第二十一章光的量子性Read课件.ppt

1、课件制作人基础课部物理教研室赵存虎2001.10.主要参考资料：主要参考资料：清华大学编清华大学编大学物理电子课件大学物理电子课件一、热辐射现象一、热辐射现象1.基本性质：基本性质：温度温度 电磁波的短波成分电磁波的短波成分.2.任何物体在任何温度下都不断地向周围空间任何物体在任何温度下都不断地向周围空间辐射电磁波辐射电磁波,这一现象称为热辐射这一现象称为热辐射.例如：加热铁块例如：加热铁块800K以上，可见光成分逐以上，可见光成分逐渐显著。渐显著。辐辐射的能量射的能量 物体中的分子、原子的热运动使它们有能物体中的分子、原子的热运动使它们有能量交换，辐射电磁波。量交换，辐射电磁波。2.热辐射机

2、理热辐射机理:3.单色辐出度单色辐出度M 单位时间内从物体单位表面积发射的单位时间内从物体单位表面积发射的波长波长在在 附近单位波长附近单位波长d 间隔内的辐射能间隔内的辐射能dM 与与d 的的比值，用比值，用M 表示表示 ddMTM)(.3.二、黑体和黑体辐射的实验规律二、黑体和黑体辐射的实验规律1.黑体黑体 能能完全完全吸收吸收各种波长电磁波各种波长电磁波而无反射和透而无反射和透射的物体，射的物体，M 最大且最大且只与温度有关而和材只与温度有关而和材料及表面状态无关。料及表面状态无关。.4.平衡热辐射：平衡热辐射：物体辐射的能量等于在同一时物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量间内所吸

3、收的能量.2.维恩设计的黑体维恩设计的黑体4维恩位移律维恩位移律 m=b/Tb=2.89775610-3 mK5理论与实验的对比理论与实验的对比3.斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律M(T)=T 4 =5.67 10-8 W/m2K4三、经典物理学遇到的困难三、经典物理学遇到的困难.5.为了与实验结果相吻合为了与实验结果相吻合,普普朗克假设朗克假设:物体辐射或吸收频物体辐射或吸收频率为率为的电磁波时的电磁波时,交换的能量交换的能量只能是只能是h 的整数倍的整数倍.2.普朗克的假设普朗克的假设(1900)经典经典观点观点能量能量1.“谐振子谐振子”的概念的概念(1900年以前年以前)量子量子

4、观点观点.6.根据经典热力学理论根据经典热力学理论,物体中大量带电粒物体中大量带电粒子的振动子的振动,可看作可看作谐振子谐振子的振动的振动,它们向周围它们向周围辐射电磁波辐射电磁波,形成连续能谱形成连续能谱.h=6.626075510-34 Js3.普朗克公式普朗克公式 1/1522 kThcehcTM 黑体单色辐出度黑体单色辐出度普朗克常数：普朗克常数：h 能量子能量子:(最小能量单位最小能量单位).7.一、光电效应一、光电效应.8.金属及其化合物在光照射下从表面发射电子金属及其化合物在光照射下从表面发射电子的现象。的现象。演演示示动动画画v 实验装置及规律实验装置及规律阴阴极极阳阳极极KA

5、 在光的照射下，从阴极在光的照射下，从阴极K表面上逸出电子表面上逸出电子(称称为为光电子光电子)，在回路中形成电流，在回路中形成电流(光电流光电流)。im1im2-UcUAK遏止电压遏止电压单色光单色光照射阴极照射阴极K.9.1、存在截止频率、存在截止频率(又称又称红限红限)如锌板用如锌板用紫外线紫外线照照射，能产生光电效应，射，能产生光电效应，用其他可见光照射则用其他可见光照射则不能产生光电效应。不能产生光电效应。对于一定的金属阴极，对于一定的金属阴极，只有当照射光频率只有当照射光频率大于某一频率大于某一频率0 0 时，才会产生光电效应，时，才会产生光电效应，低低于这个频率的光，无论光强怎样

6、大，也不能于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。产生光电效应。.10.当加上反向电压当加上反向电压时，仍有光电流产时，仍有光电流产生；直至反向电压生；直至反向电压加大到某一值时，加大到某一值时，光电流完全消失，光电流完全消失，这个电压称为这个电压称为遏止遏止电压电压，用，用Uc表示表示.0 0 称为称为截止频率截止频率或或红限频率红限频率。(1014Hz)4.06.08.0 10.00.01.02.0Uc(V)CsNaCa.11.),(0 KUc金金 属属钨钨钙钙钠钠钾钾铷铷铯铯截止频率截止频率 0(1014Hz)10.957.735.535.445.154.69逸出功逸出功A(

7、ev)4.543.202.292.252.131.94 增大增大A、K之间的电压之间的电压UAK，光电流增大；，光电流增大；当电压当电压UAK足够大后，电流不再改变，这就是足够大后，电流不再改变，这就是饱和光电流饱和光电流。此时若再增大照射光的强度，光。此时若再增大照射光的强度，光电流会随之增大，而且电流会随之增大，而且饱和光电流饱和光电流 im 与照射与照射光强度光强度 I成正比成正比。3、光电流与照射光的强度成正比、光电流与照射光的强度成正比122、即照即生光电子、即照即生光电子 即使入射光强度非常弱即使入射光强度非常弱,只要入射光频率大于只要入射光频率大于某一频率某一频率,从光照射金属表

8、面从光照射金属表面,到光电子首次逸到光电子首次逸出出,驰豫时间不超过驰豫时间不超过10-9s(几乎无须时间积累几乎无须时间积累).v遏止电压与照射频率成正比遏止电压与照射频率成正比,与照射光强无关与照射光强无关.Neim 则则IN Iim v 推论推论：单位时间内从阴极单位时间内从阴极K上逸出的光电上逸出的光电子数子数N与与照射光强度照射光强度 I成正比。成正比。4、光电子的、光电子的最大初动能最大初动能与照射光的与照射光的强度无关强度无关，只与照射光的只与照射光的频率有关频率有关.13.Iim 设设：N是饱和状态下单位时间内从阴极是饱和状态下单位时间内从阴极K上上逸出的逸出的电子数电子数 光

9、电效应中，从金属中逸光电效应中，从金属中逸出来的光电子，有些从金属出来的光电子，有些从金属表面直接飞出，而另外一些表面直接飞出，而另外一些则从金属内部出来，沿途与则从金属内部出来，沿途与其它粒子碰撞，损失部分能其它粒子碰撞，损失部分能量。因此光电子的速度会有量。因此光电子的速度会有差异，直接从金属表面飞出差异，直接从金属表面飞出的速度最大，其动能称为的速度最大，其动能称为最最大初动能。大初动能。最大初动能最大初动能设光电子的最大初动能为设光电子的最大初动能为 221mmvmvv.14.当两极间加上当两极间加上反向电压反向电压后后,电场力对从电场力对从K极板极板飞出的飞出的光电子光电子作负功作负

10、功,使光电子速度减小使光电子速度减小;当电当电场力作的功场力作的功eUc恰好等于光电子的恰好等于光电子的最大初动能最大初动能时时,光电子到达光电子到达A极板时的动能将变为零极板时的动能将变为零.Uc甲m,eKA+-)(2102 eKUemvcm.15.3.光电子的光电子的最大初动能最大初动能应与照射光的强度有关应与照射光的强度有关,而而与频率无关与频率无关.二、二、光的光的经典经典电磁理论电磁理论遇到的困难遇到的困难2.阴极电子积阴极电子积累能量达到累能量达到逸出功逸出功(电子脱离金属电子脱离金属表面原子的引力所需的功表面原子的引力所需的功)需要一段时间，光电需要一段时间，光电效应效应不应瞬时

11、发生；不应瞬时发生；1.无论照射光的频率如何，金属中的电子总能无论照射光的频率如何，金属中的电子总能吸收照射光足够的能吸收照射光足够的能量，从而逸出金属表面，量，从而逸出金属表面，不应存在不应存在截止频率截止频率；v推论推论:当照射光的频率当照射光的频率大于截止频率大于截止频率0时时,光电光电子的子的最大初动能与照射光的频率成正比最大初动能与照射光的频率成正比.按照光的按照光的经典经典电磁理论电磁理论.16.电磁辐射电磁辐射(或光或光)是由一束以光速是由一束以光速 c 运动的粒运动的粒子流组成，这些粒子称为子流组成，这些粒子称为光子；频率为光子；频率为 的每的每一个光子具有能量一个光子具有能量

12、=h ,它不能被再分割，而它不能被再分割，而只能整个地被产生或吸收；只能整个地被产生或吸收；频率为频率为 的单色光的单色光照射金属时，一个电子一次只能吸收一个光子照射金属时，一个电子一次只能吸收一个光子的能量的能量h.一、爱因斯坦光量子假设一、爱因斯坦光量子假设(1905):.17.二、爱因斯坦光电效应方程二、爱因斯坦光电效应方程 Amvhm 221 h 一个电子吸收一个光子的能量；一个电子吸收一个光子的能量；爱因斯坦方程爱因斯坦方程 设设 A 为电子的为电子的逸出功逸出功(电子脱离金属表面时电子脱离金属表面时克服表面原子的引力所需作的功克服表面原子的引力所需作的功;A决定于金决定于金属本身的

13、性质属本身的性质)则则:电子脱离金属表面时的最大初动能电子脱离金属表面时的最大初动能.221mmv三、爱因斯坦对光电效应的解释三、爱因斯坦对光电效应的解释由由爱因斯坦方程爱因斯坦方程可知：可知：.18.4.因入射光强因入射光强 I与单位时间内的光子数成正比，与单位时间内的光子数成正比，所以也与单位时间内逸出的光电子数成正比，所以也与单位时间内逸出的光电子数成正比，也就与饱和光电流也就与饱和光电流im成正比。成正比。因而，因而，红限频率红限频率为为 hA 0 1.当当 时，时，即不产生光电效应；，即不产生光电效应；0212 mmvhA 2.因因A一定，所以一定，所以 与频率与频率成正比成正比；2

14、21mmv3.因一个电子一次性吸收一个光子的能量，不因一个电子一次性吸收一个光子的能量，不需要积累时间，所以发射几乎是瞬时的；需要积累时间，所以发射几乎是瞬时的；.19.四、光四、光(电磁辐射电磁辐射)的波粒二象性的波粒二象性1.近代物理理论认为光具有波粒二象性近代物理理论认为光具有波粒二象性在有些情况下，光突出显示出波动性，而在在有些情况下，光突出显示出波动性，而在另一些情况下，则突出显示出粒子性。另一些情况下，则突出显示出粒子性。粒子不是经典概念粒子粒子不是经典概念粒子,波也不是经典概念波波也不是经典概念波.2.基本关系式基本关系式粒子性：能量粒子性：能量 ,动量动量P波动性：波动性：波长

15、波长 ,频率频率 光子质量：光子质量：chchcm 22光子动量：光子动量：hchcmp .20.一、康普顿效应一、康普顿效应(1923)X射线在石墨上的散射射线在石墨上的散射准直系统准直系统入射光入射光 0 散射光散射光 探测器探测器石墨石墨散射体散射体 .21.在散射在散射X射线中，射线中，除有与入射线相同波除有与入射线相同波长的射线外，还有比长的射线外，还有比入射线波长更长的射入射线波长更长的射线，这一现象称为线，这一现象称为康康普顿效应。普顿效应。a.原子量小的物质，康普顿散射线相对较强；原子量小的物质，康普顿散射线相对较强；光子与电子的弹性碰撞光子与电子的弹性碰撞二、用光子理论解释康

16、普顿效应二、用光子理论解释康普顿效应c.对于同一散射角对于同一散射角,-0与散射物质无关与散射物质无关.b.波长的改变量波长的改变量-0随散射角随散射角的增大而增大；的增大而增大；22)cos1(0 cmhe实验发现实验发现:散射线波长散射线波长与入射线波长与入射线波长0之差之差1)X射线光子与原子中束缚较弱的电子弹性射线光子与原子中束缚较弱的电子弹性 碰撞碰撞,3)碰撞过程中能量与动量守恒碰撞过程中能量与动量守恒 vmnchnchcmhcmheee 00220vmench 00nch 由由=h可知可知:光子光子 ；)cos1(2sin220 cmhcmhee2)原子量小的原子中的电子受束缚较弱原子量小的原子中的电子受束缚较弱,容易被碰容易被碰出出,因而波长较长的康普顿散射线相对较强；因而波长较长的康普顿散射线相对较强；.23.eem