第十九章光的量子性课件.ppt

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1、UNIVERSITY PHYSICS 3,Chapter 19 The Quantization of Light 第19章 光的量子性,19-1 热辐射 普朗克的量子假设Thermal Radiation and Planks theory of Radiation,19-2 光电效应 爱因斯坦的光子理论 The Photoelectric Effect and Einsteins Quantum Theory,19-3 康普顿效应 The Compton Effect,教学要求,（自学）,1.Thermal Radiation 热辐射现象,温度升高,黑体热辐射,全吸收,黑体,19-1 Th

2、ermal Radiation and Plancks Theory of Radiation 黑体辐射 普朗克的量子假设,黑体辐射实验规律,2.普朗克及普朗克量子假设,普朗克(M.Planck 1858-1947):德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。1900年12月14日，提出“能量子”（或量子）概念，解释了黑体辐射实验规律，宣告量子论的诞生，为献给二十世纪的最伟大礼物，量子论和相对论共同构成现代物理学的两大基本理论。,Plancks Postulate 普朗克的量子假设：,能量子：,（后称为光子）,这是一个革命性的概念，打破几百年来人们奉行的自然界连续变化的看法，带来了科学史的一次

3、巨大变革。但当时遭到许多科学家的反对，第一个意识到量子概念的普遍意义并将其运用到其它问题上的是青年物理学家爱因斯坦。,19-2 The Photoelectric Effect 光电效应 爱因斯坦的光子理论,1.The Photoelectric Effect 光电效应及其实验规律,G.L.赫兹1888年在研究紫外线照射到金属板的性质时，发现了光电效应（photoelectric effect)。他实验证实了电磁波，又是他研究电磁波的性质时发现的光电效应，揭示了电磁波的粒子性。,后证实为电子,实验装置,K阴极（某种金属）,A阳极,光照射到K阴极上，打出电子，经电场作用，在电路中形成电流。,这种

4、电子又叫光电子，对应电流叫光电流。,实验规律：,1）对于每一种金属，只有当入射光的频率大于一定的频率时，才有光电效应，否则不管光多强，都没有光电子射出；,2）光电子的初动能随入射光频率线性增加,与光的强度无关：,遏止电压,3）单位面积上发射的光电子数与入射光强成正比，即最大光电流（饱和电流）与光强成正比；,4）光电子是即时发射的，实验发现，发射光电子与光照射的时间差小于3*10-9秒。,如果将入射光看成电磁波，能不能解释上述光电效应实验规律？,电子,2.爱因斯坦的光量子理论,1905年，爱因斯坦：,1）接受普朗克的量子概念：物体一份一份地发射电磁波；,2）光在传播过程中，也保留一份一份的性质：

5、光量子即粒子（1926年美国化学家G.N.Lewis将光量子定名为光子）。,总结：光就是一束以光速运动的光子组成的粒子流，如果光的频率为，则一个光子的能量为：,常数h叫普朗克常数（）。,如图，光子入射到金属表面，其附近电子（设静止）吸收光子，获得能量，逃出金属，成为光电子，由能量守恒有：,叫爱因斯坦光电效应方程，W为电子从金属表面逃出的逸出功。,美国物理学家密立根（R.A.Milikan)花了近十年时间从实验上证实了爱因斯坦光电效应方程，并算出了普朗克常数（两人因此分别在1921年和1923年获得诺贝尔奖）。,1）对于每一种金属，只有当入射光的频率大于一定的频率时，才有光电效应，否则不管光多强

6、，都没有光电子射出：,2）光电子的初动能随入射光频率线性增加,与光的强度无关：,3）单位面积上发射的光电子数与入射光强成正比，即最大光电流（饱和电流）与光强成正比,n为单位时间通过垂直于光传播方向单位面积的光子数。,4）光电子是即时发射的，实验发现，发射光电子与光照射的时间差小于3*10-9秒：,电子一次吸收一个光子，不需要积累时间。,问题：自由电子可不可能吸收一个光子？,至此,爱因斯坦不仅完美解释了光电效应,而且使人们对光的本性的认识有了质的飞跃波动性兼具粒子性。,3.光电效应的应用（因时间关系，请大家自学）,19-3 The Compton effect(康普顿效应),1.A.H.康普顿（

7、Compton）：18921962,美国物理学家，1927年诺贝尔奖获得者。主要贡献：1920 1923 年发现的康普顿效应。,吴有训：18971977，中国物理学家、教育学家。康普顿的学生，对证实康普顿效应，作出了重要贡献，因此，也称康普顿效应为康普顿-吴有训效应。,2.康普顿效应,当x射线照射到物质上，散射的x射线中有波长变长的散射波，这一现象叫康普顿效应，如图：,散射光由两部分组成，一部分波长与原来的相同，一部分波长 变长，而且 随散射角的增大而增加，满足：,这里：,3.康普顿效应的解释,关于x射线是什么？历史上曾引起过激烈的争论！英国物理学家大部分认为是波，大部分法国和德国物理学家认为

8、是粒子流，这一实验使人们确信x 线是粒子流,19191920年康普顿在英国作访问学者，试图用电磁波知识来解释康普顿效应。,如果x射线是电磁波，能不能解释康普顿效应效应？不能，请听分解：,没有波长变长的散射光！,1922年康普顿接受了爱因斯坦的光量子理论，将x射线与物质的散射看成是光子与原子中的电子的碰撞，很好地解释了康普顿效应。,x光子与原子中的电子的碰撞可分为两类：,1）x光子（能量104eV)与原子中的外层电子（束缚能越几个eV）的碰撞，视为与自由电子的碰撞；,2）x光子（能量104eV)与原子中的内层电子（束缚能大）的碰撞，视为与整个原子的碰撞；,1）x光子（能量104eV)与原子中的外

9、层电子（束缚能越几个eV）的碰撞，视为与自由电子的碰撞：,能量和动量守恒：,这里：,2）x光子（能量104eV)与原子中的内层电子（束缚能大）的碰撞，视为与整个原子的碰撞：,总结：,1）波长不变的散射光来自光子与整个原子（内层电子）的碰撞；,2）波长变长的散射光来自光子与原子外层电子的碰撞。,问题：,1）如果原子中的电子碰撞前有动量，上面的公式如何变化？电子动量谱学。,2）如何用上面的方法解释对于可见光没有康普顿效应；,3）如何解释实验曲线的锋有一定的宽度？,4.康普顿效应的重要意义：,1）证实x射线具有粒子性（注：x射线的晶体散射实验证明它具有波动性，见第18章）；,2）并且证实了微观粒子的相互作用过程中,也严格遵守能量守恒定律和动量守恒定律；,3）证实了爱因斯坦的相对论有关公式：,4）促进了量子力学的建立。,因此，其成果很快于1927年获得了诺贝尔奖。,