光的量子性PPT实用版.ppt

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1、教学要点,1 光电效应的实验规律、爱因斯坦光子假设、爱因斯坦方程.,2 康普顿效应的实验规律.,6 薛定谔方程.,4 实物粒子的波粒二象性.,5 坐标动量不确定关系.,3氢原子光谱的实验规律及玻尔氢原子理论.,7 激光原理.,第二节光电效应 光的波粒二象性,石英窗,一、光电效应的实验规律,光电效应实验规律,.光电流与光强的关系,不变,反向遏止电压U0,当 K、A 间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值 U0 时，光电流恰为 0。,.截止频率0-红限,当入射光频率 0 时，电子才能逸出金属表面；,当入射光频率 0 时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。,.当 0时，光电效应是瞬时的

2、，时间10-9s。,.当 0 时，,与光强无关。,光电子初动能,反向遏止电压,实验现象一：存在截止频率,实验现象二：存在饱和电流强度,饱和电流强度与入射光强度成正比。,实验现象三：存在遏止电压,实验现象四：光电子瞬时发射。,二、经典电磁波理论对光电效应解释,1、认为不存在0,只要光强足够大,即能发生光电效应.但实验证明:只要 0不管光强多大,都不会有光电子逸出。,2、认为电子吸收能量需要一定的时间积累,但实验发现具有瞬时性。,3、光电子初动能应该与入射光强度成正比。但实验发现光电子初动能应该与入射光频率成正比.,爱因斯坦，根据普朗克能量子假说，提出了光量子假说和光的波粒二相性。,1905 年爱

3、因斯坦连续发表了三篇震憾世界的论文，其中“关于光的发生和转变的一个新观点”。提出了光量子假设成功地解释了光电效应，由此获得 1921 年诺贝尔物理学奖。,普朗克量子假设,.金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子。,.空腔壁上带电谐振子所吸收或发射的能量是 h 的整数倍。,普朗克常数,三、光量子（光子）假设,1.频率为 的光是由大量光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。,2.越高光子能量越大，光子能量与光强无关。,3.一定时，光强越大，光子数越多。,=h,四、爱因斯坦方程,在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W，另一部分变为光电子的动能 Ek0。,

4、1）对存在截止频率的解释,2）对存在饱和电流强度的解释,3)对存在遏止电压的解释,遏止电压随入射光频率线性增加,与光的强度无关,4)对光电子瞬时发射的解释,爱因斯坦对光电效应的解释,例1：铂的逸出功为6.3eV，求铂的截止频率0。,解：,例2：钾的截止频率0=4.621014Hz，以波长=435.8nm的光照射，求钾放出光电子的初速度。,解：,截止频率0-红限截止频率0-红限金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子。1905 年爱因斯坦连续发表了三篇震憾世界的论文，其中“关于光的发生和转变的一个新观点”。4 实物粒子的波粒二象性.光谱在紫外区域的谱线-莱曼线系。3eV，求铂的截止频率0。1905

5、 年爱因斯坦连续发表了三篇震憾世界的论文，其中“关于光的发生和转变的一个新观点”。3eV，求铂的截止频率0。波数：单位长度中所包含的波形数目。2、在外界激发下，用原子的发射光谱来研究分析。1、认为不存在0,只要光强足够大,即能发生光电效应.选无穷远为 0 电势点，半径为 rn 的电子与原子核系统能量:电子热运动能量，可近似为静止电子.核的大小与原子相比较很小。621014Hz，以波长=435.当入射光频率 0 时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子。2、不同线系在光谱的不同区域，每一谱线系中谱线的间隔向着短波方向递减。2 康普顿效应的实验规律.,五、光子的

6、能量、动量,1.光子的能量（动能）,由相对论光子的质能关系,光子的质量,由,有,否则,光子的能量就是它的动能。,2.光子的动量,六、光的波粒二象性,1.波动性,光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。,2.粒子性,光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。,光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。,光子能量和动量为,例：求波长为20 nm 紫外线光子的能量、动量及质量。,解：,能量,动量,质量,七、光电效应在近代技术中的应用,1.光控继电器,可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。,2.光电倍增管,可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105108 倍，灵敏

7、度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。,第三节康普顿效应,1920年，美国物理学家康普顿在观察X射线被物质散射时，发现散射线中含有波长发生变化了的成分.,一 实验装置,当 EiEf 原子发射光子。广义巴尔末公式的推导研究原子结构规律的两条途径：2、认为电子吸收能量需要一定的时间积累,但实验发现具有瞬时性。1、认为不存在0,只要光强足够大,即能发生光电效应.6eV 的电子轰击基态原子，这些原子所能达到最高态。（B）牛顿定律、动能定律；n 1 的为激发态。3)对存在遏止电压的解释一、光电效应的实验规律爱因斯坦，根据普朗克能量子假说，提出了光量子假说和光的波粒二相性。电子热运动能量，可近似为静止电

8、子.光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。1905 年爱因斯坦连续发表了三篇震憾世界的论文，其中“关于光的发生和转变的一个新观点”。遏止电压随入射光频率线性增加,与光的强度无关1905 年爱因斯坦连续发表了三篇震憾世界的论文，其中“关于光的发生和转变的一个新观点”。光子的能量就是它的动能。4)对光电子瞬时发射的解释光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。解：如果氢原子吸收电子全部能量它所具有能量,经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率.经典理论无法解释波长变化.,二 实验结果,三 经典理论的困难,K=0.0241埃,电子反冲速度很大，需用相对论力学来

9、处理.,（1）物理模型,入射光子（X 射线或 射线）能量大.,固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子.,四 量子解释,电子热运动能量，可近似为静止电子.,范围为：,（2）理论分析,能量守恒,动量守恒,散射光波长的改变量 仅与 有关,物理意义,光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性.,微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律.,1.已知某金属中电子的逸出功为 eU0，当用一种单色光照射该金属表面时，可产生光电效应，则该光的波长应满足：,（C）,（A）,（D）,（B）,A,2.康普顿效应说明在光和微观粒子的相互作用过程中，以下定律严格适用:（A）动量守恒、动能守恒；（B）牛顿定律、动能定律；（C）动

10、能守恒、机械能守恒；（D）动量守恒、能量守恒。,D,第四节氢原子的玻尔理论,研究原子结构规律的两条途径：,1、利用高能粒子轰击原子轰出未知粒子来研究(高能物理)；,2、在外界激发下，用原子的发射光谱来研究分析。,光 谱,1、发射光谱：,1)连续光谱:炽热固体、液体、黑体;,2)线状光谱(原子):彼此分立亮线,气体放电、火花电弧等。,2、吸收光谱:连续谱通过物质时,有些谱线被吸收形成的暗线。,两者都能反映物质特性及其内部组成结构特征谱线最简单的是氢原子光谱,第四节氢原子的玻尔理论,经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率.可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105108 倍，灵敏度高，

11、用在工程、天文、科研、军事等方面。选无穷远为 0 电势点，半径为 rn 的电子与原子核系统能量:1、利用高能粒子轰击原子轰出未知粒子来研究(高能物理)；4)对光电子瞬时发射的解释光谱在紫外区域的谱线-莱曼线系。入射光子（X 射线或 射线）能量大.6 薛定谔方程.6 薛定谔方程.入射光子（X 射线或 射线）能量大.1、不能解释多电子原子光谱、强度、宽度和偏振性等；爱因斯坦，根据普朗克能量子假说，提出了光量子假说和光的波粒二相性。例2：钾的截止频率0=4.例：求波长为20 nm 紫外线光子的能量、动量及质量。经典理论无法解释波长变化.当 EiEf 原子发射光子。4 实物粒子的波粒二象性.但实验发现

12、光电子初动能应该与入射光频率成正比.入射光子（X 射线或 射线）能量大.饱和电流强度与入射光强度成正比。,1、氢原子的光谱系,十九世纪后半叶,很多科学家都在寻找谱线的规律,1885年巴尔末(18251898瑞士一中学教师)发现了氢原子光谱在可见光部分的规律,即,一、氢原子光谱的规律性,巴尔末公式,当 n=3，4，5，6，为四条可见光谱线H、H、H、H。,当n=7，8，9，10，为四条紫外部分谱线,氢原子巴尔末线系,1.巴尔末光谱线系,氢原子光 谱的规律性,波数：单位长度中所包含的波形数目。,里德伯常数,2.莱曼线系,光谱在紫外区域的谱线-莱曼线系。,3.其它线系,在红外区还有三个线系,帕邢系,

13、布拉开系,普丰特系,4.广义巴尔末公式,氢原子光谱的规律性,1、光谱是线状的、谱线有一定的位置，或者说有一定的波长，而且 彼此是分立的。,2、不同线系在光谱的不同区域，每一谱线系中谱线的间隔向着短波方向递减。,3、类氢原子也有与之相似的规律,1911年,原子中心原子核(+)集中全部质量,外围电子(-)绕核旋转,核的大小与原子相比较很小。,二、卢瑟福的原子核型结构,2、原子光谱的规律性,由经典物理知道，原子既为一不稳定系统,必然向外发射连续谱,但事实是分立谱无法解释。,1、原子的稳定性问题,电子绕核作半径为r的圆轨道运行。,二、*氢原子经典核模型的困难,电子轨道半径可能值为 r1，4 r1，9

14、r1，16r1，.当n=7，8，9，10，为四条紫外部分谱线3、光电子初动能应该与入射光强度成正比。1905 年爱因斯坦连续发表了三篇震憾世界的论文，其中“关于光的发生和转变的一个新观点”。散射光波长的改变量 仅与 有关时间 0 时，电子才能逸出金属表面；可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105108 倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。621014Hz，以波长=435.,三、氢原子的玻尔理论,1、三条假设：,1)定态假设:原子系统只能具有一系列的不连续能量状态。,2)角动量假设量子化条件,3)跃迁假设：,当原子从定态 Ei 跃迁到定态 Ef 要发射或吸收频率为 的光子，,当 E

15、iEf 原子发射光子。,当 EiEf 原子吸收光子。,1.电子轨道半径量子化,氢原子中电子绕核作圆周运动，受核的库仑力充当向心力,由玻尔的假设2,代入,n=1，为第一轨道半径，离原子核最近。,第n级轨道半径,电子轨道半径可能值为 r1，4 r1，9 r1，16r1，.，n2r1,2.氢原子的能级,选无穷远为 0 电势点，半径为 rn 的电子与原子核系统能量:,动能,势能,原子能量,由,和,代入得,注意几点,.基态能量,.激发态,n 1 的为激发态。,赖曼系,巴尔末系,帕邢系,布拉开系,.氢原子的电离能,当,原子被电离-自由态，电子,不受原子核束缚。,电离能：把电子从氢原子第一玻尔轨道移到无穷远

16、所需能量。,轨道能量,取,例：用 12.6eV 的电子轰击基态原子，这些原子所能达到最高态。,解：如果氢原子吸收电子全部能量它所具有能量,1、认为不存在0,只要光强足够大,即能发生光电效应.但实验证明:只要 0不管光强多大,都不会有光电子逸出。七、光电效应在近代技术中的应用5 坐标动量不确定关系.2、不同线系在光谱的不同区域，每一谱线系中谱线的间隔向着短波方向递减。6 薛定谔方程.6 薛定谔方程.二、经典电磁波理论对光电效应解释电子绕核作半径为r的圆轨道运行。4)对光电子瞬时发射的解释n=1，为第一轨道半径，离原子核最近。十九世纪后半叶,很多科学家都在寻找谱线的规律,1885年巴尔末(1825

17、1898瑞士一中学教师)发现了氢原子光谱在可见光部分的规律,即2、不能说明原子是如何结合成分子、构成液、固体的。固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子.2）对存在饱和电流强度的解释4 实物粒子的波粒二象性.可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。当 EiEf 原子发射光子。一、光电效应的实验规律已知某金属中电子的逸出功为 eU0，当用一种单色光照射该金属表面时，可产生光电效应，则该光的波长应满足：,由,与,比较,4.广义巴尔末公式的推导,这一数值与实验测得结果符合很好。,为此，玻尔于1922年12月10日诺贝尔诞生100周年之际，获诺贝尔物理学奖。,1、不能解释多电子原子光谱、强度、

18、宽度和偏振性等；,2、不能说明原子是如何结合成分子、构成液、固体的。,3、逻辑上有错误:以经典理论为基础,又生硬地加上与经典理论不相容的量子化假设,很不协调半经典半量子理论.,四、玻尔氢原子理论的困难,成功解释了H、类H原子线谱,得到了R，且能级概念也被F-H实验证实,但仍存在缺陷:,4 实物粒子的波粒二象性.研究原子结构规律的两条途径：n 1 的为激发态。n 1 的为激发态。例：求波长为20 nm 紫外线光子的能量、动量及质量。由经典物理知道，原子既为一不稳定系统,必然向外发射连续谱,但事实是分立谱无法解释。6 薛定谔方程.2)角动量假设量子化条件截止频率0-红限6eV 的电子轰击基态原子，

19、这些原子所能达到最高态。4)对光电子瞬时发射的解释3)对存在遏止电压的解释8nm的光照射，求钾放出光电子的初速度。1905 年爱因斯坦连续发表了三篇震憾世界的论文，其中“关于光的发生和转变的一个新观点”。一、光电效应的实验规律经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率.1920年，美国物理学家康普顿在观察X射线被物质散射时，发现散射线中含有波长发生变化了的成分.七、光电效应在近代技术中的应用遏止电压随入射光频率线性增加,与光的强度无关2、在外界激发下，用原子的发射光谱来研究分析。,玻尔原子理论的意义：,1)揭示了微观体系具有量子化特征(规律),是原子物理发展史上一个重要的里程碑,对量子力学的建立起了巨大推进作用。,2)提出“定态”,“能级”,“量子跃迁”等概念，在量子力学中仍很重要,具有极其深远的影响。,