、热辐射、热辐射一、黑体与黑体辐射一、黑体与黑体辐射2 2、对热辐射的初步认识、对热辐射的初步认识任何物体任何温度均存在热辐射任何物体任何温度均存在热辐射温度不同时辐射的波长分布不同，温度不同时辐射的波长分布不同，温度越高温度越高辐射的辐射的能量越强能量越强
4、，辐射中的，辐射中的短波成分也越多短波成分也越多热辐射的过程中将热能转化为电磁能热辐射的过程中将热能转化为电磁能 能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。简称折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体黑体2.黑体辐射黑体辐射 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。黑体模型黑体模型 研究黑体辐射的研究黑体辐射的规律是了解一般物体规律是了解一般物体热辐射性质的基础。热辐射性质的基础。0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K黑体辐射的实验规律黑体辐射
5、的实验规律o实验值/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黑体辐射实验是物理学晴朗天空中黑体辐射实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。3.3.普朗克的普朗克的能量子能量子假说假说辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐辐射黑体分子、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。但是这些谐振子只能振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相
6、应的能量是某一最小能量的能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，称为能量子）的整数倍，即：即：,1,2,3,.,1,2,3,.n n.n n为正整数，称为正整数，称为为量子数。量子数。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能量能量量子量子经典经典(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克实验值实验值 黑体辐射的研究卓有成效地展现黑体辐射的研究卓有成效地展现人们的眼前，紫外灾难的疑点找到人们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，为人类解决了一大难题。使热了，为人类解决了一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就以平息了吗？真理与谬
7、误之争就以平息了吗？物理难题：物理难题：1888年，年，Hallwachs发现一充负发现一充负电的金属板被紫外光照射会放电电的金属板被紫外光照射会放电。近近10年年以后，因为以后，因为1897年年，J.Thomson才发现电才发现电子子，此时，此时，人们认识到那就是从金属表面人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电射出的电子，后来，这些电子被称作光电子子(photoelectron)，相应的效应叫做光电相应的效应叫做光电效应效应。人们本着对光的完美理论（光的波。人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？果？光
8、究竟是什么？光究竟是什么？牛顿：微粒说牛顿：微粒说惠更斯：波动说惠更斯：波动说17世世纪纪明明确确形形成成了了两两大对立学说大对立学说19世世纪纪初初开开始始光光的的干干涉涉、衍衍射射和和偏偏振振现现象象分别被观察到分别被观察到麦克斯韦：电磁说麦克斯韦：电磁说爱因斯坦：光子说爱因斯坦：光子说光的波粒二象性光的波粒二象性科学的转折：光的粒子性科学的转折：光的粒子性一、光电效应现象一、光电效应现象1.1.什么是光电效应什么是光电效应 当光线照射在金属表面时，金属中当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为有电子逸出的现象，称为光电效应光电效应。逸。逸出的电子称为出的电子称为光电子光电子,
9、光电子定向移动形光电子定向移动形成的电流叫成的电流叫光电流光电流。阳极阳极阴极阴极石英窗石英窗 光线经石英窗照在阴光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出极上，便有电子逸出-光电子。光电子。光电子在电场作用下形光电子在电场作用下形成光电流。成光电流。2.2.光电效应的实验规律光电效应的实验规律（1 1）存在着饱和电流）存在着饱和电流IOUUC1UC2强光（黄）强光（黄）弱光（黄）弱光（黄）蓝光蓝光a.a.在光照条件不变的情况下，随着所加在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增加，光电流趋于一个饱和值电压的增加，光电流趋于一个饱和值b.b.入射光越强，饱和电流越大入射光越强，饱和电流越大表明入射光越
10、强单位表明入射光越强单位时间内发射的光电子时间内发射的光电子数越多。数越多。（2 2）存在着遏止电压和截止频率）存在着遏止电压和截止频率IOUUC1UC2强光强光（黄）（黄）弱光弱光（黄）（黄）蓝光蓝光a.a.当所加电压为零时，电流当所加电压为零时，电流I I并不为零只有施并不为零只有施加反向电压，电流才有可能为零加反向电压，电流才有可能为零遏制电压表明光电子逸出时应具有一定的初速度遏制电压表明光电子逸出时应具有一定的初速度遏止电压：遏止电压：使光电流减小到零的反向电压使光电流减小到零的反向电压UcUc实验表明：对于一定频实验表明：对于一定频率的光，无论光的强弱率的光，无论光的强弱如何，遏止电
11、压都是一如何，遏止电压都是一样的。光的频率改变时，样的。光的频率改变时，遏止电压也会改变遏止电压也会改变b.b.当入射光的频率减小到某个值当入射光的频率减小到某个值vcvc时，即使不时，即使不施加反向电压也没有光电流，表明已经没有光施加反向电压也没有光电流，表明已经没有光电子了电子了结论：光电子的能量与入射光的频率有关，而结论：光电子的能量与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关，当入射光的频率低于截与入射光的强弱无关，当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。不同金属的截止止频率时不能发生光电效应。不同金属的截止频率不同频率不同（3 3）效应具有瞬时性）效应具有瞬时性从光开始照射到光电逸
12、出所需时间从光开始照射到光电逸出所需时间1010-9-9s s。二、电磁说解释光电效应的困难二、电磁说解释光电效应的困难1.1.关于极限频率的关于极限频率的困难困难光是一种电磁波光是一种电磁波与事实矛盾与事实矛盾电子就会从金属表面飞出来电子就会从金属表面飞出来电子获得积累的能量足够大电子获得积累的能量足够大光足够强、照射时间足够长光足够强、照射时间足够长光的能量由振幅决定光的能量由振幅决定二、电磁说解释光电效应的困难二、电磁说解释光电效应的困难2.2.关于光电子的最大初动能的困难关于光电子的最大初动能的困难光强越大光强越大与事实矛盾与事实矛盾光电子的最初动能与光强有关而与频率无关光电子的最初动
13、能与光强有关而与频率无关飞出金属表面的动能越大飞出金属表面的动能越大电子获得的能量越大电子获得的能量越大二、电磁说解释光电效应的困难二、电磁说解释光电效应的困难3.3.关于光电效应瞬时性的困难关于光电效应瞬时性的困难光均匀照在金属表面光均匀照在金属表面与事实矛盾与事实矛盾从光照到打出光电子需要一定的时间从光照到打出光电子需要一定的时间电子的能量要有个积累的过程电子的能量要有个积累的过程电子的能量逐渐增大电子的能量逐渐增大三、新理论的诞生三、新理论的诞生光子说光子说1.1.背景：背景：背景：背景：(1)(1)普朗克在研究热辐射规律时发现，只有认为电磁波普朗克在研究热辐射规律时发现，只有认为电磁波
14、普朗克在研究热辐射规律时发现，只有认为电磁波普朗克在研究热辐射规律时发现，只有认为电磁波的发射和吸收是不连续的，而是一份一份地进行的，的发射和吸收是不连续的，而是一份一份地进行的，的发射和吸收是不连续的，而是一份一份地进行的，的发射和吸收是不连续的，而是一份一份地进行的，理论计算的结果才能和实验事实相符。每一份能量叫理论计算的结果才能和实验事实相符。每一份能量叫理论计算的结果才能和实验事实相符。每一份能量叫理论计算的结果才能和实验事实相符。每一份能量叫做一个能量子，每个能量子的能量为做一个能量子，每个能量子的能量为做一个能量子，每个能量子的能量为做一个能量子，每个能量子的能量为 。(2)(2)
15、光电效应的发现，用经典的电磁理论无法解释。光电效应的发现，用经典的电磁理论无法解释。光电效应的发现，用经典的电磁理论无法解释。光电效应的发现，用经典的电磁理论无法解释。(3)(3)受普朗克的启发，爱因斯坦认为：光在空间传播正受普朗克的启发，爱因斯坦认为：光在空间传播正受普朗克的启发，爱因斯坦认为：光在空间传播正受普朗克的启发，爱因斯坦认为：光在空间传播正向粒子那样运动，这个粒子后来被称为向粒子那样运动，这个粒子后来被称为向粒子那样运动，这个粒子后来被称为向粒子那样运动，这个粒子后来被称为“光子光子光子光子”三、新理论的诞生三、新理论的诞生光子说光子说2.2.内容：内容：内容：内容：空间传播的光
16、不是连续的，是一份一份的，每一份叫空间传播的光不是连续的，是一份一份的，每一份叫空间传播的光不是连续的，是一份一份的，每一份叫空间传播的光不是连续的，是一份一份的，每一份叫一个光子，每个光子的能量为一个光子，每个光子的能量为一个光子，每个光子的能量为一个光子，每个光子的能量为 。3.3.爱因斯坦的光子与普朗克的能量子的异同：爱因斯坦的光子与普朗克的能量子的异同：爱因斯坦的光子与普朗克的能量子的异同：爱因斯坦的光子与普朗克的能量子的异同：相同点：都认为能量是不连续的，而是一份一份的，相同点：都认为能量是不连续的，而是一份一份的，相同点：都认为能量是不连续的，而是一份一份的，相同点：都认为能量是不
17、连续的，而是一份一份的，每一份能量为每一份能量为每一份能量为每一份能量为 。（能量量子化）。（能量量子化）。（能量量子化）。（能量量子化）不同点：普朗克认为能量子仍以不同点：普朗克认为能量子仍以不同点：普朗克认为能量子仍以不同点：普朗克认为能量子仍以波波波波的形式传播；的形式传播；的形式传播；的形式传播；爱因斯坦认为光子在空间的传波向爱因斯坦认为光子在空间的传波向爱因斯坦认为光子在空间的传波向爱因斯坦认为光子在空间的传波向粒子粒子粒子粒子一样。一样。一样。一样。注意：注意：注意：注意：爱因斯坦的光子与牛顿的粒子有着本质的不同。爱因斯坦的光子与牛顿的粒子有着本质的不同。爱因斯坦的光子与牛顿的粒子
18、有着本质的不同。爱因斯坦的光子与牛顿的粒子有着本质的不同。光子是只有能量而无静止质量的粒子，而牛顿的粒子是光子是只有能量而无静止质量的粒子，而牛顿的粒子是光子是只有能量而无静止质量的粒子，而牛顿的粒子是光子是只有能量而无静止质量的粒子，而牛顿的粒子是指实物粒子。指实物粒子。指实物粒子。指实物粒子。四、光子说对光电效应的四、光子说对光电效应的解释解释（1 1）光是由一个个光子组成，被光子）光是由一个个光子组成，被光子）光是由一个个光子组成，被光子）光是由一个个光子组成，被光子“打中打中打中打中”的电子，的电子，的电子，的电子，这个光子的能量就全部给这个电子，而没有被光子这个光子的能量就全部给这个
19、电子，而没有被光子这个光子的能量就全部给这个电子，而没有被光子这个光子的能量就全部给这个电子，而没有被光子“打打打打中中中中”的电子，则一点能量也没有获得。的电子，则一点能量也没有获得。的电子，则一点能量也没有获得。的电子，则一点能量也没有获得。（2 2）得到能量的电子，动能立即增大，而不需要积累）得到能量的电子，动能立即增大，而不需要积累）得到能量的电子，动能立即增大，而不需要积累）得到能量的电子，动能立即增大，而不需要积累能量的过程。能量的过程。能量的过程。能量的过程。（3 3）如果这个能量足够大，则电子就挣脱金属的束缚）如果这个能量足够大，则电子就挣脱金属的束缚）如果这个能量足够大，则电
20、子就挣脱金属的束缚）如果这个能量足够大，则电子就挣脱金属的束缚而射出来，即产生光电效应；如果这个能量不足以挣脱而射出来，即产生光电效应；如果这个能量不足以挣脱而射出来，即产生光电效应；如果这个能量不足以挣脱而射出来，即产生光电效应；如果这个能量不足以挣脱金属的束缚，则不能产生光电效应。金属的束缚，则不能产生光电效应。金属的束缚，则不能产生光电效应。金属的束缚，则不能产生光电效应。（4 4）频率一定时，光强越大，即光子的数目越多，获）频率一定时，光强越大，即光子的数目越多，获）频率一定时，光强越大，即光子的数目越多，获）频率一定时，光强越大，即光子的数目越多，获得能量的电子也越多，即光电子的数目
21、与光强成正比。得能量的电子也越多，即光电子的数目与光强成正比。得能量的电子也越多，即光电子的数目与光强成正比。得能量的电子也越多，即光电子的数目与光强成正比。五、光电效应方程五、光电效应方程问题问题问题问题1 1：什么叫逸出功？：什么叫逸出功？：什么叫逸出功？：什么叫逸出功？问题问题问题问题2 2：为什么在同一种频率的光照下，从同一种金属：为什么在同一种频率的光照下，从同一种金属：为什么在同一种频率的光照下，从同一种金属：为什么在同一种频率的光照下，从同一种金属中逃逸出的电子的能量会不同？中逃逸出的电子的能量会不同？中逃逸出的电子的能量会不同？中逃逸出的电子的能量会不同？1.1.逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。问题问题问题问题3 3：从能量的角度看，光子的能量、逸出功、光子：从能量的角度看，光子的能量、逸出功、光子：从能量的角度看，光子的能量、逸出功、光子：从能量的角度看，光子的能量、逸出功、光子的最大初动能之间有何定量关系？的最大初动能之间有何定量关系？的最大初动能之间有何定量关系？的最大初动能之间有何定量关系？2.2.光电效应方程：光电效应方程：光电效应方程：光电效应方程：