《1普朗克能量子假设2光电效应yy课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1普朗克能量子假设2光电效应yy课件.ppt（49页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、量子物理基础量子物理基础 到十九世纪末期，物理学各个分支的到十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日臻完善，并不断取得新的成就。发展都已日臻完善，并不断取得新的成就。首先在牛顿力学基础上，哈密顿和拉格朗首先在牛顿力学基础上，哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学，几乎达到无日等人建立起来的分析力学，几乎达到无懈可击的地步，特别是十九世纪中期，海懈可击的地步，特别是十九世纪中期，海王星的发现充分表明了牛顿力学是完美无王星的发现充分表明了牛顿力学是完美无缺的。其次，通过克劳修斯、玻耳兹曼和缺的。其次，通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的巨大努力，建立了体系完整吉布斯等人的巨大努力，建立了体系完整而
2、又严密的热力学和统计力学而又严密的热力学和统计力学,并且应用并且应用越来越广泛。越来越广泛。由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行的深入而系统的研究，为电动磁现象进行的深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础，特别是由麦克斯力学奠定了坚实的基础，特别是由麦克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存在，韦的电磁场方程组预言了电磁波的存在，随即被赫兹的实验所证实。后来又把牛顿、随即被赫兹的实验所证实。后来又把牛顿、惠更斯和菲涅耳所建立的光学也纳入了电惠更斯和菲涅耳所建立的光学也纳入了电动力学的范畴，更是一项辉煌的成就。动力学的范畴，更是一项辉煌的成就。当时赫赫有名
3、对物理学各方面都做出当时赫赫有名对物理学各方面都做出过重要贡献的权威人物开耳文勋爵在一篇过重要贡献的权威人物开耳文勋爵在一篇于于19001900年发表的瞻望二十世纪物理学发展年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：的文章中也说：“在已经基本建成的科学在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了的修补工作就行了”，不过他还不愧为一，不过他还不愧为一名确有远见卓识的物理学家，因为他接着名确有远见卓识的物理学家，因为他接着又指出：又指出：“但是在物理晴朗天空的远处，但是在物理晴朗天空的远处，还有还有两朵小小令人不安的乌云两朵小小令人
4、不安的乌云”。这这两朵乌云指运用当时的物理学理论所无两朵乌云指运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个实验现象，一个是否定绝对法正确解释的两个实验现象，一个是否定绝对时空观的时空观的迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验，另一个是，另一个是黑体黑体辐射现象中的紫外灾难辐射现象中的紫外灾难。正是这两朵小小的乌。正是这两朵小小的乌云云,冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。事实上还近代物理学的理论基础作出了贡献。事实上还有第三朵小小的乌云，这就是有第三朵小小
5、的乌云，这就是放射性现象的发放射性现象的发现现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元，原子也是可以分割的。单元，原子也是可以分割的。所有这些实验结果都是经典物理学无法解所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的，它们使经典物理处于十分困难境地，为释的，它们使经典物理处于十分困难境地，为摆脱这种困境，有一些思想敏锐而又不受旧观摆脱这种困境，有一些思想敏锐而又不受旧观念束缚的物理学家纷纷重新思考研究，在二十念束缚的物理学家纷纷重新思考研究，在二十世纪初期，建立起了世纪初期，建立起了近代物理的两大支柱近代物理的两大支柱相相对论和量子论对论和量子论，并在这个基础
6、上又建立起以研，并在这个基础上又建立起以研究原子的结构、性质及其运动规律为目的的原究原子的结构、性质及其运动规律为目的的原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起原子核物理学和基本粒子物理学，这些内容统称子核物理学和基本粒子物理学，这些内容统称为为量子物理学量子物理学。量子概念是量子概念是19001900年年普朗克普朗克首先提出的，首先提出的，到今天已经一百多年了。期间，经过爱因到今天已经一百多年了。期间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、波恩、海森伯、斯坦、玻尔、德布罗意、波恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努
7、力，到力，到2020世纪世纪3030年代，就已经建成了一套年代，就已经建成了一套完整的完整的量子力学理论量子力学理论。这一理论是。这一理论是关于微关于微观世界的理论观世界的理论。它和相对论一起成为现代。它和相对论一起成为现代物理学的理论基础。物理学的理论基础。应用到宏观领域时，应用到宏观领域时，量子力学就转化为经典力学量子力学就转化为经典力学，正像在低速，正像在低速领域相对论转化为经典理论一样。领域相对论转化为经典理论一样。早期量子论早期量子论 量子力学量子力学 相对论量子力学相对论量子力学 普朗克能量量子化假说普朗克能量量子化假说爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说康普顿效应康普顿效应玻尔的氢原
8、子理论玻尔的氢原子理论德布罗意实物粒子波粒二象性德布罗意实物粒子波粒二象性薛定谔方程薛定谔方程波恩的物质波统计解释波恩的物质波统计解释海森伯的不确定关系海森伯的不确定关系狄拉克把量子力学与狭义狄拉克把量子力学与狭义相对论相结合相对论相结合黑体辐射、光电效应、康普顿散射黑体辐射、光电效应、康普顿散射德布罗意波实物粒子的波粒二象性德布罗意波实物粒子的波粒二象性海森伯不确定关系海森伯不确定关系薛定谔方程薛定谔方程原子中的电子原子中的电子波粒二象性波粒二象性第第第第2626章章章章1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子普朗克能量子假设假设一一.热辐射热辐射 任何物体在任何温度下都要发射各种波长任何物体在任
9、何温度下都要发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热激发而发射电磁波的现象称为热辐射热辐射。物体以物体以电磁波的形式电磁波的形式向外发射能量称为向外发射能量称为辐射辐射。物体向周围所发射的能量物体向周围所发射的能量称为称为辐射能辐射能。实验证明，在不。实验证明，在不同的温度下，物体发出的各种同的温度下，物体发出的各种电磁波的能量按频率有不同的电磁波的能量按频率有不同的分布，表现为不同的颜色。分布，表现为不同的颜色。thermal radiation 物体在辐射电磁波的同时，也吸收照射到其表物体在辐射电磁波的同时，
10、也吸收照射到其表面的电磁波。如果在同一时间内从物体表面面的电磁波。如果在同一时间内从物体表面辐射的辐射的电磁波的能量和它吸收的电磁波的能量相等电磁波的能量和它吸收的电磁波的能量相等，物体，物体的辐射就处于温度一定的热平衡状态。这时的热辐的辐射就处于温度一定的热平衡状态。这时的热辐射称为射称为平衡热辐射平衡热辐射。地地球的黑体辐射球的黑体辐射它是描写物体辐射本领的物理量，类似于波它是描写物体辐射本领的物理量，类似于波强。单位：强。单位：W/m3。1.单色辐出度(光谱辐射出射度)表示在一定温度表示在一定温度 T 下，单位时间内从物下，单位时间内从物体表面单位面积上体表面单位面积上发出的发出的波长在
11、波长在 附近单位附近单位波长间隔内的辐射能波长间隔内的辐射能。（按波长分布）（按波长分布）对于给定物体，在一定温度下，对于给定物体，在一定温度下，M(T)随波随波长长而变化；当温度升高时，也随之增大。而变化；当温度升高时，也随之增大。2.辐出度描写物体在温度描写物体在温度T 时向外辐时向外辐射能量本领的物理量。射能量本领的物理量。单位：单位：W/m2。表示在一定温度表示在一定温度 T 下，在下，在单位时间内单位时间内，从物体，从物体表表面单位面单位面面积积上所发射的上所发射的整个波长范围内整个波长范围内的总的总辐射能。辐射能。辐出度辐出度M(T)等于单色辐出度等于单色辐出度M(T)对波长对波长
12、的的曲线下的面积。曲线下的面积。3.单色吸收比 在温度为在温度为T时，物体表面时，物体表面吸收吸收的波长在的波长在到到d区间的辐射能区间的辐射能占全部入射占全部入射的该区间的的该区间的辐射能的比例，称做物体的辐射能的比例，称做物体的单色吸收比单色吸收比，以，以(T)表示。表示。实验表明，辐射能力越强的物体，其吸收能实验表明，辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强。力也越强。尽管各种材料的尽管各种材料的M(T)、(T)有很大的不有很大的不同，但在同一温度下，同，但在同一温度下，M(T)/(T)却与却与材料种类无关，而是一个确定的值。材料种类无关，而是一个确定的值。深色物体比浅色物体吸收和发射电磁波
13、能力大。深色物体比浅色物体吸收和发射电磁波能力大。1893年，年，德国的德国的维恩维恩发现了一条重要的规律：发现了一条重要的规律：当物体发光时，其中最强光的波长和物体的温度成反当物体发光时，其中最强光的波长和物体的温度成反比。比。物理学家在十九世纪已经发现了热辐射的基本定律：物理学家在十九世纪已经发现了热辐射的基本定律：物体越被加热，它就会越发出亮光。每秒内的辐射能随物体越被加热，它就会越发出亮光。每秒内的辐射能随温度的变化而急剧地变化。如果温度增加到原来的三倍，温度的变化而急剧地变化。如果温度增加到原来的三倍，辐射能将增加将近一百倍，这就是说，发光的颜色随着辐射能将增加将近一百倍，这就是说，
14、发光的颜色随着温度的增加而改变。温度的增加而改变。4.明确几点物体在某一波长范围内辐射电磁波的能力越大，则物体在某一波长范围内辐射电磁波的能力越大，则它吸收该波长范围内电磁波能力也越大。它吸收该波长范围内电磁波能力也越大。能够能够完全吸收完全吸收照射到它上面的各种波长的电照射到它上面的各种波长的电磁波辐射能而毫无反射和透射的物体称为磁波辐射能而毫无反射和透射的物体称为黑体黑体。二二.黑体辐射黑体辐射 黑体受高温而向外辐射热量，称为黑体受高温而向外辐射热量，称为黑体辐射黑体辐射。1.什么是黑体对于黑体，对于黑体，MB(T)是各种材料中最大的，只与波长是各种材料中最大的，只与波长和温度和温度T有有
15、关，与其材料、大小、形状及表面状况等无关。关，与其材料、大小、形状及表面状况等无关。黑体只是一种理想的模型。黑体只是一种理想的模型。自然界中并不存在吸收比等于自然界中并不存在吸收比等于1的绝对黑体。的绝对黑体。black-body radiation 维维恩恩设设想想一一种种用用不不透透明明材材料料制制成成带带有有小小孔孔的的空空腔腔盒盒子子，当当光光线线由由小小孔孔射射入入后后，会会在在腔腔内内进进行行多多次次反反射射，而而每每次次反反射射都都会会被被腔腔壁壁吸吸收收去去一一部部分分能能量量，光光线线很很难难再再从从小小孔孔射射出出，也也就就是是说说，光光线线在在未未射射出出之之前前就就被被
16、完完全全吸吸收收掉掉了了。所所以以空空腔腔的的小小孔孔就就相相当当于于一一个个黑体模型。黑体模型。黑体模型黑体模型加热这个空腔到不同温度，小孔就成了不同温度下加热这个空腔到不同温度，小孔就成了不同温度下的黑体。用分光技术测出由它发出的电磁波的能量按的黑体。用分光技术测出由它发出的电磁波的能量按频率的分布，就可以研究黑体辐射的规律。频率的分布，就可以研究黑体辐射的规律。2.黑体的辐射分布实验测量出黑体的单色辐出实验测量出黑体的单色辐出度度MB(T)与波长与波长之间的关之间的关系。系。黑体辐射的单色辐出度随黑体辐射的单色辐出度随波长的变化而变化，在波长的变化而变化，在长波和长波和短波方向都降到了零
17、短波方向都降到了零，而在某，而在某一波长（一波长（峰值波长峰值波长m）处有一）处有一极大值。极大值。温度越高，峰值波长温度越高，峰值波长越短，辐射能越大越短，辐射能越大。黑体辐射的测量结果：黑体辐射的测量结果：3.维恩公式 18961896年，维恩从经典热年，维恩从经典热力学和麦克斯韦分布律及力学和麦克斯韦分布律及分析实验数据得到一个分析实验数据得到一个半半经验公式经验公式，这个公式在，这个公式在短短波部分与实验曲线符合比波部分与实验曲线符合比较好较好，但在长波部分有较，但在长波部分有较大的偏差。大的偏差。维恩线实验曲线实验曲线瑞利金斯线维恩线实验曲线实验曲线瑞利瑞利-金斯公式是根据经典电金斯
18、公式是根据经典电磁学和统计热力学导出的公式，磁学和统计热力学导出的公式，在在长波部分符合得较好长波部分符合得较好，当波，当波长变短，辐出度趋于无穷大。长变短，辐出度趋于无穷大。这称为这称为 “紫外灾难紫外灾难”。由于。由于理论与实验之间的不可调和性，理论与实验之间的不可调和性，给物理学界带来很大困难。给物理学界带来很大困难。4.瑞利-金斯公式5.普朗克量子假设、黑体辐射公式 在在选选择择专专业业时时，他他在在音音乐乐和和物物理理学学之之间间犹犹豫豫不不绝绝。而而当当时时他他的的老老师师约约利利和和焦焦耳耳都都希希望望他他不不要要选选物物理理学学作作为为自自己己的的研研究究方方向向，原原因因是是
19、：物物理理学学的的大大厦厦已已经经建建成成，所所需需要要的的仅仅仅仅是是修修修修补补补补，年年轻轻人人应应该该把把精精力力放放在在更更有有意意义义的的研研究究工工作作中中去去，不不要要再再希希望望从从物物理理学学的的研研究究中中得得出出新新的的东东西西。然然而而，普普朗朗克克仍仍然然选选择择了了物物理理学学作作为为自自己己的的研究方向。研究方向。普朗克普朗克(1858-1947)量子论的奠基人。量子论的奠基人。普朗克生于德国基尔城，他的父亲于普朗克生于德国基尔城，他的父亲于18671867年到慕尼黑年到慕尼黑大学任教。普朗克在慕尼黑度过了少年时期，大学任教。普朗克在慕尼黑度过了少年时期，187
20、41874年进年进入慕尼黑大学攻读数学和物理学。入慕尼黑大学攻读数学和物理学。普普朗朗克克成成功功的的原原因因之之一一是是因因为为他他有有许许多多好好的的老老师师。普普朗朗克克曾曾向向在在慕慕尼尼黑黑任任教教的的数数学学家家泽泽德德尔尔和和鲍鲍威威尔尔学学习习数数学学，其其中中鲍鲍威威尔尔对对普普朗朗克克产产生生了了非非常常大大的的影影响响，他他造造就就了了普普朗朗克克精精确确的的数数学学思思维维，这这为为普普朗朗克克在在理理论论物物理理上上的的成成就就打打下下了了良良好好的的基基础础。后后来来，普普朗朗克克又又在在柏柏林林大大学学进进行行了了一一年年的的旁旁听听，在在此此期期间间，亥亥姆姆霍
21、霍兹兹和和基基尔尔霍霍夫夫的的讲讲学学又又对对他他以以后后的的研研究究起起到到了了决决定定性性的的作作用用。克克劳劳修修斯斯对对于于热热力力学学的的研研究究也也对对普普朗朗克克产产生生了了重重要要的的影影响响。在在获获得得了了副副教教授授的的头头衔衔后后，普普朗朗克克发发现现炽炽热热物物体体能能够够辐辐射射电电磁磁波波，因因而而他他产产生生了了把把力力学学和和电电动动力学联系起来的想法。力学联系起来的想法。19001900年年末末，他他的的一一篇篇决决定定物物理理学学命命运运的的论论文文发发表表了了。普普朗朗克克把把经经典典电电动动力力学学和和熵熵增增加加原原理理应应用用于于黑黑体体辐辐射射，
22、并并在在19001900年年1212月月1414日日的的德德国国物物理理学学会会上上宣宣读读的的论论文文关关于于光光谱谱中中能能量量分分布布规规律律的的理理论论中中大大胆胆提提出出一一个个假假设设能能量量的的量量子子化化假假设设，并并导导出出了了能能量量的的分分布布公公式式，劳劳厄厄称这一天是称这一天是“量子论的诞生日量子论的诞生日”。1918年，普朗克因此获得诺贝尔物理学奖。年，普朗克因此获得诺贝尔物理学奖。1926年，普朗克被推举为英国皇家学会的最高级年，普朗克被推举为英国皇家学会的最高级名誉会员，美国选他为物理学会的名誉会长。名誉会员，美国选他为物理学会的名誉会长。1930年，普朗克被德
23、国科学研究的最高机构威廉年，普朗克被德国科学研究的最高机构威廉皇家促进科学协会选为会长。皇家促进科学协会选为会长。普朗克认为：辐射过程不是连续的，而是以最辐射过程不是连续的，而是以最小份量小份量-量子，一份一份地放射和吸收能量的，每量子，一份一份地放射和吸收能量的，每份能量为份能量为=hv，其中v是辐射频率是辐射频率，h是普朗克常数是普朗克常数，称为“能量子能量子”或“量子量子”。普朗克能量子假说普朗克能量子假说*辐射物体的带电粒子在各自平衡位置附近振动称为带电辐射物体的带电粒子在各自平衡位置附近振动称为带电的谐振子。谐振子可能具有的能量不是连续的，而是只能的谐振子。谐振子可能具有的能量不是连
24、续的，而是只能取一些特定的分立值，这些分立值是最小能量取一些特定的分立值，这些分立值是最小能量的整数倍，的整数倍，即即，2，n，n为正整数，称为量子数。为正整数，称为量子数。*谐振子只能以谐振子只能以=hv为单位辐射或吸收能量，换言之，辐为单位辐射或吸收能量，换言之，辐射或吸收电磁辐射只能以射或吸收电磁辐射只能以“量子量子”的方式进行。的方式进行。普朗克常数普朗克常数普普朗朗克克将将维维恩恩定定律律和和瑞瑞利利-金金斯斯定定律律结结合合起起来来，在在维维恩恩公公式式和和瑞瑞利利-金金斯斯公公式式之之间间用用内内插插法法建建立立一一个个普普遍遍公公式式，找找到到了了一一个个相相当当复复杂杂的的公
25、公式式。此此公公式式没没有有明明显显的的物物理理意意义义，它它只只不不过过是是一一些些不不相相关关的的物物理理量量的的偶偶然然结结合合。可可令令人人奇奇怪怪的的是是，此此公公式式不不能能从从经经典典定定律律中中推推导导出出来来，却却与与实实验验符符合合的的非非常常好好。这这就就是是描描写写黑黑体体辐辐射射的的著著名名的的普普朗朗克公式。克公式。普朗克公式普朗克公式 普普朗朗克克辐辐射射定定律律的的建建立立，不不仅仅统统一一了了维维恩恩公公式式和和瑞瑞利利-金金斯斯公公式式，解解决决了了“紫紫外外灾灾难难”的的问问题题，而而且且更更重重要要的的是是提提出出了了量量子子论论，从从而而使使物物理理学
26、学进进入入了了一一个个崭崭新新的的阶阶段段。普普朗朗克克本本人人也也由由于于创创建建了了量量子子论论，在在19181918年年获获得得了了诺诺贝贝尔尔物物理理奖奖。但但是是，量量子子论论的的诞诞生生在在当当时时并并没没有有引引起起重重视视，直直到到后后来来爱爱因因斯斯坦坦成成功功地地把把量量子子论论应应用用到到光光电电效效应应的的解解释释上上，玻玻尔尔成成功功地地用用量量子子论论解解释释了了氢氢原原子子的的光光谱时，才引起了物理学界的重视和公认谱时，才引起了物理学界的重视和公认。2 2 光电效应光电效应光电效应光电效应光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性 1887年赫兹研究
27、电火花实验时发现：紫外年赫兹研究电火花实验时发现：紫外线照射到火花间隙的负极上时将有助于放电，线照射到火花间隙的负极上时将有助于放电，发现了光电效应，发现了光电效应，1905年爱因斯坦用年爱因斯坦用光量子理光量子理论论解释了光电效应。解释了光电效应。1.什么是光电效应 当光线照射在金属表面时，当光线照射在金属表面时，电子会从金属表面逸出的现象称电子会从金属表面逸出的现象称为为光电效应光电效应。一一.光电效应光电效应 Photoelectriceffect如带电小锌球在紫外线照射下如带电小锌球在紫外线照射下会失去负电荷带上正电。会失去负电荷带上正电。逸出的电子称为逸出的电子称为光电子光电子，光电
28、子在外加电场，光电子在外加电场加速下向阳极运动形成加速下向阳极运动形成光电流光电流。2.光电效应的实验规律饱和电流饱和电流im当光源频率和外加电压一定时，饱和光电流当光源频率和外加电压一定时，饱和光电流im与入射光强度与入射光强度P 成正比，也说明单位时间内成正比，也说明单位时间内逸出的光电子数与光强成正比。逸出的光电子数与光强成正比。光电流光电流i开始时随开始时随U增大而增大而增大，而后趋于一个饱和值增大，而后趋于一个饱和值im，不再增大，不再增大。说明在单位。说明在单位时间内从阴极时间内从阴极K发射的所有发射的所有光电子已全部到达阳极光电子已全部到达阳极A。红限频率红限频率v0只有当只有当
29、入射光频率入射光频率vv0时，才有光电子逸出时，才有光电子逸出。逸。逸出的光电子的动能与光强无关，仅依赖于入射光的出的光电子的动能与光强无关，仅依赖于入射光的频率，入射光的频率频率，入射光的频率v越高，逸出的光电子的速度越越高，逸出的光电子的速度越大。大。对于某种材料制成的金属对于某种材料制成的金属K极，存在一个极限频率极，存在一个极限频率v0。当入射光频率。当入射光频率vv0时，时，Us0，电子能电子能逸出逸出金属表面。当入射光频率金属表面。当入射光频率vv0时，电子不具有足够时，电子不具有足够的速度以逸出金属表面，不会产生光电效应。的速度以逸出金属表面，不会产生光电效应。红限频率：红限频率
30、：光电效应具有瞬时性。光电效应具有瞬时性。光电子的逸出，几乎是在光照到金属表面上的同时光电子的逸出，几乎是在光照到金属表面上的同时发生的，响应速度很快，其延迟时间在发生的，响应速度很快，其延迟时间在10-9s以下。以下。光照强度的增加只影响单位时间内逸出的光照强度的增加只影响单位时间内逸出的电子数目，并不影响电子的动能。电子数目，并不影响电子的动能。具有洞察力的爱因斯坦，为了解释光具有洞察力的爱因斯坦，为了解释光电效应，看到普朗克能量子假说，提出了电效应，看到普朗克能量子假说，提出了光量子假说和光的波粒二相性。光量子假说和光的波粒二相性。1905 年爱因斯坦连续发表了三篇震憾年爱因斯坦连续发表
31、了三篇震憾世界的论文，其中世界的论文，其中“关于光的发生和转变关于光的发生和转变的一个新观点的一个新观点”。提出了。提出了光量子假设光量子假设成功成功地解释了光电效应的实验规律地解释了光电效应的实验规律，由此获得，由此获得 1921 年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。二二.光量子假说光量子假说 Light quantum hypothesis 爱因斯坦光电效应方程的得出是基于普爱因斯坦光电效应方程的得出是基于普朗克量子假说的启发，并对量子理论作出了朗克量子假说的启发，并对量子理论作出了进一步的发展进一步的发展。爱因斯坦认为，既然光是一种电磁波，而爱因斯坦认为，既然光是一种电磁波，而光是由光量子
32、组成光是由光量子组成的，那么，的，那么，电磁场也应该是电磁场也应该是以量子形式存在的以量子形式存在的，并且每一个光量子的能量并且每一个光量子的能量也应该为也应该为hv。电磁波不仅在吸收和发射时的能电磁波不仅在吸收和发射时的能量是分立的，而且在传播过程中，也具有相同量是分立的，而且在传播过程中，也具有相同的特性。的特性。这种认识比普朗克的认识大大进展了这种认识比普朗克的认识大大进展了一步。一步。1.光量子（光子）假说1.频率为频率为 的的光是由大量能量为光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速方向以光速 c 运动。运动。2.越高，
33、光子能量越大，越高，光子能量越大，光子能量与光强无关。光子能量与光强无关。3.一定时，光强越大，一定时，光强越大，光子数越多。光子数越多。2.爱因斯坦方程 根据能量守恒原理，在光电效应中金属中的电根据能量守恒原理，在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量子吸收了光子的能量hv，一部分消耗在电子逸出功，一部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子的初动能，另一部分变为光电子的初动能 Ek0。金属中的自由电子处于不同的能级上，逸金属中的自由电子处于不同的能级上，逸出功出功A指指最高能级（费米能级）上的电子最高能级（费米能级）上的电子逸出逸出时克服阻力所需做的功。时克服阻力所需做的功。根据爱因斯坦方
34、程可以完全解释光电效应的实验规律。根据爱因斯坦方程可以完全解释光电效应的实验规律。不同金属的逸出功不同，红限频率也不同。不同金属的逸出功不同，红限频率也不同。可以解释红限频率的存在可以解释红限频率的存在可以解释截止电压与入射频率成线性关系可以解释截止电压与入射频率成线性关系此时电子初动能为零！此时电子初动能为零！光强越大，表示单位时间内入射的光子数越多，光强越大，表示单位时间内入射的光子数越多，逸出的光电子数也就越多，饱和电流就越大。逸出的光电子数也就越多，饱和电流就越大。可以解释光电效应的延迟时间短可以解释光电效应的延迟时间短可以解释饱和电流和光强的关系可以解释饱和电流和光强的关系一个光子的
35、能量一次整个地被电子吸收，过程需一个光子的能量一次整个地被电子吸收，过程需时很短，因而光电子的发射是即时的。时很短，因而光电子的发射是即时的。3.光电效应的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间美国物理学家密立根，花了十年时间做了做了“光电效应光电效应”实验，结果在实验，结果在1916年证年证实了爱因斯坦方程，测定的实了爱因斯坦方程，测定的h 值与其他方值与其他方法测量的值符合得很好。从实验上直接验法测量的值符合得很好。从实验上直接验证了光子假说和光电效应方程的正确性。证了光子假说和光电效应方程的正确性。密立根利用截止电压密立根利用截止电压Us与入射与入射光的频率光的频率v的正比直线的斜率的正
36、比直线的斜率K计算出普朗克常数数值：计算出普朗克常数数值：4.光电效应的应用 利用光电效应中利用光电效应中光电流与入射光强成正比光电流与入射光强成正比的特性，可以制造的特性，可以制造光电转换器光电转换器，实现光信号与，实现光信号与电信号之间的相互转换电信号之间的相互转换。这些光电转换器如光。这些光电转换器如光电管等，广泛应用于光功率测量、光信号记录、电管等，广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。电影、电视和自动控制等诸多方面。光电倍增管光电倍增管是把光信号变为电信号的常用器件。是把光信号变为电信号的常用器件。它可将一束微弱的入射光转变成放大的光电流，再通它可将一束微
37、弱的入射光转变成放大的光电流，再通过电流计显示出来。光电倍增管在科研、工程和军事过电流计显示出来。光电倍增管在科研、工程和军事上有很大的应用。上有很大的应用。由相对论质速关系由相对论质速关系光子的静止质量光子的静止质量否则否则光子的能量就是它的动能！光子的能量就是它的动能！1.光子的能量（动能）由相对论光子的质能关系由相对论光子的质能关系光子的质量光子的质量三三.光子的能量、动量光子的能量、动量 光子的速度光子的速度光子的能量光子的能量photon 2.光子的动量由实验测出光压，说明光子有动量。由实验测出光压，说明光子有动量。1.波动性 光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、光在传播过程中
38、表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。偏振现象。2.粒子性 光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。应，康普顿效应。四四.光的波粒二象性光的波粒二象性 光同时具有波动性和粒子性的双重性质，光同时具有波动性和粒子性的双重性质，这就是光的这就是光的波粒二象性波粒二象性。wave-particle duality 波动性特征：波动性特征：粒子性特征：粒子性特征：波长大或障碍物小波长大或障碍物小波动性突出波动性突出波长小或障碍物大波长小或障碍物大粒子性突出粒子性突出h将光的粒子性与波动性联系起来。将光的粒子性与波动性联系起来。3.光的波粒二象性