昆工-物理-光的量子性市公開課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)

*§20－1熱輻射基爾霍夫定律*§20－2絕對(duì)黑體輻射定律§20－3普朗克量子假設(shè)§20－4光電效應(yīng)愛因斯坦光子假設(shè)§20－5康普頓效應(yīng)第二十章光量子性第1頁(yè)2、了解光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)及其試驗(yàn)規(guī)律。1、了解經(jīng)典理論碰到困難和普朗克能量子假設(shè)。3、會(huì)用愛因斯坦光子理論解釋光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。教學(xué)要求：第2頁(yè)

在十七世紀(jì)到十九世紀(jì)，經(jīng)典物理學(xué)取得了很大成就，正當(dāng)物理學(xué)家為經(jīng)典物理學(xué)成就感到滿意時(shí)，物理學(xué)碰到了前所未有困難。

邁克耳孫—莫雷試驗(yàn)否定了絕對(duì)參考系存在；

用經(jīng)典物了解釋熱輻射現(xiàn)象時(shí)，出現(xiàn)了所謂“紫外光災(zāi)難”。

放射現(xiàn)象說明原子不是物質(zhì)基本單元，原子是可分。

為了處理這些問題，一些物理學(xué)家擺脫經(jīng)典物理束縛，重新思索物理學(xué)基本概念，艱難地建立起近代物理基本思想。第3頁(yè)一、熱輻射現(xiàn)象2、平衡熱輻射:輻射與吸收平衡,溫度恒定.1、熱輻射:決定于物體溫度電磁輻射.3、描述熱輻射物理量單色輻射強(qiáng)度：在單位時(shí)間內(nèi)從物體表面單位面積上、單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)所輻射出能量?？傒椛淠埽涸趩挝粫r(shí)間內(nèi)從物體表面單位面積上輻射各種波長(zhǎng)能量.§20-1、20-2熱輻射黑體輻射定律第4頁(yè)4、單色吸收比和單色反射比單色吸收比單色反射比對(duì)不透明物體1、黑體:輻射(吸收)能力最強(qiáng)物體,能全部吸收一切外來輻射。二、黑體輻射第5頁(yè)

普通來說，入射到物體上電磁輻射，只有一部分被吸收，另一部分則被反射。黑體是一個(gè)理想化模型，可構(gòu)想有一個(gè)物體，它能吸收一切外來電磁輻射，這個(gè)物體稱為黑體。黑體

人造黑體模型:不透明材料制成帶小孔空腔。第6頁(yè)1)意義:溫度為T黑體,在單位時(shí)間,單位面積上,單位波長(zhǎng)間隔所輻射出能量.定量說明了輻射強(qiáng)度大小。2、黑體單色輻射強(qiáng)度(單色輻出度)2)測(cè)定黑體試驗(yàn)原理1、斯特藩—玻爾茲曼定律：由黑體試驗(yàn)曲線能夠看出:1)黑體分布規(guī)律是溫度T函數(shù),與材料無(wú)關(guān)。三、黑體輻射定律第7頁(yè)2)溫度T時(shí),在單位時(shí)間、單位面積上總輻射能：1879年,斯特藩從試驗(yàn)中發(fā)覺此規(guī)律,五年后玻爾茲曼從理論上得到：第8頁(yè)2、維恩位移定律

曲線峰值對(duì)應(yīng)1893年,維恩得到他們之間關(guān)系：表明:向短波方向移動(dòng);向高頻方向移動(dòng)。第9頁(yè)K1750K1300K1250K四、瑞利—金斯公式經(jīng)典物理困難瑞利—金斯從經(jīng)典理論得到：e0第10頁(yè)作出理論曲線與試驗(yàn)曲線比較：1)在低頻(長(zhǎng)波)部分符合很好；2)在高頻(紫外)部分出現(xiàn)巨大分歧.試驗(yàn)指出:理論得到:第11頁(yè)

普朗克量子假設(shè)：黑體是由許許多多諧振子組成，諧振子能量只能取分離不連續(xù)值，它們是最小能量整數(shù)倍。在黑體中有各種頻率諧振子，對(duì)頻率為諧振子來說，=h，h為普朗克常數(shù)，所以頻率為諧振子能量為：依據(jù)以上假設(shè)，普朗克推出了黑體輻射公式：普朗克公式§20－3普朗克量子假設(shè)第12頁(yè)普朗克公式與試驗(yàn)曲線吻合得很好。普朗克假設(shè)與經(jīng)典物理有根本性矛盾：（1）經(jīng)典物理認(rèn)為：諧振子能量不受限制，能量吸收或發(fā)射是邊續(xù)。（2）普朗克假設(shè)認(rèn)為：諧振子能量是量子化，即能量只能是最小能量h整數(shù)倍。諧振子能量吸收和發(fā)射是不連續(xù)，是一份一份進(jìn)行。普朗克圓滿地解釋了黑體輻射現(xiàn)象，成為了當(dāng)代量子理論開端。第13頁(yè)一、試驗(yàn)裝置1、K—陰極,A—陽(yáng)極,電子從KA在電路中形成光電流。2、光電效應(yīng):在入射光照射下,電子取得能量從金屬表面逸出。3、遏止電壓:電子能從KA,說明電子含有動(dòng)能;加反向電壓當(dāng)此時(shí):4、飽和光電流:加正向電壓,使逸出金屬表面電子全部抵達(dá)陽(yáng)極A,此時(shí)光電流為最大值?！?0—4光電效應(yīng)愛因斯坦光子假設(shè)第14頁(yè)

當(dāng)波長(zhǎng)較短可見光或紫外光照射到一些金屬表面上時(shí)，金屬中電子就會(huì)從照射光中吸收能量而從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。（光強(qiáng)）第15頁(yè)二、光電效應(yīng)試驗(yàn)規(guī)律：（1）單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比——第一試驗(yàn)規(guī)律。4.06.08.010.0

(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa第16頁(yè)（4）光射到金屬表面與光電子從金屬表面逸出時(shí)，時(shí)間間隔不超出去10-9s時(shí)，能夠認(rèn)為二者同時(shí)發(fā)生。即光電效應(yīng)應(yīng)含有瞬時(shí)性（不論入射光強(qiáng)度怎樣）。（2）光電子最大初動(dòng)能隨入射光頻率增加現(xiàn)而線性地增加，與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)——第二試驗(yàn)規(guī)律。

（3）當(dāng)光照射到某金屬時(shí)假如光頻率小于該金屬紅限，則不論光多么強(qiáng)都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)——第三試驗(yàn)規(guī)律。第17頁(yè)三、經(jīng)典理論困難1、認(rèn)為不存在,只要光強(qiáng)足夠大,即能發(fā)生光電效應(yīng).但試驗(yàn)證實(shí):只要不論光強(qiáng)多大,都不會(huì)有光電子逸出。2、認(rèn)為電子吸收能量需要一定時(shí)間積累,但試驗(yàn)發(fā)覺含有瞬時(shí)性。3、光電子初動(dòng)能應(yīng)該與入射光強(qiáng)度成正比.第18頁(yè)四愛因斯坦光子假設(shè)及其對(duì)光電效應(yīng)試驗(yàn)規(guī)律解釋

1光量子假設(shè)：愛因斯坦認(rèn)為:輻射能不但是在發(fā)射和吸收是一份一份進(jìn)行,且在傳輸過程中也是一份一份.假設(shè)光是一個(gè)一個(gè)，以光速運(yùn)動(dòng)粒子組成粒子流，這種粒子稱為光子，每一光子能量為h其中h為普朗克常數(shù)，為光頻率。2依據(jù)愛因斯坦假設(shè)能夠很好地解釋光電效應(yīng)試驗(yàn)規(guī)律：（1）當(dāng)光子照射到金屬板上時(shí)，有電子吸收了一個(gè)光子，也就是吸收一份能量h，假如h大于金屬逸出功w，這個(gè)電子就能夠從金屬逸出。第19頁(yè)（2）當(dāng)電子從金屬板上逸出時(shí)，它從光子吸收能量h，一部分消耗于從金屬表面逸出時(shí)所需逸出功w，其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮映鮿?dòng)能。

依據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律有：——愛因斯坦光電效應(yīng)方程——電子最大初動(dòng)能第20頁(yè)

（4）瞬時(shí)性解釋:

按照光子假說，當(dāng)光投射到物體表面上時(shí)，光子能量就一次次地被電子吸收，不需要任何時(shí)間，這么就自然解釋了光電效應(yīng)時(shí)間問題。至此,愛因斯坦不但完美解釋了光電效應(yīng),還使人們對(duì)光本性認(rèn)識(shí)有了質(zhì)飛躍——波動(dòng)性兼具粒子性。（3）從愛因斯坦方程能夠解釋光電效應(yīng)第三條規(guī)律第21頁(yè)例題：已知一單色光照到某金屬表面，測(cè)光電子最大動(dòng)能為1.3eV,該金屬紅限波長(zhǎng)為5000?,求：入射光波長(zhǎng)是多少？第22頁(yè)五、光子能量、動(dòng)量和頻率、波長(zhǎng)之間關(guān)系：若已知光子波長(zhǎng)為，則光子第23頁(yè)一、試驗(yàn)裝置準(zhǔn)直系統(tǒng)入射光

0散射光

探測(cè)器石墨散射體

二、試驗(yàn)結(jié)果表明:x射線經(jīng)過物質(zhì)散射時(shí),波長(zhǎng)發(fā)生改變,散射后波長(zhǎng)有兩個(gè)峰值,一個(gè)與原來波長(zhǎng)相同,另一個(gè)與散射角相關(guān)。波長(zhǎng)改變與散射角有以下關(guān)系：§20-5康普頓效應(yīng)第24頁(yè)三、對(duì)康普頓效應(yīng)解釋1、經(jīng)典理論不能作出合了解釋!經(jīng)典理論解釋是:單色電磁波作用于比波長(zhǎng)尺寸小帶電粒子上時(shí),引發(fā)受迫振動(dòng),向各方向輻射同頻率電磁波。與試驗(yàn)不符。2、光子理論解釋:光子與電子彈性碰撞推導(dǎo)過程請(qǐng)看書P246~247頁(yè)。推導(dǎo)結(jié)果：

假如把X射線被電子散射過程看作是能量為h、動(dòng)量為光子與電子碰撞過程，應(yīng)用動(dòng)量守恒與能量守恒定律就能夠完滿解釋康普頓效應(yīng)。第25頁(yè)討論：１、當(dāng)＝時(shí)，最大，散射光波長(zhǎng)較入射光波長(zhǎng)改變量最大，散射光頻率較入射光頻率小最多。２、當(dāng)＝０時(shí)，＝０，散射光子頻率（波長(zhǎng)）與入射光子頻率（波長(zhǎng)）相等。第26頁(yè)為何還有原波長(zhǎng)峰值？光子與束縛電子碰撞,是與整個(gè)原子碰撞,失去能量較少,散射后頻率幾乎不變。

原子量小物質(zhì)康普頓效應(yīng)較顯著;原子量大物質(zhì)效應(yīng)不顯著。由（20-12）式看出，當(dāng)時(shí)，所以看不到康普頓效應(yīng)?！@與試驗(yàn)結(jié)果相符。第27頁(yè)康普頓效應(yīng)發(fā)覺,以及理論分析和試驗(yàn)結(jié)果一致,不但有力地證實(shí)了光子假設(shè)正確性,而且證實(shí)了微觀粒子相互作用過程中,也嚴(yán)格恪守能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。第28頁(yè)1某種金屬在一束綠光下剛能產(chǎn)生光電效應(yīng)，現(xiàn)用紫光和紅光照射能否產(chǎn)生光電效應(yīng)？產(chǎn)生條件：入射光頻率金屬紅限頻率0

c=紫>綠>紅

所以紫光能產(chǎn)生而紅光不能2設(shè)一束紅光照射下某金屬不能產(chǎn)生光電效應(yīng),假如用透鏡聚焦在金屬上,并經(jīng)歷一段時(shí)間能否產(chǎn)生光電效應(yīng)?

不能產(chǎn)生,因?yàn)榫劢共荒芨淖冾l率,能否產(chǎn)生光電效應(yīng)取決于于入射光頻率.第29頁(yè)OPQ

3、在圖中,PQ表示光電子初動(dòng)能與入射光頻率關(guān)系,問(1)P點(diǎn)頻率表示什么?(2)不一樣金屬直線PQ斜率是否相同?(1)P點(diǎn)頻率表示該金屬紅限頻率.(2)由知PQ斜率就是普朗克常數(shù),故斜率相同.第30頁(yè)4、要使金屬發(fā)生光電效應(yīng),則(1)盡可能增大入射光強(qiáng)度(2)選取波長(zhǎng)較紅限更短光波為入射光(3)選取波長(zhǎng)較紅限更長(zhǎng)光波為入射光,哪一個(gè)正確?(2)正確5、當(dāng)單色光照射到金屬表面產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí),已知該金屬逸出電位為u0,則這種單色光波長(zhǎng)一定要滿足:(1)對(duì)第31頁(yè)6頻率為光子,它靜止質(zhì)量、質(zhì)量、能量、動(dòng)量各為多大？7一個(gè)光子能量為E、動(dòng)量為P，波長(zhǎng)為，該光子速度為：第32頁(yè)8、用頻率為

1和2兩束單色光分別照射在金屬A、B上，假如從A中逸出電子初動(dòng)能比較大，問頻率1是否大于2？

不一定，因?yàn)楣怆娮映鮿?dòng)能不但與入射光頻率相關(guān)，且與材料種類相關(guān)。9兩塊相同金屬被光照射產(chǎn)生光電效應(yīng)，設(shè)入射光相同，但入射角不一樣，問金屬中逸出電子數(shù)是否相同？

入射光強(qiáng)相同，但入射角不一樣，在相同時(shí)間內(nèi)射至金屬上光子數(shù)目不一樣所以金屬板上逸出電子數(shù)目不一樣。第33頁(yè)10、在某一地點(diǎn)，測(cè)得紫光和紅光強(qiáng)度相同，部在該處兩種光在單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過垂直于傳輸方向單位面積光子數(shù)是否相同？不相同，光強(qiáng)度——光能流密度S，S=Nh

第34頁(yè)11某種金屬在一束綠光照射下有電子逸出，在下述情況下，逸出電子會(huì)怎樣改變？（1）再多加一束綠光。（2）用強(qiáng)度相同一束紫光。（1）入射光頻率不變強(qiáng)度增強(qiáng)，則逸出初動(dòng)能不變，但光子數(shù)增多。（2）用紫光照射

紫>綠，由愛因斯坦方程，

可知初動(dòng)能增大。另外，因?yàn)閺?qiáng)度相同(S紫=S綠)，但

紫>綠,N紫<N綠,因?yàn)楣庾訑?shù)降低,所以逸出電子降低.第35頁(yè)[1]首先入射光波長(zhǎng)不一樣,當(dāng)入射光是可見光或紫外光時(shí),光子能量與電子束縛能同數(shù)量級(jí),此時(shí)表現(xiàn)為光電效應(yīng).當(dāng)入射光波長(zhǎng)很短時(shí),光子能量遠(yuǎn)大于電子束縛能,主要表現(xiàn)為康普頓效應(yīng).[2]相互作用微觀機(jī)制不一樣,光電效應(yīng)中,電子吸收光子全部能量,在這過程中能量守恒.而康普頓散射是光子與電子作彈性碰撞,此時(shí)不但能量守恒,且動(dòng)量也守恒.12、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)所研究都是個(gè)別光子與電子相互作用過程,它們有何區(qū)分?第36頁(yè)1把太陽(yáng)看成黑體，測(cè)得太陽(yáng)最大單色輻出度對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)是0.49

m，求太陽(yáng)表面溫度。假如太陽(yáng)平均直徑為1.39

109m，太陽(yáng)到地球距離是1.49

1011m，求太陽(yáng)等于垂直照射地球表面單位面積上接收輻射功率。解：依據(jù)維思位移定律得太陽(yáng)表面溫度為設(shè)日地距離為d，太陽(yáng)半徑為RS，地球表面單位面積上接收輻射功率為W。太陽(yáng)單位面積輻射功率即為其輻出度M。第37頁(yè)在以RS和d為半徑兩個(gè)圓球面上，能量是相等，于是有：第38頁(yè)2

在離金屬板R=100m處放置一個(gè)小燈光其功率P=1W，為簡(jiǎn)單起見，設(shè)發(fā)出光波波長(zhǎng)為5890?，而且燈泡功率均勻地向四面輻射，求每秒