第十七章 能量量子化(張菡)

1、第十七章 能量量子化1、能量量子化與黑體輻射有關(guān)與黑體輻射有關(guān)“明朗的天空中還有兩朵小小的、令人不安的烏云明朗的天空中還有兩朵小小的、令人不安的烏云”與光速問(wèn)題有關(guān)與光速問(wèn)題有關(guān)量子理論量子理論相對(duì)論相對(duì)論 一切物體都在輻射電磁波，所輻射電一切物體都在輻射電磁波，所輻射電磁波的特征與物體溫度有關(guān)，故叫做磁波的特征與物體溫度有關(guān)，故叫做熱輻射熱輻射。物體。物體發(fā)射電磁波的原因是發(fā)射電磁波的原因是由于由于物體物體中的分子、原子受到中的分子、原子受到激發(fā)。熱輻射過(guò)程中熱能激發(fā)。熱輻射過(guò)程中熱能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為電磁能。電磁能。 一般材料一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度的物體，輻射電磁波的情況除與溫

2、度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)。有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)。熱輻射熱輻射 例如：鐵塊例如：鐵塊 溫度溫度 從從看不出發(fā)光看不出發(fā)光到到暗紅暗紅到到橙色橙色到到黃白色黃白色直覺(jué)直覺(jué): : 低溫物體發(fā)出的是低溫物體發(fā)出的是紅外光紅外光 熾熱物體發(fā)出的是熾熱物體發(fā)出的是可見(jiàn)光可見(jiàn)光 高溫物體發(fā)出的是高溫物體發(fā)出的是紫外光紫外光注意：注意： 熱輻射熱輻射與溫度有關(guān)與溫度有關(guān) 激光激光 日光燈發(fā)光不是熱輻射日光燈發(fā)光不是熱輻射黑體黑體能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體。不透明的材料制成帶小孔的的空腔,小孔可近似看作黑體。黑體輻射規(guī)律黑體輻射規(guī)

3、律黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)。隨溫度升高，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都在增強(qiáng)，并且輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短方向移動(dòng)。科學(xué)家試圖解釋黑體輻射規(guī)律1、能量量子化M.Planck 德國(guó)人 185819471900.10.19 普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上提出黑體輻射公式上提出黑體輻射公式12)(/32kThechTMsJ10626.634h普朗克常量普朗克常量輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子諧振子諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能可具有任意值。相應(yīng)的能量

4、是某一最小能量量（稱為能量子）的整數(shù)倍即稱為能量子）的整數(shù)倍即nn。其中其中 n n稱為量子數(shù)稱為量子數(shù)h1、能量量子化量子化量子化分立的，不連續(xù)的分立的，不連續(xù)的2、光的粒子性光的干涉、衍射現(xiàn)象光的干涉、衍射現(xiàn)象光電效應(yīng)光電效應(yīng)光電效應(yīng) 在光的照射下電子從物體表面逸出的現(xiàn)象，叫做在光的照射下電子從物體表面逸出的現(xiàn)象，叫做光電效光電效應(yīng)應(yīng). . 逸出的電子叫逸出的電子叫光電子光電子思考：金屬板帶什么電荷？驗(yàn)電器帶什么電荷？思考：金屬板帶什么電荷？驗(yàn)電器帶什么電荷？光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1、存在飽和電流飽和電流，且在光的顏色不變情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大。2、存在遏止電壓遏止電壓，且遏止電壓只

5、與光的頻率有關(guān)，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。3、光電效應(yīng)有一截止頻率截止頻率。4、光電效應(yīng)發(fā)生幾乎為瞬間瞬間（10-9秒）1、存在飽和電流飽和電流，且在光的顏色不變情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大。2、存在遏止電壓遏止電壓，且遏止電壓只與光的頻率有關(guān)，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。3、光電效應(yīng)有一截止頻率截止頻率。4、光電效應(yīng)發(fā)生幾乎為瞬間瞬間（10-9秒）對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的解釋遏止電壓遏止電壓經(jīng)典電磁理論的困難經(jīng)典電磁理論的困難增大光強(qiáng)可增大光電子增大光強(qiáng)可增大光電子動(dòng)能，提高遏止電壓動(dòng)能，提高遏止電壓矛盾：矛盾：遏止電壓與光強(qiáng)遏止電壓與光強(qiáng)無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)截止頻率截止頻率增大光強(qiáng)可增大光作用增大光強(qiáng)可增大光作用于電子的力，不存在

6、截于電子的力，不存在截止頻率止頻率矛盾：矛盾：頻率低于截止頻頻率低于截止頻率，無(wú)論光強(qiáng)多少都不率，無(wú)論光強(qiáng)多少都不能發(fā)生光電效應(yīng)。能發(fā)生光電效應(yīng)。瞬時(shí)性瞬時(shí)性電子吸收能量需要時(shí)間電子吸收能量需要時(shí)間積累積累矛盾：矛盾：發(fā)生光電效應(yīng)幾發(fā)生光電效應(yīng)幾乎不需要時(shí)間積累乎不需要時(shí)間積累愛(ài)因斯坦光子說(shuō)愛(ài)因斯坦光子說(shuō)飽和電流飽和電流愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)愛(ài)因斯坦的光子說(shuō) 光可以看成是由光源發(fā)出光可以看成是由光源發(fā)出的的不連續(xù)不連續(xù)的粒子流，這種粒子叫的粒子流，這種粒子叫做光子或光量子。每個(gè)光子的能做光子或光量子。每個(gè)光子的能量量和光頻率和光頻率成正比，即式中成正比，即式中的的h h是一個(gè)恒量，叫做普朗克常是一個(gè)

7、恒量，叫做普朗克常數(shù)。數(shù)。KEWh0光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)方程對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的解釋遏止電壓遏止電壓經(jīng)典電磁理論的困難經(jīng)典電磁理論的困難增大光強(qiáng)可增大光電子增大光強(qiáng)可增大光電子動(dòng)能，提高遏止電壓動(dòng)能，提高遏止電壓矛盾：矛盾：遏止電壓與光強(qiáng)遏止電壓與光強(qiáng)無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)截止頻率截止頻率增大光強(qiáng)可增大光作用增大光強(qiáng)可增大光作用于電子的力，不存在截于電子的力，不存在截止頻率止頻率矛盾：矛盾：頻率低于截止頻頻率低于截止頻率，無(wú)論光強(qiáng)多少都不率，無(wú)論光強(qiáng)多少都不能發(fā)生光電效應(yīng)。能發(fā)生光電效應(yīng)。瞬時(shí)性瞬時(shí)性電子吸收能量需要時(shí)間電子吸收能量需要時(shí)間積累積累矛盾：矛盾：發(fā)生光電效應(yīng)幾發(fā)生光電效應(yīng)幾乎不需要時(shí)間積累乎不

8、需要時(shí)間積累愛(ài)因斯坦光子說(shuō)愛(ài)因斯坦光子說(shuō)飽和電流飽和電流0WhEUekhWc0一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量光電子的最大初動(dòng)能與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，光電子的最大初動(dòng)能與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，由入射光頻率決定由入射光頻率決定電子只要吸收一個(gè)光子就可以電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時(shí)從金屬表面逸出，所以不需時(shí)間的累積間的累積同頻率的光，光越強(qiáng)，包含同頻率的光，光越強(qiáng)，包含的光子數(shù)越多，產(chǎn)生的光電的光子數(shù)越多，產(chǎn)生的光電子越多，飽和電流越大。子越多，飽和電流越大。光電效應(yīng)的規(guī)律康普頓效應(yīng) 光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變因而傳

9、播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做光的散射光的散射 1923 1923年康普頓在做年康普頓在做 X X 射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng)線波長(zhǎng) 和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。 根據(jù)根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率等

10、于入射光頻率，所以它所發(fā)射的射的散射光頻率散射光頻率應(yīng)應(yīng)等于入射光頻率等于入射光頻率。更無(wú)法。更無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系散射角的關(guān)系。 如果把光的散射看作如果把光的散射看作光子和電子作彈性碰撞，根據(jù)動(dòng)量光子和電子作彈性碰撞，根據(jù)動(dòng)量守恒原理，可以完美的解釋康普頓效應(yīng)。這進(jìn)一步證明了光守恒原理，可以完美的解釋康普頓效應(yīng)。這進(jìn)一步證明了光子和實(shí)物粒子一樣子和實(shí)物粒子一樣具有動(dòng)量具有動(dòng)量。康普頓于康普頓于19271927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)?？灯疹D效應(yīng)的意義（1 1）有力地支持了愛(ài)因斯坦）有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子光量子”假設(shè)；假設(shè)； （2 2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了

11、）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量光子具有動(dòng)量” 的假設(shè)；的假設(shè)；（3 3）證實(shí)了）證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中， 動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。光子的動(dòng)量hchcEphEpccmcmcE2又 在康普頓效應(yīng)中，有些光子的在康普頓效應(yīng)中，有些光子的動(dòng)量動(dòng)量由于碰撞由于碰撞減小減小了，了，故故波長(zhǎng)變大波長(zhǎng)變大了。了。3、粒子的波動(dòng)性光的本性光的本性：光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。：光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。hPhE光子的能量：光子的能量：光子的動(dòng)量：光子的動(dòng)量：能量和動(dòng)量是描述物質(zhì)能量和動(dòng)

12、量是描述物質(zhì)粒子性粒子性的物理量的物理量頻率頻率和波長(zhǎng)是描述物質(zhì)和波長(zhǎng)是描述物質(zhì)波動(dòng)性波動(dòng)性的物理量的物理量h架起架起了粒子性和波動(dòng)性之間的橋梁了粒子性和波動(dòng)性之間的橋梁波粒二象性推廣到實(shí)物粒子德布羅意德布羅意實(shí)物粒子也具有波動(dòng)實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性，稱為性，稱為物質(zhì)波物質(zhì)波或或德布羅意波德布羅意波ph1929諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1927年，戴維孫年，戴維孫 、湯姆孫分別通過(guò)實(shí)、湯姆孫分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)電子的衍射作用，證實(shí)了驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)電子的衍射作用，證實(shí)了電子的波動(dòng)性。電子的波動(dòng)性。1937諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)4、概率波“經(jīng)典的粒子”任意時(shí)刻確定的位置和速度，以及時(shí)空中的 確定的軌道?！敖?jīng)典的波”在空間彌散開來(lái)的，具有頻率和波長(zhǎng)，具有時(shí)空的周期性。物質(zhì)波不是物質(zhì)波不是“經(jīng)典波經(jīng)典波”，而是，而是“概率波概率波”單個(gè)光子的位置不能確定，但大量光子在某處出現(xiàn)的概率符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可通過(guò)波動(dòng)規(guī)律確定單縫衍射光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方振幅的平方成正比。成正比。少量光子的行為體現(xiàn)粒子性，大量光子的行為體