1、N.玻尔、玻尔、M.玻恩、玻恩、W.L.布拉格、布拉格、L.V.德布罗意、德布罗意、A.H.康普顿、康普顿、M.居里、居里、P.A.M 狄喇克、狄喇克、A.爱因斯坦、爱因斯坦、W.K.海森堡、郞之万、海森堡、郞之万、W.泡利、普朗克、薛定谔泡利、普朗克、薛定谔 等等 本章内容本章内容15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 15.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说15.3 康普顿效应康普顿效应15.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论15.5 微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性 不确定关系不确定关系 15.6 波函数波函数 一维定
2、态薛定谔方程一维定态薛定谔方程 15.7 氢原子的量子力学描述氢原子的量子力学描述 电子自旋电子自旋15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 Suling Chang一一 热辐射热辐射1.热辐射热辐射:由温度决定的物体的电磁辐射。由温度决定的物体的电磁辐射。a.任何物体在任何温度下都在吸收和发射电磁波任何物体在任何温度下都在吸收和发射电磁波.15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 Suling Chang b.b.实验证明不实验证明不同温度下物体能发同温度下物体能发出不同的电磁波，出不同的电磁波，能量按频率的分布能量按频率的分布随温度而不同随温度而不同.辐射波
3、中短波辐射波中短波部分所占的比例会部分所占的比例会随着温度的升高而随着温度的升高而增大增大.c.物体辐射本领越大，其吸收本领也越大。物体辐射本领越大，其吸收本领也越大。15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 Suling Chang室室温温高高 温温2.平衡热辐射平衡热辐射:辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射称为平衡热辐射。再变化，此时物体的热辐射称为平衡热辐射。15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 Suling Chang 3.单色辐出度：单色辐出度：一定温度一定温度 T 下，物下，物体单位面元在
4、单位体单位面元在单位时间内时间内 发射的波长发射的波长在在 +d 内的辐内的辐射能射能 dM 与波长间与波长间隔隔 d 的比值的比值0 2 4 6 8 10 12钨丝和太阳的单色辐出度曲线钨丝和太阳的单色辐出度曲线2 1210468太阳太阳可见可见光区光区 钨丝钨丝（5800K5800K）太阳太阳（5800K5800K）钨丝钨丝15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 Suling Chang4.辐出度：辐出度：物体物体(温度温度 T)单位表面积在单位时间内单位表面积在单位时间内发射的辐射能，为发射的辐射能，为 二二 黑体辐射黑体辐射1.绝对黑体绝对黑体(黑体黑体)：能够能够全
5、部吸收各种波长的辐射全部吸收各种波长的辐射且不反射和透射的物体。且不反射和透射的物体。黑色的烟煤被认为是最接近绝对黑体的自然物质。黑色的烟煤被认为是最接近绝对黑体的自然物质。15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 Suling Chang 黑体的理想模型：黑体的理想模型：不透明材料制成带有小孔的空不透明材料制成带有小孔的空腔，可视为一温度为腔，可视为一温度为T表面积与小孔相当的黑体发生表面积与小孔相当的黑体发生的平衡热辐射。的平衡热辐射。15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 Suling ChangMB(10-7 W/m2 m)(m)可见光可见光5000K
6、6000K3000K4000K 0.5 1.0 1.5 2.010502.黑体的单色辐出度实验曲线黑体的单色辐出度实验曲线 1.在相同温度下，在相同温度下，黑体的吸收本领最黑体的吸收本领最强，强，辐射本领也最辐射本领也最大大。2.黑体的单色辐黑体的单色辐出度仅与出度仅与波长和温波长和温度有关度有关，与材料、，与材料、大小、形状以及表大小、形状以及表面状况无关。面状况无关。3.斯特藩斯特藩 玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律（1 1）斯特藩斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律斯特藩斯特藩玻尔兹曼常量玻尔兹曼常量（2）维恩位移定律维恩位移定律常量常量峰值波长峰值波长15.1 热辐射热辐射
7、 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 Suling Chang15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 Suling Chang太阳表面温度太阳表面温度辐出度辐出度 例例 测得太阳光谱的峰值波长在绿光区域，为测得太阳光谱的峰值波长在绿光区域，为 m=0.47 m.试估算试估算太阳的表面温度和辐出度。太阳的表面温度和辐出度。太阳不是黑体，所以按黑体计算出的太阳不是黑体，所以按黑体计算出的 Ts 低于太阳的实际温度；低于太阳的实际温度；M B(T)高于实际辐出度。高于实际辐出度。解解15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 Suling Chang维恩线维恩线瑞利瑞利
8、 金斯线金斯线紫外灾难紫外灾难三三 经典物理的困难经典物理的困难15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 Suling Chang 经典理论的基本观点经典理论的基本观点1）电磁辐射来源于）电磁辐射来源于腔壁中腔壁中带电谐振子的振动，带电谐振子的振动，电电磁波的频率与振动频率相同磁波的频率与振动频率相同。2）振子辐射的电磁波含有各种）振子辐射的电磁波含有各种波长波长，是连续的，是连续的，辐射辐射能量能量也是也是连续连续的。的。3）温度升高，振子振动加强，辐射能增大。）温度升高，振子振动加强，辐射能增大。四四 普朗克假设普朗克假设 普朗克常量普朗克常量 空腔壁上的带电谐振子吸收或发
9、射能量应为空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为 15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 Suling Chang能量子能量子15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 Suling Chang普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式0 1 2 3 6瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式123 45普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线实验值实验值*“我当时打算将我当时打算将基本作用量子基本作用量子 h 归并到经典归并到经典理论范畴中去，理论范畴中去，但这个常数对但这个常数对所有这种企图所有这种企图的回答都是无的回答都是无情的情的”15.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假设
10、普朗克能量子假设 Suling Chang普朗克（普朗克（18581947）一一 光电效应实验的规律光电效应实验的规律VA 光照射至金属表面光照射至金属表面,电子从金电子从金属表面逸出属表面逸出,称其为称其为光电子光电子.实验规律实验规律 截止频率（红限）截止频率（红限）几种纯几种纯金属的金属的截截止止频率频率 仅当仅当 才发生光电效应，才发生光电效应，截止频率与截止频率与材料有关材料有关与与光强无关光强无关 .金属金属截止频率截止频率4.545 5.508.065 11.53铯铯 钠钠 锌锌 铱铱 铂铂 19.2915.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说 Suling C
11、HANG 电流饱和值电流饱和值 遏止电压遏止电压 瞬时性瞬时性 遏止电势差与入射光频率遏止电势差与入射光频率具有线性关系具有线性关系.当光照射到金属表面上时，当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出几乎立即就有光电子逸出（光强）（光强）遏止电压遏止电压 与光强无关与光强无关15.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说 Suling CHANG 电子逸出金属需要有一定的时间来积累，一直积电子逸出金属需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止累到足以使电子逸出金属表面为止.与实验结果不符与实验结果不符 .二二 经典理论遇到的困难经典理论遇到的困难 红限问题红
12、限问题 瞬时性问题瞬时性问题 无论何种频率的入射光无论何种频率的入射光,只要其强度足够大，就能只要其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属使电子具有足够的能量逸出金属 .与实验结果不符与实验结果不符.15.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说 Suling CHANG 光电子最大初动能光电子最大初动能(或遏制电压或遏制电压)取决于光强，取决于光强，和光的频率和光的频率 无关。无关。遏止电压遏止电压三三 光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程“光量子光量子”假设假设:光子的能量为光子的能量为15.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说 Suling CHANG
13、 爱因斯坦方程爱因斯坦方程 逸出功与材料有关逸出功与材料有关几种金属的逸出功几种金属的逸出功金属金属钠钠 铝铝 锌锌 铜铜 银银 铂铂2.28 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35 逸出功逸出功爱因斯坦方程爱因斯坦方程产生光电效应条件条件产生光电效应条件条件（截止频率）（截止频率）光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电 子数目越多，光电流越大子数目越多，光电流越大.（时）时）若若 ，一个光子携带的能量，一个光子携带的能量 将一将一 次性被一个电子吸收电子立即逸出次性被一个电子吸收电子立即逸出（瞬时瞬时性）性）.15.2 光电效应光电
14、效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说 Suling CHANG 15.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说 Suling CHANG 思考若测出某种金属的曲线的若测出某种金属的曲线的斜率和横轴上的截距，则可得斜率和横轴上的截距，则可得h=,逸出功逸出功ee15.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说 Suling CHANG 例例 某金属表面被蓝光照射时有光电子某金属表面被蓝光照射时有光电子逸出，若增加蓝光的强度，则逸出，若增加蓝光的强度，则 （A）单位时间内逸出的光电子数增加；）单位时间内逸出的光电子数增加；（B）逸出的光电子的初动能增加；）逸出的光电子的
15、初动能增加；（C）光电效应的红限频率变小；）光电效应的红限频率变小；（D）发射光电子所需的时间缩短。）发射光电子所需的时间缩短。例例1 波长为波长为450nm的单色光射到纯钠的表面上的单色光射到纯钠的表面上.求求 （1）这种光的光子能量和动量；这种光的光子能量和动量；（2）光电子逸出钠表面时的动能；光电子逸出钠表面时的动能；（3）若光子的能量为若光子的能量为2.40eV，其波长为多少？，其波长为多少？解解（1）（2）（3）15.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说 Suling CHANG 光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、光控继电器、
16、自动控制、自动计数、自动报警等自动计数、自动报警等.光电倍增管光电倍增管放大器放大器接控件机构接控件机构光光光控继电器示意图光控继电器示意图15.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说 Suling CHANG 四四 光的波粒二象性光的波粒二象性描述光的描述光的 粒子性粒子性 描述光的描述光的 波动性波动性 光子光子 相对论能量和动量关系相对论能量和动量关系（2 2）粒子性：粒子性：（光电效应等）（光电效应等）（1 1）波动性：波动性：光的干涉和衍射光的干涉和衍射15.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说 Suling CHANG 1920 1920年，美国物
17、理学家康普顿在观察年，美国物理学家康普顿在观察X X射线被物质射线被物质散射时，发现散射时，发现散射散射线中含有线中含有波长波长发生发生变化变化了的成分了的成分.一一 实验装置实验装置15.3 康普顿效应康普顿效应 Suling CHANG 经典电磁理论预言，经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射散射辐射具有和入射辐射一样的频率一样的频率.经典理论无经典理论无法解释波长变化法解释波长变化.二二 实验结果实验结果（相对强度）（相对强度）（波长）（波长）在散射在散射X X 射线中除有射线中除有与入射波长相同的射线外，与入射波长相同的射线外，还有波长比入射波长更长还有波长比入射波长更长的射线的射线
18、 .三三 经典理论的困难经典理论的困难15.3 康普顿效应康普顿效应 Suling CHANG 光子光子电子电子 电子反冲速度很大，需用电子反冲速度很大，需用相对论力学相对论力学来处理来处理.（1 1）物理模型物理模型 入射光子（入射光子（X 射线或射线或 射线）能量大射线）能量大 .固体表面电子束缚较弱，可视为固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子近自由电子.四四 量子解释量子解释电子电子光子光子 电子热运动能量电子热运动能量 ，可近似为，可近似为静止电子静止电子.范围为：范围为：15.3 康普顿效应康普顿效应 Suling CHANG（2）理论分析理论分析能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒1
19、5.3 康普顿效应康普顿效应 Suling CHANG（1）（2）康普顿波长康普顿波长 康普顿公式康普顿公式15.3 康普顿效应康普顿效应 Suling CHANG(2)2 -（1）代入）代入 散射光波长的改变量散射光波长的改变量 仅与仅与 有关有关 散射光子能量减小散射光子能量减小康普顿公式康普顿公式（3）结论结论15.3 康普顿效应康普顿效应 Suling CHANG（4）讨论讨论（5）物理意义物理意义 若若 则则 ,可见光观察可见光观察不不到康普顿效应到康普顿效应.光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性.微观粒子也遵守微观粒子也遵守能量守恒能量守
20、恒和和动量守恒动量守恒定律定律.与与 的关系的关系与物质无关与物质无关，是光子与近自由电子，是光子与近自由电子间的相互作用间的相互作用.散射中散射中 的散射光是因的散射光是因光子光子与金属中的与金属中的紧束缚紧束缚电子电子（内层电子）的作用（内层电子）的作用.康普顿公式康普顿公式15.3 康普顿效应康普顿效应 Suling CHANG 15.3 康普顿效应康普顿效应 Suling CHANG 光电效应与康普顿效应的区别？光电效应与康普顿效应的区别？思考（1 1）光电效应电子吸收全部入射光子的全部能）光电效应电子吸收全部入射光子的全部能量，而康普顿效应只吸收部分的能量；量，而康普顿效应只吸收部分
21、的能量；（2 2）光电效应入射光子能量较低）光电效应入射光子能量较低,而康普顿效应而康普顿效应入射线的能量稍高。入射线的能量稍高。解（解（1）例例 波长波长 的的X射线与静止的自由射线与静止的自由电子作弹性碰撞电子作弹性碰撞,在与入射角成在与入射角成 角的方向上观察角的方向上观察,问问（2）反冲电子得到多少动能？反冲电子得到多少动能？（1）散射波长的改变量散射波长的改变量 为多少？为多少？（3）在碰撞中，光子的能量损失了多少？在碰撞中，光子的能量损失了多少？（2）反冲电子的动能反冲电子的动能（3）光子损失的能量反冲电子的动能光子损失的能量反冲电子的动能15.3 康普顿效应康普顿效应 Suling CHANG 小结小结1.普朗克假设普朗克假设 空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为 2.光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程“光量子光量子”假设假设:光子的能量为光子的能量为爱因斯坦方程爱因斯坦方程3.光的波粒二象性光的波粒二象性能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒4.康普顿效应康普顿效应康普顿公式康普顿公式作业：16.116.5
