第七光的量子性演示文稿

第七光的量子性演示文稿目前一頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)（優(yōu)選）第七光的量子性目前二頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)§7.1光速及其測定一、真空中的光速1、理論值：2、測量值：二、測量方法——最可靠值1、天文學(xué)方法：木星衛(wèi)星蝕法（羅默，1676年）：天文學(xué)方法受觀測精度的影響，精度很低。恒星光行差法（布喇法雷，1728年）：目前三頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)2、實(shí)驗(yàn)室方法：AB伽利略法：旋轉(zhuǎn)齒輪法（斐索，1849年）：旋轉(zhuǎn)鏡法（付科，1851年）：激光測速法：三、相速度和群速度1、相速度：單色光波等相面的傳播速度。通常意義上的光速。2、群速度：光波的某一確定振幅（能量）的傳播速度：3、相速、群速的關(guān)系（瑞利公式）：目前四頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)§7.2熱輻射一、輻射的分類：經(jīng)典電磁理論觀點(diǎn)：電磁場是連續(xù)的，其能量是連續(xù)分布于場所在的整個(gè)空間。

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)的相繼出現(xiàn)，造成了經(jīng)典電磁理論的困難。促使人們掙脫經(jīng)典連續(xù)觀念的束縛，從全新的角度重新考慮經(jīng)典理論的適用性。從而建立了量子理論。1、定義：物體向外發(fā)射能量的過程稱為輻射2、分類：在向外輻射能量的過程中，物體將消耗本身的能量，要維持輻射，必須要從外界不斷補(bǔ)充能量或物體內(nèi)部產(chǎn)生某種變化。按能量補(bǔ)充的不同形式，輻射可作如下分類：化學(xué)發(fā)光：由自身內(nèi)部化學(xué)變化（如燃燒）補(bǔ)充能量；光致發(fā)光：由外來光或其它輻射不斷或預(yù)先照射補(bǔ)充能量；場致發(fā)光：由外加電場補(bǔ)充能量；（如火花放電、電弧光、輝光等）；陰極發(fā)光：由電子束轟擊固體物質(zhì)所產(chǎn)生的輻射；熱輻射：外加熱源補(bǔ)充能量。目前五頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)二、熱輻射任何溫度下的任何物體都能發(fā)出熱輻射；熱輻射的能量大小和成份取決于輻射體溫度，遵從基爾霍夫定律；溫度越低，輻射能量越小，長波（如紅外線）成份越多；溫度越高，輻射能量越大，短波（如紫外線）成份越多。三、黑體輻射1、黑體：表面不反光，能在任何溫度下吸收入射的一切頻率電磁波的物體，稱為絕對黑體，簡稱黑體。2、黑體輻射實(shí)驗(yàn)曲線：每條曲線有一個(gè)極大值隨溫度升高，輻出度（能量）快速增大；隨溫度升高，極大值向短波移動(dòng)；

λ→0,M→00500100015002000可見光溫度目前六頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)3、黑體輻射的經(jīng)典規(guī)律：從上圖可看出，解決黑體輻射問題關(guān)鍵是找出輻出度M（λ，T）的具體表達(dá)式。圍繞該圖，眾多物理學(xué)家從經(jīng)典理論出發(fā)，進(jìn)行了大量的工作，其中以下述結(jié)論相對有效：A：斯忒藩—波爾茲曼定律：輻射總能量∝T4。—與曲線總趨勢吻合B、維恩位移定律：

T增大時(shí)，曲線最大值向短波移動(dòng)；

T不太高時(shí)，輻射能量主要集中一長波區(qū)，發(fā)出紅外線和紅色光；

T較高時(shí)，輻射能量主要集中一短波區(qū)，發(fā)出紫外線和白光；∴在溫度較高時(shí)，維恩定律結(jié)論與實(shí)驗(yàn)曲線基本吻合。C、瑞利—金斯定律：在長波區(qū)與實(shí)驗(yàn)曲線相當(dāng)吻合；隨波長λ的減小，與實(shí)驗(yàn)曲線差距增大；

紫外災(zāi)難目前七頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)§7.3Plank量子假設(shè)——能量子一、Plank量子假設(shè)

1900年，Plank分析了前述三種經(jīng)典規(guī)律認(rèn)為：其之所以不能真實(shí)反映黑體輻射的客觀規(guī)律，最根源是經(jīng)典理論的連續(xù)性。他認(rèn)為：輻射體由很多諧振子組成，每個(gè)諧振子發(fā)出一種單色波；每個(gè)振子的能量不能連續(xù)變化，只能處于某些特殊的能量狀態(tài)：一個(gè)最小能量單位的整數(shù)倍在發(fā)射或吸收能量時(shí)，振子只能從這些特殊狀態(tài)之一飛躍到另一狀態(tài)，發(fā)射或吸收能量只能是E0的整數(shù)倍；可能的能量狀態(tài)——能級(jí)；能量的不連續(xù)變化——能量量子化；最小能量單位E0——能量子，簡稱量子。③頻率為的能量子二、Plank黑體輻射公式：Plank利用量子假設(shè)，得出了黑體輻射有公式，并園滿解釋了實(shí)驗(yàn)規(guī)律，證明了量子假設(shè)的正確性。目前八頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)§7.4光電效應(yīng)

1905年，在研究光電效應(yīng)的過程中，Einstein將局限于振子輻射過程的Plank能量子假設(shè)推廣到整個(gè)電磁場，認(rèn)為電磁波的能量均以能量子的形式存在。從而，光不僅是一種波動(dòng)（電磁波），也是一種粒子（光子）。并園滿解釋了不電效應(yīng)現(xiàn)象。一、定義：當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象。逸出的電子稱為光電子。KAGV+-RW二、實(shí)驗(yàn)裝置：如右圖示：光電子由陰極K運(yùn)動(dòng)到陽極A所產(chǎn)生的電流——光電流三、實(shí)驗(yàn)定律：1、光電流與入射光強(qiáng)度的關(guān)系：IVg0VIm當(dāng)入射光頻率和強(qiáng)度不變時(shí)，加速電壓V增大則光電流I值增大；光電流I有一飽和值，此時(shí)單位時(shí)間內(nèi)由陰極逸出的光電子全部到達(dá)陽極。若單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)為n，則I飽和值Im=

ne目前九頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)保持入射光頻率不變，光強(qiáng)改變時(shí)，飽和電流Im將改變：光強(qiáng)越大，單位時(shí)間內(nèi)從金屬K上被擊出的電子數(shù)n越多；反之，亦然。規(guī)律一：飽和電流Im的大小與入射光強(qiáng)度成正比。亦即單位時(shí)間內(nèi)被擊出的是光電子數(shù)與入射光強(qiáng)度成正比。2、光電子初動(dòng)能與入射光頻率的關(guān)系：當(dāng)頻率不變時(shí)，加速電壓V減小，則光電流I也減??；如上頁圖當(dāng)V=0時(shí)，I≠0，證明光電子具有初動(dòng)能；當(dāng)加上反向電壓V=－Vg時(shí)，I=0，稱Vg為遏止電壓。。IVg0V頻率相等光強(qiáng)增大當(dāng)頻率不變時(shí)，光電流隨入射光強(qiáng)度而變化，但其為遏止電壓Vg是相同的，即：不同強(qiáng)度的入射光所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能是相同的。目前十頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)Vg0IVg10VImVg3Vg2遏止電壓Vg值與入射光強(qiáng)無關(guān)，僅與入射光頻率有關(guān)，當(dāng)增大時(shí)，Vg增大，即光電子初動(dòng)能隨頻率增大而增大。光電效應(yīng)存在一個(gè)極限頻率

0。當(dāng)﹤

0時(shí)，不論光強(qiáng)如何，均不產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象。

0稱為閾頻率，不同的金屬材料閾頻率不同。規(guī)律二：光電子的最大初動(dòng)能（或Vg）與入射光強(qiáng)無關(guān)，僅與入射光頻率有關(guān)，越高，光電子能量越大。規(guī)律三：頻率低于閾頻率

0的入射光，不論強(qiáng)度多大、照射時(shí)間多長，都不能使光電子逸出。規(guī)律四：光的照射和光電子的釋放幾乎是同時(shí)的，在測量精度范圍內(nèi)

(<10－9秒)觀察不到滯后現(xiàn)象。目前十一頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)四、實(shí)驗(yàn)事實(shí)與經(jīng)典波動(dòng)理論的矛盾經(jīng)典波動(dòng)理論無法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律按波動(dòng)觀點(diǎn)：A、逸出表面的光電子的初動(dòng)能取決于入射光的強(qiáng)度；光愈強(qiáng)，傳給電子的能量越大，光電子獲得的初動(dòng)能就愈大。與實(shí)驗(yàn)規(guī)律二矛盾：與入射光強(qiáng)無關(guān)，只隨頻率線性增加。B、只要光強(qiáng)足夠大，任何頻率的入射光均可產(chǎn)生光電子。與實(shí)驗(yàn)規(guī)律三矛盾：只有頻率大于閾頻率

0的入射光才能產(chǎn)生光電子。C、電子從入射光中獲得足夠的能量以掙脫束縛逸出表面，必須要一定的時(shí)間積累。光愈弱，積累時(shí)間越長。與實(shí)驗(yàn)規(guī)律四矛盾：入射與產(chǎn)生光電子（光電流）同時(shí)。目前十二頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)§7.5Einstein量子解釋一、光量子假設(shè)

1905年，Einstein在對普朗克能量量子化假說進(jìn)行了5年的思考、研究的基礎(chǔ)上，發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)》的著名論文。文中作為光量子假說的例證之一，解釋了光電效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制。愛因斯坦因此貢獻(xiàn)而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光在傳播中表現(xiàn)出波動(dòng)性，而在發(fā)射吸收等相互作用中則具有類似粒子的性質(zhì)。光能量集中在光量子（簡稱光子）上，每個(gè)光子的能量為。所以：光在與其它物質(zhì)相互作用過程中，可看成是由很多光子組成的光子流。二、Einstein光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制：當(dāng)一個(gè)光子入射時(shí)，其全部能量被一個(gè)電子吸收，其中的一部分用作電子的逸出功，剩余部分成為電子的初動(dòng)能。由能量守恒和轉(zhuǎn)換定律，以上過程可以表示為：——愛因斯坦光電效應(yīng)方程。目前十三頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)三、光電效應(yīng)的量子解釋1、因?yàn)槿肷涔鈴?qiáng)I0決定著光子的總數(shù)N，逸出的光電子數(shù)n∝N，而光電流I=ne，所以光電流I∝N，即光電流與入射光強(qiáng)成正比。2、對一種金屬而言，逸出功A為定值。根據(jù)光電效應(yīng)方程，當(dāng)入射光頻率增高時(shí)會(huì)使得光電子的初動(dòng)能增大，即初動(dòng)能與入射光頻率成正比。3、由光電效應(yīng)方程可知，只有當(dāng)時(shí)，才可產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，0

為光電效應(yīng)的極限頻率。與0對應(yīng)的波長稱為紅限波長。因?yàn)橐粋€(gè)電子一次吸收一個(gè)光子的全部能量，所以瞬間便可產(chǎn)生光電效應(yīng)，延遲時(shí)間與入射光強(qiáng)無關(guān)。目前十四頁\總數(shù)十六頁\編于十七點(diǎn)四、遏止電壓Vg與入射光頻率的關(guān)系

1914年，密立根經(jīng)過近十年的艱苦實(shí)驗(yàn)，測得遏止電壓Vg與入射光頻率為線性關(guān)系，從而驗(yàn)證了愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性。密立根因此項(xiàng)工作于1923年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。00直線與橫軸的交點(diǎn)：可求得遏止