高中物理奧林匹克競(jìng)賽-光的量子性

第十六章（1）光的量子性教學(xué)基本要求

一了解熱輻射實(shí)驗(yàn)以及經(jīng)典物理理論在說明熱輻射的能量按頻率分布曲線時(shí)所遇到的困難.理解普朗克量子假設(shè).二了解經(jīng)典物理理論在說明光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律時(shí)所遇到的困難.理解愛因斯坦光子假設(shè)，掌握愛因斯坦方程.三了解光的波粒二象性.學(xué)習(xí)現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展史的重大意義：

1）科學(xué)家如何抓住機(jī)遇，克服困難，勇于突破傳統(tǒng)觀念束縛的創(chuàng)新思想和鍥而不舍的探索精神，以及作為一個(gè)成功者所具有的高尚品德.

2）科學(xué)發(fā)展不是一帆風(fēng)順的，有成功也有失敗，而且科學(xué)爭(zhēng)論永遠(yuǎn)不斷，正是不同學(xué)術(shù)觀點(diǎn)之間的科學(xué)爭(zhēng)論的不斷產(chǎn)生和解決推動(dòng)著人類科學(xué)認(rèn)識(shí)的不斷深入和發(fā)展.

科學(xué)對(duì)于人類事務(wù)的影響有兩種方式：第一種方式是大家熟知的：科學(xué)直接的并在更大程度上間接地產(chǎn)生出完全改變?nèi)祟惿畹墓ぞ?；第二種方式是教育的性質(zhì)——它作用于心靈.——愛因斯坦第十六章（1）光的量子性二十世紀(jì)被稱為物理學(xué)的世紀(jì)，是近代物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)黃金時(shí)期，從二十世紀(jì)初開始，在一大批科學(xué)家的推動(dòng)下，相繼誕生了量子力學(xué)、相對(duì)論、原子物理、分子物理、固體物理、核物理、天體物理、粒子物理等。即從伽利略、牛頓到拉格朗日、哈密頓的經(jīng)典力學(xué)，和從法拉第、麥克斯韋到赫茲建立的電動(dòng)力學(xué)以前的物理學(xué)主要局限于經(jīng)典物理學(xué)的范疇，主要研究?jī)煞N基本的自然力——引力和電磁力。近代物理學(xué)的第一步發(fā)展，發(fā)生于科學(xué)家對(duì)黑體輻射和光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的量子化認(rèn)識(shí)。引言

量子概念是1900年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的歷史.其間，經(jīng)過愛因斯坦、玻爾、德布羅意、玻恩、海森伯、薛定諤、狄拉克等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到20世紀(jì)30年代，就建立了一套完整的量子力學(xué)理論.量子力學(xué)宏觀領(lǐng)域經(jīng)典力學(xué)現(xiàn)代物理的理論基礎(chǔ)量子力學(xué)相對(duì)論量子力學(xué)微觀世界的理論起源于對(duì)波粒二相性的認(rèn)識(shí)第一節(jié)黑體輻射一黑體輻射（1）熱輻射實(shí)驗(yàn)證明不同溫度下物體能發(fā)出不同的電磁波，這種能量按頻率的分布隨溫度而不同的電磁輻射叫做熱輻射.（2）輻射出射度（輻出度）單位時(shí)間，單位面積上所輻射出的各種頻率的電磁波的能量總和.輻射出射度:單位：為單色光輻射出射度單位黑體黑體輻射熱輻射任何物體在任何溫度下都會(huì)發(fā)射不同頻率的電磁波的現(xiàn)象為熱輻射.物體在任何時(shí)候都存在發(fā)射和吸收電磁輻射的過程.實(shí)驗(yàn)證明熱輻射具有如下規(guī)律:1.輻射能量按頻率的分布隨溫度而不同.

2.不同物體在某一頻率范圍發(fā)射和吸收輻射的能力不同;同一物體在某一頻率范圍發(fā)射越強(qiáng),吸收也越強(qiáng).實(shí)驗(yàn)表明輻射能力越強(qiáng)的物體，其吸收能力也越強(qiáng).黑體能完全吸收照射到它上面的各種頻率的電磁輻射的物體稱為黑體.（黑體是理想模型）

1.單色輻射出射度

單位時(shí)間內(nèi)從物體單位面積發(fā)出的頻率在附近單位頻率區(qū)間（或波長(zhǎng)在附近單位波長(zhǎng)區(qū)間）的電磁波的能量.單色輻射出射度單位：?jiǎn)紊椛涑錾涠葐挝唬憾垦芯繜彷椛涞挠嘘P(guān)物理量2.輻射出射度（輻出度）單位時(shí)間，單位面積上所輻射出的各種頻率（或各種波長(zhǎng)）的電磁波的能量總和.實(shí)驗(yàn)表明輻射能力越強(qiáng)的物體，其吸收能力也越強(qiáng).（3）黑體能完全吸收照射到它上面的各種頻率的電磁輻射的物體稱為黑體.（黑體是理想模型）

會(huì)聚透鏡空腔小孔平行光管棱鏡熱電偶測(cè)量黑體輻射出射度實(shí)驗(yàn)裝置0100020001.00.5

可見光區(qū)3000K6000K黑體單色輻出度實(shí)驗(yàn)曲線可見光6000K3000K0.51.00.51.0黑體單色輻出度實(shí)驗(yàn)曲線二黑體輻射的瑞利—金斯公式（經(jīng)典物理的困難）由瑞利—金斯1890年用經(jīng)典電磁場(chǎng)理論導(dǎo)出0123612345瑞利-金斯公式實(shí)驗(yàn)曲線****************瑞利-金斯公式紫外災(zāi)難隨后由維恩用熱力學(xué)導(dǎo)出的公式在短波段相符三普朗克假設(shè)普朗克黑體輻射公式(1900年)普朗克常量

普朗克認(rèn)為：空腔中振子的振動(dòng)吸收或者發(fā)射電磁輻射能量時(shí)，不是過去經(jīng)典物理認(rèn)為的那樣可以連續(xù)的吸收或發(fā)射能量，而是以與振子的頻率成正比的能量子為單元來吸收或發(fā)射能量.

普朗克黑體輻射公式空腔壁上的帶電諧振子吸收或發(fā)射能量應(yīng)為

01236瑞利-金斯公式12345普朗克公式的理論曲線實(shí)驗(yàn)值****************普朗克公式的理論曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符

普朗克（MaxKarlErnstLudwigPlanck，1858–1947）德國(guó)理論物理學(xué)家，量子論的奠基人.1900年12月14日他宣讀了以《關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論》為題的論文，提出能量量子化的假設(shè)，并導(dǎo)出黑體輻射能量分布公式.勞厄稱這一天是“量子論的誕生日”.

1905年愛因斯坦在能量量子化的啟發(fā)下提出了光量子的假設(shè),并成功解釋了光電效應(yīng).量子觀念在“非難”中得到發(fā)展.普朗克晚年對(duì)自己工作的評(píng)論:“我徒勞無益的使基本量子論和經(jīng)典理論一致的企圖繼續(xù)了許多年花了我極大的精力，我的同行中的許多人幾乎把這看成悲劇，但我對(duì)他的看法是不同的，因?yàn)槲覐倪@工作中得到的對(duì)我的想法的深刻的澄清，對(duì)我有極大的價(jià)值.現(xiàn)在我的確知道，作用量子的基本意義比我原來所想象的的要大得多.”求實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度第二節(jié)光電效應(yīng)（1）實(shí)驗(yàn)裝置（2）實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.紅限頻率(截止頻率),

僅當(dāng)才發(fā)生光電效應(yīng)，截止頻率與材料有關(guān)與光強(qiáng)無關(guān).即閾頻率。金屬及其化合物在光照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)。發(fā)射的電子叫光電子。光電管中K為金屬陰極，A為陽極，S為電壓極性轉(zhuǎn)換開關(guān)。光照到K即有光電子逸出飛向A。產(chǎn)生的電流叫光電流i。VAKAS光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的規(guī)律

幾種純金屬的截止頻率金屬截止頻率4.5455.508.06511.53銫鈉鋅銥鉑19.29VAKAS電流飽和值為3.光電子的逸出具有瞬時(shí)性

當(dāng)光照射到金屬表面上時(shí)，幾乎立即就有光電子逸出。（光強(qiáng)）大到一定值時(shí)與U無關(guān)，由I（光強(qiáng)）決定。2.飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比(飽和光電流)遏止電壓:使U<0,當(dāng)反向電壓大到一定值,使光電流降為零的電壓。遏止電壓與光強(qiáng)無關(guān)與光照頻率成線性關(guān)系，且與材料有關(guān)。VAKAS4.遏止電壓與光照頻率成線性關(guān)系

按經(jīng)典理論，電子逸出金屬所需的能量，需要有一定的時(shí)間來積累，一直積累到足以使電子逸出金屬表面為止.與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符.（3）經(jīng)典理論遇到的困難紅限問題瞬時(shí)性問題

按經(jīng)典理論,無論何種頻率的入射光,只要其強(qiáng)度足夠大，就能使電子具有足夠的能量逸出金屬.與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符.

二光子愛因斯坦方程（1）“光量子”假設(shè)光子的能量為（2）解釋實(shí)驗(yàn)幾種金屬的逸出功金屬鈉鋁鋅銅銀鉑2.284.084.314.704.736.35愛因斯坦方程逸出功與材料有關(guān)

對(duì)同一種金屬，

一定，，與光強(qiáng)無關(guān)逸出功愛因斯坦方程產(chǎn)生光電效應(yīng)條件（截止頻率）

光強(qiáng)越大，光子數(shù)目越多，即單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生光電子數(shù)目越多，光電流越大.（時(shí)）光子射至金屬表面,一個(gè)光子攜帶的能量將一次性被一個(gè)電子吸收，若，電子立即逸出，無需時(shí)間積累（瞬時(shí)性）.（3）的測(cè)定愛因斯坦方程遏止電勢(shì)差和入射光頻率的關(guān)系愛因斯坦方程在其光子理論中還提出了質(zhì)能關(guān)系式:m表示光子的質(zhì)量，而光子的能量是E，所以：但光子沒有靜止質(zhì)量光子還有動(dòng)量：例1波長(zhǎng)為450nm的單色光射到純鈉的表面上.

求(1)這種光的光子能量和動(dòng)量；

(2)光電子逸出鈉表面時(shí)的動(dòng)能；(3)若光子的能量為2.40eV，其波長(zhǎng)為多少？解（1）（2）（3）三光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光控繼電器、自動(dòng)控制、自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警等.光電倍增管放大器接控件機(jī)構(gòu)光光控繼電器示意圖四光的波粒二象性描述光的粒子性

描述光的波動(dòng)性光子

相對(duì)論能量和動(dòng)量關(guān)系（2）粒子性：（光電效應(yīng)等）（1）波動(dòng)性：

光的干涉和衍射3、人生就像一場(chǎng)馬拉松，你的起點(diǎn)高也好，你的提速快也好，但結(jié)果比較的是誰能堅(jiān)持到最遠(yuǎn)。9、每條路都很難走，但是一旦選擇了，就一定要走下去。11、不要害怕你的生活將要結(jié)束，應(yīng)該擔(dān)心你的生活永遠(yuǎn)不會(huì)真正開始。4、誰說我不行，螢光都可以照亮一個(gè)人的行程。3、與其祈求生活平淡點(diǎn)，不如祈求自己強(qiáng)大點(diǎn)。19、當(dāng)我們搬開別人腳下的絆腳石時(shí)，也許恰恰是在為自己鋪路。6、春天不播種，夏天就不生長(zhǎng)，秋天就不能收茯，冬天就不能品嘗。2、一個(gè)人的出路，是在工作當(dāng)中尋找的，而不是坐在那里想出來的。6、如果你曾經(jīng)把失敗當(dāng)成清醒劑，就千萬別讓成功變成迷魂湯。9、要想成功就是不怕困難，寬心做人，舍得做事，將贏的是整個(gè)人生。16、錯(cuò)過的人與事，不必頻頻回首;結(jié)痂的疤痕，無須反復(fù)觸摸。8、有了夢(mèng)想，才有動(dòng)力，有了動(dòng)力，才能實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想。2、一個(gè)人的出路，是在工作當(dāng)中尋找的，而不是坐在那里想出來的。9、真正的堅(jiān)韌，應(yīng)該是哭的時(shí)候要徹底，笑的時(shí)候要開懷，說的時(shí)候要淋漓盡致，做的時(shí)候不要猶豫。17、