物理量子物理基礎(chǔ)

物理量子物理基礎(chǔ)1第1頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六早期量子論量子力學(xué)相對(duì)論量子力學(xué)普朗克能量量子化假說(shuō)愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)康普頓效應(yīng)玻爾的氫原子理論德布羅意實(shí)物粒子波粒二象性薛定諤方程波恩的物質(zhì)波統(tǒng)計(jì)解釋海森伯的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系狄拉克把量子力學(xué)與狹義相對(duì)論相結(jié)合2第2頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六紅外災(zāi)難

黑體，易于吸收熱輻射，紫外災(zāi)難維恩瑞利--金斯黑體輻射16.1黑體輻射普朗克得到了黑體輻射公式：它也必定易于向外發(fā)射熱輻射。3第3頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.普朗克的量子假設(shè)1900年12月14日，在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上演講——這一天定為量子力學(xué)的誕生日。能量不連續(xù)，只能是h的整數(shù)倍。1900年，普朗克提出能量子h

h=6.6310-34J.s——普朗克常數(shù)能量如商店里賣(mài)啤酒，只能一瓶一瓶賣(mài)出。4第4頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六他對(duì)自己的理論忐忑不安，“經(jīng)典理論給了我們這樣多有用的東西，因此，必須以最大的謹(jǐn)慎對(duì)待它，維護(hù)它……除非絕對(duì)必要，否則不要改變現(xiàn)有的理論?！?910年，他提出發(fā)射能量不連續(xù)，吸收連續(xù)，啤酒賣(mài)出去后就成了流體。1914年，發(fā)射也連續(xù)只有相互碰撞時(shí)才不連續(xù)。量子論普朗克把物理帶到量子論大門(mén)口，卻沒(méi)進(jìn)去。愛(ài)因斯坦、玻爾勇敢地闖了進(jìn)去！5第5頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1887年赫茲發(fā)現(xiàn)紫外光帶電粒子金屬一、光電效應(yīng)光電子實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：無(wú)光照時(shí)回路無(wú)電流有光照射(有條件)回路產(chǎn)生電流。當(dāng)光照射在金屬表面時(shí)，金屬表面有電子逸出的現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。16.2光的量子性6第6頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

飽和光電流I1I2I2>I1照射光強(qiáng)飽和光電流正比于光強(qiáng)K：陰極A：陽(yáng)極7第7頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六光電流的實(shí)質(zhì):就是從陰極K流向陽(yáng)極A的電子流。光電流大：光電流達(dá)到飽和：設(shè)N為單位時(shí)間從K極飛出的光電子數(shù),e為電子的電量單位時(shí)間內(nèi),從受光照射的電極上釋放出來(lái)的光電子數(shù)目N與入射光的強(qiáng)度I成正比。(1)光電子數(shù)和光強(qiáng)度的關(guān)系表示單位時(shí)間內(nèi)從K到A的光電子數(shù)多。表示從K飛出的光電子全部流入A。8第8頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

(2)光電子的初動(dòng)能與光頻率之間的關(guān)系當(dāng)U=0時(shí),說(shuō)明:光電子具有初動(dòng)能。當(dāng)反向電壓為Ua時(shí),說(shuō)明:具有最大初動(dòng)能的光電子也剛好不能達(dá)到A。使光電流=0的反向電壓的絕對(duì)值|Ua|稱(chēng)為遏止電壓。

I1I2I2>I1|Ua|與光強(qiáng)IUa與頻率ν實(shí)驗(yàn)表明UaUa無(wú)關(guān)有關(guān)9第9頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六與金屬種類(lèi)無(wú)關(guān)的常量與金屬種類(lèi)有關(guān)的常量光電子的最大初動(dòng)能與光的頻率呈線性關(guān)系,與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。10第10頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(3)光電效應(yīng)有一定的截止頻率要使受光照射的金屬逸出電子,入射光的頻率必須滿(mǎn)足光電效應(yīng)的紅限頻率(或紅限)當(dāng)光照射某一金屬時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)如何，照射時(shí)間多長(zhǎng)，只要入射光的頻率ν小于這一物質(zhì)的紅限ν0(ν<ν0)，就不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。11第11頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(4)光電效應(yīng)與時(shí)間的關(guān)系只要入射光的頻率ν大于紅限ν0

(ν>ν0)，從光開(kāi)始照射直到金屬釋放出光電子,其中的時(shí)間間隔小于10-9秒，幾乎是瞬時(shí)的，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。2.光電效應(yīng)與經(jīng)典理論的矛盾應(yīng)該與光強(qiáng)有關(guān)，而不是頻率。（2）只要光強(qiáng)足夠，就應(yīng)產(chǎn)生光電效應(yīng)，不應(yīng)存在紅限。（3）產(chǎn)生光電效應(yīng)需要時(shí)間積累能量，尤其光強(qiáng)較弱時(shí)。12第12頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.愛(ài)因斯坦光子假設(shè)內(nèi)容(1905)h=6.6310-34J?s——普朗克常數(shù)3）.光的能流密度I(光強(qiáng)):------單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的光能。單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的光子數(shù)。1）.光不僅在發(fā)射或吸收時(shí)，具有粒子性，而且光在空間傳播時(shí)，也具有粒子性，即一束光是一粒一粒以光速C運(yùn)動(dòng)的粒子流。2）.這些光粒子稱(chēng)為光量子，也稱(chēng)為光子，每一光子的能量也是ε=h。二.愛(ài)因斯坦光子假設(shè)13第13頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.光電效應(yīng)方程A是與金屬種類(lèi)有關(guān)的常量。逸出功A：電子從金屬表面逸出時(shí)克服阻力需做的功逸出功A14第14頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.光子假設(shè)對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的解釋(1)解釋(2)解釋與成線性關(guān)系(3)解釋紅限頻率的存在(4)解釋光電效應(yīng)的瞬時(shí)性當(dāng)一個(gè)光子與金屬中的一個(gè)自由電子碰撞時(shí),電子一次全部吸收掉光子的能量，不需要能量的積累時(shí)間。電子能量小于表面逸出功15第15頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4.光子的能量、質(zhì)量和動(dòng)量(1)光子的能量(2)光子的質(zhì)量光子的靜止質(zhì)量(3)光子的動(dòng)量由于在理論物理方面的貢獻(xiàn)，特別是對(duì)光電效應(yīng)的成功解釋?zhuān)?921年，愛(ài)因斯坦獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)！光具有波粒二象性16第16頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三、康普頓效應(yīng)

康普頓——1927年，諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者1923年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓發(fā)現(xiàn)，X射線通過(guò)石墨等輕物質(zhì)散射時(shí)，在散射線中有兩種波長(zhǎng)：一種是與入射光波長(zhǎng)相同的散射線，另一種是波長(zhǎng)大于入射光波長(zhǎng)的散射線，這種改變波長(zhǎng)的散射稱(chēng)為康普頓效應(yīng)。17第17頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象石墨X射線00晶體（作光柵）探測(cè)器光譜儀波長(zhǎng)強(qiáng)度(1)散射線中有兩種波長(zhǎng)（>

0）康普頓散射光0：正常光(2)僅隨散射角的增大而增大。與被散射物無(wú)關(guān)

(3)同一散射角，不同的散射物，康普頓散射光光強(qiáng)占總光強(qiáng)的比例不同。輕原子比例大重原子比例小18第18頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六內(nèi)層電子與核結(jié)合緊密而成為一體光子與之碰撞反彈（不損失能量）不變——正常光.(1)解釋當(dāng)入射光子與最外層自由電子碰撞時(shí),光子把一部分能量傳給了電子,光子本身能量-----康普頓散射光

(2)解釋2.康普頓效應(yīng)與經(jīng)典理論的矛盾3.光子理論的解釋康普頓散射作用是光子與散射物質(zhì)中電子之間的完全彈性碰撞,動(dòng)量和能量都守恒.電磁波（00）

照射輻射電磁波四周輻射--散射

散射物（電子受迫振蕩）——波長(zhǎng)、頻率只能是00（3）輕的原子電子一般束縛得較弱，康普頓效應(yīng)較強(qiáng)，散射光中康普頓成分多、正常成分少.重的原子電子一般束縛得較強(qiáng)，康普頓效應(yīng)較弱，散射光中康普頓成分少、正常成分多.19第19頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六XY能量守恒，4.康普頓效應(yīng)公式得：電子康普頓波長(zhǎng)則：X、Y方向動(dòng)量守恒：康普頓效應(yīng)公式20第20頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六四、康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)的關(guān)系（1）康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)在物理本質(zhì)上是相同的研究的都是個(gè)別光子與個(gè)別電子之間的相互作用，作用過(guò)程中都遵循能量守恒定律。光電效應(yīng)：入射光波長(zhǎng)長(zhǎng)，為1000?數(shù)量級(jí)?？灯疹D效應(yīng)：入射光波長(zhǎng)短，為1?數(shù)量級(jí)。（2）康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)的入射光的波長(zhǎng)不同（3）光子與電子相互作用的微觀機(jī)制不同光電效應(yīng)：電子吸收了光子全部能量，能量守恒?？灯疹D效應(yīng)：光子與電子彈性碰撞，能量動(dòng)量均守恒。21第21頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六光的波粒二象性表示粒子特性的物理量波長(zhǎng)、頻率是表示波動(dòng)性的物理量光子是一種基本粒子，在真空中以光速運(yùn)動(dòng)高頻（短波）區(qū)，粒子性明顯低頻（長(zhǎng)波）區(qū)，波動(dòng)性明顯可見(jiàn)光，波粒二象性均明顯22第22頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六例1.一實(shí)驗(yàn)用光電管的陰極是銅的(銅的逸出功為4.47ev).現(xiàn)以波長(zhǎng)2μm的光照射此陰極，若要使其不再產(chǎn)生光電流，所需加的截止電壓為多大?解：由愛(ài)因斯坦方程設(shè)需加的截止電壓為U0，則有得：23第23頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六求：散射光波長(zhǎng)已知：X射線散射反沖電子解：（1）由康普頓散射公式在的方向上，有兩種波長(zhǎng)的X射線例2：24第24頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（3）反沖電子的動(dòng)量（2）反沖電子的動(dòng)能由碰撞過(guò)程能量守恒動(dòng)量守恒25第25頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.單位時(shí)間內(nèi),從受光照射的電極上釋放出來(lái)的光電子數(shù)目N與入射光的強(qiáng)度I成正比。2.光電子的最大初動(dòng)能隨入射光的頻率ν呈線性地增加,與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。小結(jié)3.光電效應(yīng)有一定的截止頻率。4.光電效應(yīng)與時(shí)間的關(guān)系：從光照射到釋放出光電子,時(shí)間間隔小于10-9秒，幾乎是瞬時(shí)的,與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。26第26頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.光子假設(shè)(1)一束光是一粒一粒以光速C運(yùn)動(dòng)的光子組成的(2)頻率為ν的光的一個(gè)光子的能量為2.光電效應(yīng)方程(1)能量(2)質(zhì)量靜質(zhì)量(3)動(dòng)量3.二、愛(ài)因斯坦光子理論27第27頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象散射線中有兩種波長(zhǎng)（>

0）康普頓散射光0：正常光三、康普頓效應(yīng)2.康普頓效應(yīng)公式28第28頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六四、康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)的關(guān)系（1）康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)在物理本質(zhì)上是相同的研究的都是個(gè)別光子與個(gè)別電子之間的相互作用，作用過(guò)程中都遵循能量守恒定律。光電效應(yīng)：入射光波長(zhǎng)長(zhǎng)，為1000?數(shù)量級(jí)康普頓效應(yīng)：入射光波長(zhǎng)短，為1?數(shù)量級(jí)（2）康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)的入射光的波長(zhǎng)不同（3）光子與電子相互作用的微觀機(jī)制不同光電效應(yīng)：電子吸收了光子全部能量，能量守恒。康普頓效應(yīng)：光子與電子彈性碰撞，能量動(dòng)量均守恒。29第29頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電磁鐵五、光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用1.光控繼電器放大器控制機(jī)構(gòu)可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。2.光電倍增管可對(duì)微弱光線放大，可使光電流放大105~108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。30第