昆工-物理-光的量子性市公開課一等獎省賽課獲獎

*§20－1熱輻射基爾霍夫定律*§20－2絕對黑體輻射定律§20－3普朗克量子假設(shè)§20－4光電效應(yīng)愛因斯坦光子假設(shè)§20－5康普頓效應(yīng)第二十章光量子性第1頁2、了解光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)及其試驗規(guī)律。1、了解經(jīng)典理論碰到困難和普朗克能量子假設(shè)。3、會用愛因斯坦光子理論解釋光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。教學(xué)要求：第2頁

在十七世紀(jì)到十九世紀(jì)，經(jīng)典物理學(xué)取得了很大成就，正當(dāng)物理學(xué)家為經(jīng)典物理學(xué)成就感到滿意時，物理學(xué)碰到了前所未有困難。

邁克耳孫—莫雷試驗否定了絕對參考系存在；

用經(jīng)典物了解釋熱輻射現(xiàn)象時，出現(xiàn)了所謂“紫外光災(zāi)難”。

放射現(xiàn)象說明原子不是物質(zhì)基本單元，原子是可分。

為了處理這些問題，一些物理學(xué)家擺脫經(jīng)典物理束縛，重新思索物理學(xué)基本概念，艱難地建立起近代物理基本思想。第3頁一、熱輻射現(xiàn)象2、平衡熱輻射:輻射與吸收平衡,溫度恒定.1、熱輻射:決定于物體溫度電磁輻射.3、描述熱輻射物理量單色輻射強度：在單位時間內(nèi)從物體表面單位面積上、單位波長間隔內(nèi)所輻射出能量?？傒椛淠埽涸趩挝粫r間內(nèi)從物體表面單位面積上輻射各種波長能量.§20-1、20-2熱輻射黑體輻射定律第4頁4、單色吸收比和單色反射比單色吸收比單色反射比對不透明物體1、黑體:輻射(吸收)能力最強物體,能全部吸收一切外來輻射。二、黑體輻射第5頁

普通來說，入射到物體上電磁輻射，只有一部分被吸收，另一部分則被反射。黑體是一個理想化模型，可構(gòu)想有一個物體，它能吸收一切外來電磁輻射，這個物體稱為黑體。黑體

人造黑體模型:不透明材料制成帶小孔空腔。第6頁1)意義:溫度為T黑體,在單位時間,單位面積上,單位波長間隔所輻射出能量.定量說明了輻射強度大小。2、黑體單色輻射強度(單色輻出度)2)測定黑體試驗原理1、斯特藩—玻爾茲曼定律：由黑體試驗曲線能夠看出:1)黑體分布規(guī)律是溫度T函數(shù),與材料無關(guān)。三、黑體輻射定律第7頁2)溫度T時,在單位時間、單位面積上總輻射能：1879年,斯特藩從試驗中發(fā)覺此規(guī)律,五年后玻爾茲曼從理論上得到：第8頁2、維恩位移定律

曲線峰值對應(yīng)1893年,維恩得到他們之間關(guān)系：表明:向短波方向移動;向高頻方向移動。第9頁K1750K1300K1250K四、瑞利—金斯公式經(jīng)典物理困難瑞利—金斯從經(jīng)典理論得到：e0第10頁作出理論曲線與試驗曲線比較：1)在低頻(長波)部分符合很好；2)在高頻(紫外)部分出現(xiàn)巨大分歧.試驗指出:理論得到:第11頁

普朗克量子假設(shè)：黑體是由許許多多諧振子組成，諧振子能量只能取分離不連續(xù)值，它們是最小能量整數(shù)倍。在黑體中有各種頻率諧振子，對頻率為諧振子來說，=h，h為普朗克常數(shù)，所以頻率為諧振子能量為：依據(jù)以上假設(shè)，普朗克推出了黑體輻射公式：普朗克公式§20－3普朗克量子假設(shè)第12頁普朗克公式與試驗曲線吻合得很好。普朗克假設(shè)與經(jīng)典物理有根本性矛盾：（1）經(jīng)典物理認(rèn)為：諧振子能量不受限制，能量吸收或發(fā)射是邊續(xù)。（2）普朗克假設(shè)認(rèn)為：諧振子能量是量子化，即能量只能是最小能量h整數(shù)倍。諧振子能量吸收和發(fā)射是不連續(xù)，是一份一份進(jìn)行。普朗克圓滿地解釋了黑體輻射現(xiàn)象，成為了當(dāng)代量子理論開端。第13頁一、試驗裝置1、K—陰極,A—陽極,電子從KA在電路中形成光電流。2、光電效應(yīng):在入射光照射下,電子取得能量從金屬表面逸出。3、遏止電壓:電子能從KA,說明電子含有動能;加反向電壓當(dāng)此時:4、飽和光電流:加正向電壓,使逸出金屬表面電子全部抵達(dá)陽極A,此時光電流為最大值?！?0—4光電效應(yīng)愛因斯坦光子假設(shè)第14頁

當(dāng)波長較短可見光或紫外光照射到一些金屬表面上時，金屬中電子就會從照射光中吸收能量而從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。（光強）第15頁二、光電效應(yīng)試驗規(guī)律：（1）單位時間內(nèi)從金屬表面逸出電子數(shù)與入射光強成正比——第一試驗規(guī)律。4.06.08.010.0

(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa第16頁（4）光射到金屬表面與光電子從金屬表面逸出時，時間間隔不超出去10-9s時，能夠認(rèn)為二者同時發(fā)生。即光電效應(yīng)應(yīng)含有瞬時性（不論入射光強度怎樣）。（2）光電子最大初動能隨入射光頻率增加現(xiàn)而線性地增加，與入射光強無關(guān)——第二試驗規(guī)律。

（3）當(dāng)光照射到某金屬時假如光頻率小于該金屬紅限，則不論光多么強都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)——第三試驗規(guī)律。第17頁三、經(jīng)典理論困難1、認(rèn)為不存在,只要光強足夠大,即能發(fā)生光電效應(yīng).但試驗證實:只要不論光強多大,都不會有光電子逸出。2、認(rèn)為電子吸收能量需要一定時間積累,但試驗發(fā)覺含有瞬時性。3、光電子初動能應(yīng)該與入射光強度成正比.第18頁四愛因斯坦光子假設(shè)及其對光電效應(yīng)試驗規(guī)律解釋

1光量子假設(shè)：愛因斯坦認(rèn)為:輻射能不但是在發(fā)射和吸收是一份一份進(jìn)行,且在傳輸過程中也是一份一份.假設(shè)光是一個一個，以光速運動粒子組成粒子流，這種粒子稱為光子，每一光子能量為h其中h為普朗克常數(shù)，為光頻率。2依據(jù)愛因斯坦假設(shè)能夠很好地解釋光電效應(yīng)試驗規(guī)律：（1）當(dāng)光子照射到金屬板上時，有電子吸收了一個光子，也就是吸收一份能量h，假如h大于金屬逸出功w，這個電子就能夠從金屬逸出。第19頁（2）當(dāng)電子從金屬板上逸出時，它從光子吸收能量h，一部分消耗于從金屬表面逸出時所需逸出功w，其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮映鮿幽堋?/p>

依據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律有：——愛因斯坦光電效應(yīng)方程——電子最大初動能第20頁

（4）瞬時性解釋:

按照光子假說，當(dāng)光投射到物體表面上時，光子能量就一次次地被電子吸收，不需要任何時間，這么就自然解釋了光電效應(yīng)時間問題。至此,愛因斯坦不但完美解釋了光電效應(yīng),還使人們對光本性認(rèn)識有了質(zhì)飛躍——波動性兼具粒子性。（3）從愛因斯坦方程能夠解釋光電效應(yīng)第三條規(guī)律第21頁例題：已知一單色光照到某金屬表面，測光電子最大動能為1.3eV,該金屬紅限波長為5000?,求：入射光波長是多少？第22頁五、光子能量、動量和頻率、波長之間關(guān)系：若已知光子波長為，則光子第23頁一、試驗裝置準(zhǔn)直系統(tǒng)入射光

0散射光

探測器石墨散射體

二、試驗結(jié)果表明:x射線經(jīng)過物質(zhì)散射時,波長發(fā)生改變,散射后波長有兩個峰值,一個與原來波長相同,另一個與散射角相關(guān)。波長改變與散射角有以下關(guān)系：§20-5康普頓效應(yīng)第24頁三、對康普頓效應(yīng)解釋1、經(jīng)典理論不能作出合了解釋!經(jīng)典理論解釋是:單色電磁波作用于比波長尺寸小帶電粒子上時,引發(fā)受迫振動,向各方向輻射同頻率電磁波。與試驗不符。2、光子理論解釋:光子與電子彈性碰撞推導(dǎo)過程請看書P246~247頁。推導(dǎo)結(jié)果：

假如把X射線被電子散射過程看作是能量為h、動量為光子與電子碰撞過程，應(yīng)用動量守恒與能量守恒定律就能夠完滿解釋康普頓效應(yīng)。第25頁討論：１、當(dāng)＝時，最大，散射光波長較入射光波長改變量最大，散射光頻率較入射光頻率小最多。２、當(dāng)＝０時，＝０，散射光子頻率（波長）與入射光子頻率（波長）相等。第26頁為何還有原波長峰值？光子與束縛電子碰撞,是與整個原子碰撞,失去能量較少,散射后頻率幾乎不變。

原子量小物質(zhì)康普頓效應(yīng)較顯著;原子量大物質(zhì)效應(yīng)不顯著。由（20-12）式看出，當(dāng)時，所以看不到康普頓效應(yīng)?！@與試驗結(jié)果相符。第27頁康普頓效應(yīng)發(fā)覺,以及理論分析和試驗結(jié)果一致,不但有力地證實了光子假設(shè)正確性,而且證實了微觀粒子相互作用過程中,也嚴(yán)格恪守能量守恒定律和動量守恒定律。第28頁1某種金屬在一束綠光下剛能產(chǎn)生光電效應(yīng)，現(xiàn)用紫光和紅光照射能否產(chǎn)生光電效應(yīng)？產(chǎn)生條件：入射光頻率金屬紅限頻率0

c=紫>綠>紅

所以紫光能產(chǎn)生而紅光不能2設(shè)一束紅光照射下某金屬不能產(chǎn)生光電效應(yīng),假如用透鏡聚焦在金屬上,并經(jīng)歷一段時間能否產(chǎn)生光電效應(yīng)?

不能產(chǎn)生,因為聚焦不能改變頻率,能否產(chǎn)生光電效應(yīng)取決于于入射光頻率.第29頁OPQ

3、在圖中,PQ表示光電子初動能與入射光頻率關(guān)系,問(1)P點頻率表示什么?(2)不一樣金屬直線PQ斜率是否相同?(1)P點頻率表示該金屬紅限頻率.(2)由知PQ斜率就是普朗克常數(shù),故斜率相同.第30頁4、要使金屬發(fā)生光電效應(yīng),則(1)盡可能增大入射光強度(2)選取波長較紅限更短光波為入射光(3)選取波長較紅限更長光波為入射光,哪一個正確?(2)正確5、當(dāng)單色光照射到金屬表面產(chǎn)生光電效應(yīng)時,已知該金屬逸出電位為u0,則這種單色光波長一定要滿足:(1)對第31頁6頻率為光子,它靜止質(zhì)量、質(zhì)量、能量、動量各為多大？7一個光子能量為E、動量為P，波長為，該光子速度為：第32頁8、用頻率為

1和2兩束單色光分別照射在金屬A、B上，假如從A中逸出電子初動能比較大，問頻率1是否大于2？

不一定，因為光電子初動能不但與入射光頻率相關(guān)，且與材料種類相關(guān)。9兩塊相同金屬被光照射產(chǎn)生光電效應(yīng)，設(shè)入射光相同，但入射角不一樣，問金屬中逸出電子數(shù)是否相同？

入射光強相同，但入射角不一樣，在相同時間內(nèi)射至金屬上光子數(shù)目不一樣所以金屬板上逸出電子數(shù)目不一樣。第33頁10、在某一地點，測得紫光和紅光強度相同，部在該處兩種光在單位時間內(nèi)經(jīng)過垂直于傳輸方向單位面積光子數(shù)是否相同？不相同，光強度——光能流密度S，S=Nh

第34頁11某種金屬在一束綠光照射下有電子逸出，在下述情況下，逸出電子會怎樣改變？（1）再多加一束綠光。（2）用強度相同一束紫光。（1）入射光頻率不變強度增強，則逸出初動能不變，但光子數(shù)增多。（2）用紫光照射

紫>綠，由愛因斯坦方程，

可知初動能增大。另外，因為強度相同(S紫=S綠)，但

紫>綠,N紫<N綠,因為光子數(shù)降低,所以逸出電子降低.第35頁[1]首先入射光波長不一樣,當(dāng)入射光是可見光或紫外光時,光子能量與電子束縛能同數(shù)量級,此時表現(xiàn)為光電效應(yīng).當(dāng)入射光波長很短時,光子能量遠(yuǎn)大于電子束縛能,主要表現(xiàn)為康普頓效應(yīng).[2]相互作用微觀機制不一樣,光電效應(yīng)中,電子吸收光子全部能量,在這過程中能量守恒.而康普頓散射是光子與電子作彈性碰撞,此時不但能量守恒,且動量也守恒.12、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)所研究都是個別光子與電子相互作用過程,它們有何區(qū)分?第36頁1把太陽看成黑體，測得太陽最大單色輻出度對應(yīng)波長是0.49

m，求太陽表面溫度。假如太陽平均直徑為1.39

109m，太陽到地球距離是1.49

1011m，求太陽等于垂直照射地球表面單位面積上接收輻射功率。解：依據(jù)維思位移定律得太陽表面溫度為設(shè)日地距離為d，太陽半徑為RS，地球表面單位面積上接收輻射功率為W。太陽單位面積輻射功率即為其輻出度M。第37頁在以RS和d為半徑兩個圓球面上，能量是相等，于是有：第38頁2

在離金屬板R=100m處放置一個小燈光其功率P=1W，為簡單起見，設(shè)發(fā)出光波波長為5890?，而且燈泡功率均勻地向四面輻射，求每秒