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1、第 六 篇,近代物理学基础,课件制作人基础课部物理教研室赵存虎2001.10.主要参考资料：清华大学编大学物理电子课件,（光的量子性）,第十九章 光的量子性,.1.,19-1 热辐射 黑体辐射,19-2 普朗克的能量子假说 普朗克公式,19-3 光电效应,19-4 爱因斯坦的光量子论,19-5 康普顿效应,(Quantum of Light),19-1 热辐射 黑体辐射,一、热辐射现象,1.基本性质：,温度,电磁波的短波成分,.2.,任何物体在任何温度下都不断地向周围空间辐射电磁波,这一现象称为热辐射.,例如：加热铁块800K以上，可见光成分逐渐显著。,辐射的能量,(Thermal radia
2、tion,Blackbody radiation),物体中的分子、原子的热运动使它们有能量交换，辐射电磁波。,2.热辐射机理:,3.单色辐出度M,单位时间内从物体单位表面积发射的波长在附近单位波长d间隔内的辐射能dM与d的比值，用M表示,.3.,二、黑体和黑体辐射的实验规律,1.黑体,能完全吸收各种波长电磁波而无反射和透射的物体，M 最大且只与温度有关而和材料及表面状态无关。,.4.,平衡热辐射：,物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量.,2.维恩设计的黑体,4维恩位移律,m=b/T,b=2.89775610-3 mK,5理论与实验的对比,3.斯特藩-玻耳兹曼定律,M(T)=T 4,=5.
3、6710-8 W/m2K4,三、经典物理学遇到的困难,.5.,为了与实验结果相吻合,普朗克假设:物体辐射或吸收频率为的电磁波时,交换的能量只能是h 的整数倍.,2.普朗克的假设(1900),经典观点,能量,1.“谐振子”的概念(1900年以前),量子观点,19-2 普朗克的能量子假说 普朗克公式,.6.,根据经典热力学理论,物体中大量带电粒子的振动,可看作谐振子的振动,它们向周围辐射电磁波,形成连续能谱.,(The Hypothesis of Quantization,Planck Expressions),h=6.626075510-34 Js,3.普朗克公式,黑体单色辐出度,普朗克常数：,
4、能量子:,(最小能量单位),.7.,19-3 光电效应,一、光电效应,.8.,金属及其化合物在光照射下从表面发射电子的现象。,(Photoemission),演示动画,实验装置及规律,在光的照射下，从阴极K表面上逸出电子(称为光电子)，在回路中形成电流(光电流)。,单色光照射阴极K,.9.,1、存在截止频率(又称红限),如锌板用紫外线照射，能产生光电效应，用其他可见光照射则不能产生光电效应。,对于一定的金属阴极，只有当照射光频率大于某一频率0 时，才会产生光电效应，低于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。,.10.,当加上反向电压时，仍有光电流产生；直至反向电压加大到某一值时，光
5、电流完全消失，这个电压称为遏止电压，用Uc表示.,0 称为截止频率或红限频率。,.11.,增大A、K之间的电压UAK，光电流增大；当电压UAK足够大后，电流不再改变，这就是饱和光电流。此时若再增大照射光的强度，光电流会随之增大，而且饱和光电流 im 与照射光强度 I成正比。,3、光电流与照射光的强度成正比,12,2、即照即生光电子,即使入射光强度非常弱,只要入射光频率大于某一频率,从光照射金属表面,到光电子首次逸出,驰豫时间不超过10-9s(几乎无须时间积累).,遏止电压与照射频率成正比,与照射光强无关.,推论：单位时间内从阴极K上逸出的光电子数N与照射光强度 I成正比。,4、光电子的最大初动
6、能与照射光的强度无关，只与照射光的频率有关,.13.,设：N是饱和状态下单位时间内从阴极K上逸出的电子数,光电效应中，从金属中逸出来的光电子，有些从金属表面直接飞出，而另外一些则从金属内部出来，沿途与其它粒子碰撞，损失部分能量。因此光电子的速度会有差异，直接从金属表面飞出的速度最大，其动能称为最大初动能。,最大初动能,设光电子的最大初动能为,.14.,当两极间加上反向电压后,电场力对从K极板飞出的光电子作负功,使光电子速度减小;当电场力作的功eUc恰好等于光电子的最大初动能时,光电子到达A极板时的动能将变为零.,甲,m,e,.15.,3.光电子的最大初动能应与照射光的强度有关,而与频率无关.,
7、二、光的经典电磁理论遇到的困难,2.阴极电子积累能量达到逸出功(电子脱离金属表面原子的引力所需的功)需要一段时间，光电效应不应瞬时发生；,1.无论照射光的频率如何，金属中的电子总能吸收照射光足够的能量，从而逸出金属表面，不应存在截止频率；,推论:当照射光的频率大于截止频率0时,光电子的最大初动能与照射光的频率成正比.,按照光的经典电磁理论,.16.,电磁辐射(或光)是由一束以光速 c 运动的粒子流组成，这些粒子称为光子；频率为 的每一个光子具有能量=h,它不能被再分割，而只能整个地被产生或吸收；频率为 的单色光照射金属时，一个电子一次只能吸收一个光子的能量h.,一、爱因斯坦光量子假设(1905
8、):,19-4 爱因斯坦的光量子论,.17.,二、爱因斯坦光电效应方程,(Einsteinian Light Quantum Theory),一个电子吸收一个光子的能量；,爱因斯坦方程,设 A 为电子的逸出功(电子脱离金属表面时克服表面原子的引力所需作的功;A决定于金属本身的性质)则:,电子脱离金属表面时的最大初动能.,三、爱因斯坦对光电效应的解释,由爱因斯坦方程可知：,.18.,4.因入射光强 I与单位时间内的光子数成正比，所以也与单位时间内逸出的光电子数成正比，也就与饱和光电流im成正比。,因而，红限频率为,1.当 时，即不产生光电效应；,2.因A一定，所以 与频率成正比；,3.因一个电子
9、一次性吸收一个光子的能量，不需要积累时间，所以发射几乎是瞬时的；,.19.,四、光(电磁辐射)的波粒二象性,1.近代物理理论认为光具有波粒二象性,在有些情况下，光突出显示出波动性，而在另一些情况下，则突出显示出粒子性。,粒子不是经典概念粒子,波也不是经典概念波.,2.基本关系式,粒子性：能量,动量P,波动性：波长,频率,光子质量：,光子动量：,.20.,一、康普顿效应(1923),X射线在石墨上的散射,19-5 康普顿效应,.21.,在散射X射线中，除有与入射线相同波长的射线外，还有比入射线波长更长的射线，这一现象称为康普顿效应。,(Compton Effect),a.原子量小的物质，康普顿散射线相对较强；,光子与电子的弹性碰撞,二、用光子理论解释康普顿效应,c.对于同一散射角,-0与散射物质无关.,b.波长的改变量-0随散射角的增大而增大；,22,实验发现:散射线波长与入射线波长0之差,1)X射线光子与原子中束缚较弱的电子弹性 碰撞,3)碰撞过程中能量与动量守恒,2)原子量小的原子中的电子受束缚较弱,容易被碰出,因而波长较长的康普顿散射线相对较强；,.23.,
