光的量子性.ppt

1、光的量 子性,7 -1 光速的測(cè)定、相速和群速,7 -2 經(jīng)典輻射定律,7 -6 康普頓效應(yīng),7 -3 普朗克輻射公式 能量子,7 -4 光電效應(yīng),7 -5 愛因斯坦的量子解釋,7 -7 德布羅意波,第七章 光的量子性,7 -8 波粒二象性,從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理概述, 物理學(xué)的分支及近年來發(fā)展的總趨勢(shì),近年來的發(fā)展：,* 粒子物理 高能加速器產(chǎn)生新粒子，已發(fā)現(xiàn)300種。 麥克斯韋理論、狄拉克量子電動(dòng)力學(xué)、重整化方法。,* 天體物理 運(yùn)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和理論, 對(duì)宇宙各種星球 進(jìn)行觀測(cè)和研究，從而得出相應(yīng)的天文規(guī)律的學(xué)科。應(yīng)用 經(jīng)典、量子、廣義相對(duì)論、等離子體物理和粒子物理。,* 太陽中微子短缺

2、問題,* 引力波存在的問題,* 物體的速度能否超過光速的問題,* 生物物理有機(jī)體遺傳程序的研究,* 有機(jī)體遺傳程序的研究（須運(yùn)用量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì) 物理、X射線、電子能譜 和核磁共振技術(shù)等）。,* 非平衡熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì)物理,物理學(xué)發(fā)展的總趨向：,* 學(xué)科之間的大綜合。,* 相互滲透結(jié)合成邊緣學(xué)科。,生物物理、生物化學(xué)、物理化學(xué)、量子化學(xué) 量子電子學(xué)、 量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)、 固體量子論。,二十世紀(jì)物理學(xué)中兩個(gè)重要的概念：場(chǎng)和對(duì)稱性, 從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過渡時(shí)期的三個(gè)重大問題的提出, 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)。, 黑體輻射問題，即所謂“紫外災(zāi)難”。, 原子的穩(wěn)定性和大小。,7 - 2 經(jīng)典輻射定律,固體或液體

3、，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征僅與溫度有關(guān)。,固體在溫度升高時(shí)顏色的變化,一、熱輻射、基爾霍夫定律,1、熱輻射,熱輻射體中原子和分子不發(fā)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化；,熱輻射能量來自物體的熱運(yùn)動(dòng)；,在任何溫度下（不是絕對(duì)零度）輻射連續(xù)光譜。,發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng) 發(fā)射本領(lǐng)（單色輻射出射度）： 是用來描述輻射物體發(fā)射能量的能力的物理量。,(1)單色輻射出射度,單色輻出度：溫度為T的熱輻射體， 單位時(shí)間內(nèi)從物體單位面積向各個(gè) 方向發(fā)射的、頻率在+ 范圍的能量為:,叫做物體在溫度為T時(shí)，發(fā)射頻率為的單色輻射出射度。,其中，,

4、(2)輻射出射度(簡(jiǎn)稱輻出度)MO(T):,溫度為T的熱輻射體,單位時(shí)間單位面積, 向2立體角輻射出的所有波長(zhǎng)的能量.,(3)吸收本領(lǐng) A(,T):,入射到物體上的輻射通量 , 一部分被物體散射或反射(對(duì)透明物體,還會(huì)有一部分透射), 其余的為物體所吸收.,吸收本領(lǐng)定義為:,吸收,入射,(4)基爾霍夫定律:,物體的單色輻出度和吸收本領(lǐng)的比值與物體性質(zhì)無關(guān)。對(duì)于所有物體，這個(gè)比值是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，可表示為:,是與物體性質(zhì)無關(guān)的普適函數(shù).,上式是基爾霍夫定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。,2. 黑體輻射 黑體輻射定律,能夠在任何溫度下全部吸收任何波長(zhǎng)的輻射的物體稱絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體.參見下圖！,(1) 黑體,由

5、基爾霍夫定律，對(duì)黑體也應(yīng)有:,能全部吸收各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射的物體稱為絕對(duì)黑體。簡(jiǎn)稱黑體,不透明的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。在相同的溫度下，黑體的吸收本領(lǐng)最大，因而輻射本領(lǐng)也最大。,研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。因?yàn)楹隗w的單色幅出度僅與波長(zhǎng)和溫度有關(guān)，與材料，表面情況無關(guān)。它反映了輻射本身的規(guī)律。,黑體模型,所以有:,黑體輻射的單色輻出度與物體 熱輻射普適函數(shù)有相同的形式。,人們研究熱輻射，需要找出這個(gè)普適函數(shù)的數(shù)學(xué)形式。研究黑體輻射，就是尋找普適函數(shù)的一個(gè)有效途徑。,T,熱電偶,平行光管,絕對(duì)黑體,三棱鏡,二 黑體的經(jīng)典輻射定律,測(cè)定黑體輻出度按波長(zhǎng)

6、分布實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置圖,1700K,1500K,1300K,1100K,0 1 2 3 4 5,絕對(duì)黑體的輻出度按波長(zhǎng)分布曲線,實(shí)驗(yàn)曲線,（1）斯忒藩（Stefan)玻爾茲曼定律,斯忒藩常數(shù),維恩位移定律:,維恩位移定律指出：當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度升高時(shí)， 單色輻出度最大值向短波方向移動(dòng)。,（2）維恩（Wien)位移定律,物體輻射總能量及能量按波長(zhǎng)分布決定于溫度,固體在溫度升高時(shí)顏色的變化,例子：低溫火爐輻射能集中在紅光。 高溫物體輻射能集中在綠、藍(lán)色。,應(yīng)用：光測(cè)高溫計(jì)，測(cè)量發(fā)電廠爐內(nèi)溫度。,爐火純青, 例 假設(shè)太陽表面的特性和黑體等效，測(cè)得太陽,表面單色輻出度的最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為465nm。,試

7、估計(jì)太陽表面的溫度和單位面積上的輻射功率,解 ：,1、維恩經(jīng)驗(yàn)公式:,問題：如何從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)曲線的函數(shù)式 ？,這個(gè)公式與實(shí)驗(yàn)曲線短波長(zhǎng)處符合得很好，但在波長(zhǎng)很長(zhǎng)處與實(shí)驗(yàn)曲線相差較大。,7- 3 普朗克輻射公式 能量子,2、瑞利-金斯經(jīng)驗(yàn)公式:,這個(gè)公式在波長(zhǎng)很長(zhǎng)處與實(shí)驗(yàn)曲線比較相近， 但在短波區(qū)，按此公式， 將隨波長(zhǎng)趨向 于零而趨向無窮大的荒謬結(jié)果，即“紫外災(zāi)難”。,維恩公式和瑞利-金斯公式都是用經(jīng)典物理學(xué) 的方法來研究熱輻射所得的結(jié)果，都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不 符，明顯地暴露了經(jīng)典物理學(xué)的缺陷。黑體輻射實(shí) 驗(yàn)是物理學(xué)晴朗天空中一朵令人不安的烏云。 為了解決上述困難，普朗克提出了一個(gè)著名的能量子

8、假設(shè)。,普朗克的量子假說 普朗克公式,普朗克在能量子假說的基礎(chǔ)上，利用內(nèi)插法將適用于短波的維恩公式和適用于長(zhǎng)波的瑞利-金斯公式銜接起來， 提出并確立了一個(gè)新的公式：,普朗克常數(shù) ！,這一公式稱為普朗克公式。它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得好 ！ 參見上圖。,普朗克公式還可以用頻率表示為：,普朗克得到上述公式后意識(shí)到，如果僅僅是一個(gè)僥幸揣測(cè)出來的內(nèi)插公式，其價(jià)值只能是有限的。必須尋找這個(gè)公式的理論根據(jù)。他經(jīng)過深入研究后發(fā)現(xiàn)：必須使諧振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。,能量子假說： 1.輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。 2.這些諧振子的能量不能連續(xù)變化（象經(jīng)典物理

9、學(xué)所允許的可具有任意值）。只能取一些分立值，這些分立值是某一最小能量（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：1, 2, 3, . n。n為正整數(shù),稱為量子數(shù)。,頻率為的諧振子最小能量為：,能量,量子,經(jīng)典,振子在輻射或吸收能量時(shí)，從一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)。在能量子假說基礎(chǔ)上，普朗克由玻爾茲曼分布律和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論，得到黑體的單色輻出度，即普朗克公式。,能量子的概念是非常新奇的，它沖破了傳統(tǒng)的概念，揭示了微觀世界中一個(gè)重要規(guī)律，開創(chuàng)了物理學(xué)的一個(gè)全新領(lǐng)域。由于普朗克發(fā)現(xiàn)了能量子，對(duì)建立量子理論作出了卓越貢獻(xiàn)，獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,光電效應(yīng) 當(dāng)波長(zhǎng)較短的可見光或紫外光照射到某些金屬表面上時(shí),金屬中

10、的電子就會(huì)從光中吸取能量而從金屬表面逸出的現(xiàn)象。,1. 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,金屬板釋放的電子稱為光電子,光電子在電場(chǎng)作用下在回路中形成光電流。,7- 4 光電效應(yīng) 愛因斯坦光量子理論,結(jié)論1： 單位時(shí)間內(nèi)，受光照的金屬板釋放出來的光電子數(shù)和入射光的強(qiáng)度成正比。,(1)飽和電流 實(shí)驗(yàn)表明： 在一定強(qiáng)度的單色光照射下,光電流隨加速電勢(shì)差的增加而增大,但當(dāng)加速電勢(shì)差增加到一定量值時(shí),光電流達(dá)飽和值 ，如果再增加光的強(qiáng)度， 相應(yīng)的 也增大。,（2）遏止電勢(shì)差 如果使負(fù)的電勢(shì)差足夠大，從 而使由金屬板表面釋放出的具有最大速度的電子也不能到達(dá)陽極時(shí)，光電流便降為零，此外加電勢(shì)差的絕對(duì)值 叫遏止電勢(shì)差。,實(shí)

11、驗(yàn)表明：遏止電勢(shì)差與光強(qiáng)度無關(guān)。參見下圖 ！,結(jié)論2：光電子從金屬表面逸出時(shí)具有一定的動(dòng)能， 最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。,截止電壓與入射光強(qiáng)度無關(guān).,遏止電勢(shì)差與頻率的關(guān)系,（3）遏止頻率（又稱紅限） 實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)光頻率小于某最小值 時(shí)，無光電子逸出。稱此頻率為該金屬的光電效應(yīng)截止頻率。遏止電勢(shì)差 和入射光的頻率之間具有線性關(guān)系：,，K 是圖線的斜率；,實(shí)驗(yàn)證明截止電壓(或光電子初始動(dòng)能)與入射光的頻率有關(guān).,為不隨金屬性質(zhì)不同而改變的普適恒量,稱為光電效應(yīng)的紅限（遏止頻率）,（4）弛豫時(shí)間 實(shí)驗(yàn)表明，從入射光 開始照射直到金屬釋放出電子，無論光 的強(qiáng)度如何，這段時(shí)間很短，不會(huì)超過 。,結(jié)

12、論 3：光電子從金屬表面逸出時(shí)的最大初始動(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系.當(dāng)入射光的頻率小于 時(shí)，不管照射光的強(qiáng)度多大、照射時(shí)間有多長(zhǎng)，也不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。,按照光的波動(dòng)說，光電子的初動(dòng)能應(yīng)決定于 入射光的光強(qiáng)，即決定于光的振幅而不決定 于光的頻率。,2.光的波動(dòng)說的缺陷,無法解釋紅限的存在。,無法解釋光電效應(yīng)的產(chǎn)生幾乎無須時(shí)間積累。,3.愛因斯坦的光子理論,愛因斯坦從普朗克的能量子假設(shè)中得到啟發(fā),他假定光在空間傳播時(shí),也具有粒子性,想象一束光是一束以 運(yùn)動(dòng)的粒子流 ,這些粒子稱為光量子,現(xiàn)在稱為光子,每一光子的 能量為 ,光的能流密度決定于單位時(shí)間內(nèi)通過該單位面積的光子數(shù)。,根據(jù)光子理論,光電效

13、應(yīng)可解釋如下:當(dāng)金屬中一個(gè)自由電子從入射光中吸收一個(gè)光子后,就獲得能量 ,如果 大于電子從金屬表面逸出時(shí)所需的逸出功 ,這個(gè)電子就會(huì)從金屬中逸出。,愛因斯坦光電效應(yīng)方程：,愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋：,入射的光波強(qiáng)度大，光子數(shù)多，釋放的光電子 也多，所以產(chǎn)生的光電流也就大。,電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出， 所以無須時(shí)間的累積。,從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射 光的頻率成線性關(guān)系。與實(shí)驗(yàn)方程比較 可得普適恒量 K 的值。,由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)， 可得到紅限頻率：, 例 波長(zhǎng)= 4.0

14、10-7m 單色光照射到金屬銫上， 求銫所釋放的光電子最大初速度。,利用關(guān)系式:,代入已知數(shù)據(jù)得到:,解： 銫原子紅限頻率 = 4.81014 Hz，根據(jù)愛 因斯坦光電效應(yīng)方程，光電子最大初動(dòng)能：, 例 在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得金屬得截止電壓和入射光的 頻率對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如下:,試用作圖法求：1.該金 屬光電效應(yīng)的紅線頻率 2.普朗克常量,2.由圖求得直線的斜率:,光電管,5.光電效應(yīng)的應(yīng)用,光電倍增管,解：(1) 按照經(jīng)典電磁理論,照射到離光源d處的半徑為r圓面 積內(nèi)的功率是：,例題 有一功率P=1W的點(diǎn)光源,d=3m處有一鉀薄片.假定鉀薄片中的電子可以在半徑r=0.510-10m的圓面積范圍內(nèi)收集

15、能量,已知鉀的逸出功為W=1.8eV,(1)按照經(jīng)典電磁理論,計(jì)算電子從照射到逸出需要多長(zhǎng)時(shí)間; (2)如果光源發(fā)出波長(zhǎng)為 的單色光,根據(jù)光子理論,求每單位時(shí)間打到鉀片單位面積上有多少光子？,假定這些能量全部被電子所吸收,那么可以計(jì)算出光開始 照射到電子逸出表面所需的時(shí)間為：,單位時(shí)間打在距光源3m的鉀片單位面積上的能量為:,(2) 按照光子理論,4. 康普頓散射實(shí)驗(yàn)裝置,5.實(shí)驗(yàn)規(guī)律：,散射光中除有原波長(zhǎng)成分外，還出現(xiàn)了0 的譜線,0隨增加而增加; 的強(qiáng)度隨增加而增加 .,(1),(2),與散射物質(zhì)無關(guān);的譜線的強(qiáng)度隨散射物質(zhì)原子序數(shù)的增加而減小;,0的譜線強(qiáng)度隨散射物質(zhì)原子序數(shù)的增加而增加

16、.,按照經(jīng)典理論,散射是一種共振吸收再發(fā)射的過程, 散射波的頻率(波長(zhǎng))應(yīng)與入射波相同.上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,經(jīng)典理論難以解釋.,(3),康普頓假設(shè):入射x光是光子流,這些光子不但有能量h0 ，而且有動(dòng)量 h0/c。光的散射過程是光子與原子中自由電子的完全彈性碰撞過程。,電子的質(zhì)量：,碰撞過程能量守恒：,碰撞過程動(dòng)量守恒：,解上面3個(gè)方程得:,或這,上式說明了隨散射角變化，而與散射物質(zhì)無關(guān)。,當(dāng)光子與原子內(nèi)層電子相碰，由于內(nèi)層電子束縛的較緊，形成光子與整個(gè)原子相碰。原子質(zhì)量比電子質(zhì)量大得多，光子傳給原子而使其運(yùn)動(dòng)的能量很小，散射波長(zhǎng)的變化觀察不到。這就是散射光中總有入射光成分的原因。,原子序數(shù)越大，

17、被束縛緊的電子越多，因此散射光中波長(zhǎng)為0的成分強(qiáng)度越大。,6. 波粒二象性：,在討論與光的傳播有關(guān)的一系列現(xiàn)象(光的干涉、衍射、偏振、雙折射)中，光表現(xiàn)出波動(dòng)本性。 在這一章中我們看到，當(dāng)光與物質(zhì)相互作用并產(chǎn)生能量或動(dòng)量的交換過程中，光又表現(xiàn)出分立的量子化特征，并可以用愛因斯坦的光子理論加以成功描述。這就是所謂的光的“波粒二象性”。,光子的能量:,由相對(duì)論：,光子的質(zhì)量:,光子的速度:,光子的動(dòng)量:,、P是用來描述粒子的特征，、是用來描述波動(dòng)特性的物理量，普朗克常數(shù)h 將這兩種特征量聯(lián)系起來.,或,物理學(xué)在微觀粒子方面的研究取得很大的成就?；玖Ｗ佑?2種，分為三類：,光子的靜止質(zhì)量:,光子是

18、電磁相互作用的媒介粒子.,第二種: 費(fèi)米子. 共48種.,電子, 中微子, 子, 子, 夸克 是費(fèi)米子.,第三種：,希格斯粒子,光具有波動(dòng)性質(zhì)，但它又與實(shí)物粒子一樣，有能量、動(dòng)量、質(zhì)量，因此，它在一定的條件下又表現(xiàn)出粒子性。以此類推，實(shí)物粒子，如電子、質(zhì)子等，是否也具有波動(dòng)性呢?,第一類: 規(guī)范玻色子.有13種.,光子是規(guī)范玻色子.,7. 物質(zhì)波,德布羅意:,在1911-1919年間，學(xué)習(xí)了龐加萊、洛侖茲、朗之萬、玻耳茲曼等人的著作(統(tǒng)計(jì)力學(xué))，學(xué)習(xí)了哈密頓-雅可比的理論，特別是普朗克、愛因斯坦、玻爾的量子著作。,在1924年夏作的博士學(xué)位答辯論文提出物質(zhì)波的概念。,象光具有粒子性一樣 ,實(shí)物粒子,如質(zhì)子,中子, 電子等，也具有波動(dòng)性.粒子的能量可表示為：,動(dòng)量可表示為：,具有速度的實(shí)物粒子的波長(zhǎng)為：,叫做德布羅意波長(zhǎng). 這種波稱為德布羅意波.,由于h很小，對(duì)宏觀物體來說，其波動(dòng)性很弱。如一塊1克質(zhì)量的石子以一米/秒的速度運(yùn)動(dòng)，波長(zhǎng)僅6.610-31米，根本測(cè)不出。而對(duì)于微觀粒子，由靜止而被150伏高壓加速的電子動(dòng)能：,德布羅意因?yàn)樘岢鑫镔|(zhì)波的假說榮獲1929年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1927年德布羅意的物質(zhì)波被戴維孫、革末以及湯姆孫所作的電子衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。,朗之萬評(píng)價(jià):,