物理学24(量子1).ppt

1、1,16.1 光的量子性,一、光电效应,第十六章 量子物理学基础,引言：,波动特性,粒子特性,波粒二象性,光电效应、康普顿效应实验是历史上证明光具有粒子性的两个重要实验，对量子理论的发展起到了重要作用。,1887年赫兹发现,勒纳证明是电子!,当光照射在金属表面时金属表面有电子逸出的现象就称为光电效应。,2,实验装置如图：,I1,I2,I2I1,照射光强,同一种金属做成的K 极用同频率不同光强的光照射调整加速电压，可以得到如图实验曲线。,3,1. 实验规律：,饱 和 光电流,（1）光电流与入射光强的关系,单位时间内逸出的光电子数与入射光的光强成正比。,当入射光频率一定时，随着 U 增大，光电流增

2、大至一定值后饱和,饱和光电流,设单位时间内从 K 极逸出的电子数 N 个，电子电量 e，则饱和电流,4,（2）光电子的初动能与入射光频率之间的关系,从能量分析：电场力做负功，动能减少,当 时,-称为遏止电压,当 时,此时，电子逸出速度为 的电子也刚好不能到达阳极A,逸出的光电子具有初动能：,5,实验证明：,对于不同材料K 极采用不同频率的光照射。,不同的阴极材料，入射光波频率改变时，遏止电压的变化情况,经验公式,k 直线斜率，与材料无关,直线与纵轴的截距， 与材料有关。,6,由：,-红限频率,（3）光电效应的红限频率,（4）光电效应和时间的关系,从光线照射到金属表面至电子逸出时间,光电效应是瞬

3、时的，与光的频率有关，而与光强无关。,入射光的频率必须大于红限频率，才会发生光电效应。,7,光电效应实验规律总结：,1、单位时间内，从阴极 K 逸出的电子数 N 与入射光的强度 I 成正比。,2、光电子的初动能与入射光的频率成线性关系，而与入射光的光强 I 无关。,4、在 的条件下，即使光强很弱，光电效应也会瞬时发生。,当 时，不论光强多大，都不能产生光电效应。,3、每种金属材料，都存在一个红限频率。,8,2、光电效应与经典理论的困惑,(2). 只要光足够强，只要光电子的能量积累达到一定值，就应产生光电效应，与入射光的频率无关，不应存在红限。,(3). 光电子吸收能量一定要有一个过程，特别光强

4、很弱时，能量积累的时间要更长些。这与实验事实不符。,(1). 光强越大，能量越大，逸出的光电子初动能越大，与光的频率无关。,无法解释逸出光电子的初动能随光的频率线性增加的实验事实。,9,1、 普朗克的能量子假说,1900年12月14日，在德国物理学会上演讲 这一天定为量子力学的诞生日。,1900年，普朗克提出能量子 h,h=6.6310-34 J.s 普朗克常数,二、爱因斯坦光子假说,打破能量连续辐射和吸收的传统观念,10,他对自己的理论忐忑不安，“经典理论给了我们这样多有用的东西，因此， 必须以最大的谨慎对待它，维护它除非绝对必要，否则不要改变现有的理论。” 1910年，他提出发射能量不连续

5、吸收连续，啤酒卖出去后就成了流体。1914年，发射也连续只有相互碰撞时才不连续。,量子论,普朗克把物理学带到量子论大门口，却没进去。,爱因斯坦、玻尔勇敢地闯了进去！,11,2、爱因斯坦光子假说 (1905),(1)、光是一束以光速c 运动的粒子流，该粒子称为光子。,(2)、频率为的光的一个光子的能量为,爱因斯坦吸收了普朗克思想，提出光子假说。,3、 光子理论对实验的解释：,当一个光子照射在金属表面时，被一个电子所吸收，而 使电子动能增加了h。以 A 表示电子从金属表面逸出 克服阻力所作的功（逸出功）。则从能量守恒可得：,光电效应方程,12,(1)、 解释,(2)、 解释 与 成线性关系,(3)

6、、 解释红限频率的存在,(4)、 解释光电效应的瞬时性,当一个光子与金属中的一个自由电子相碰撞时,电子一次全部吸收掉光子的能量,不需要能量的积累时间,13,4、光子的质量、能量及动量：,(1) 光子的能量,(2) 光子的质量,光子的静止质量,(3) 光子的动量,由于在理论物理方面的贡献，特别是对光电效应的成功解释，1921年，爱因斯坦获得诺贝尔物理奖！,光具有波粒二象性！,14,三、康普顿效应,康普顿1927年，诺贝尔 物理奖获得者,1923年，美国物理学家康普顿发现，X射线通过石墨等轻物质散射时，在散射线中有两种波长：一种是与入射光波长相同的散射线， 另一种是波长大于入射光波长的散射线， 这

7、种改变波长的散射称为康普顿效应。,该实验证明了爱因斯坦光子理论的正确性！,15,1、实验现象,(1) 散射线中有两种波长,（ 0）康普顿散射光,0 ：正常光,(2) 波长的改变量,仅随散射角 的增大而增大,(3) 波长为0的散射光强度随散射角 的增大而减小,波长为的散射光强度随散射角 的增大而增大,16,(4) 同一散射角，不同的散射物，康普顿散射光光强占总光强的比例不同。,轻原子比例大,重原子比例小,2、经典波动理论不能解释康普顿效应：,电磁波（00）,辐射电磁波,散射物（原子受迫振荡）,波长、频率只能是0、0,17,内层电子与核结合紧密而成为一体光子与之碰撞反弹（不损失能量） 不变正常光。

8、,轻的原子中的电子一般束缚得较弱，康普顿效应较强，散射光中康普顿成分多、正常成分少。,(1) 解释,当入射光子与最外层自由电子碰撞时,光子把一部分能量传给了电子,光子本身能量 -康普顿散射光,(2) 解释,重的原子中的电子一般束缚得较强，康普顿效应较弱，散射光中康普顿成分少、正常成分多。,3、光子理论的解释（定性解释）,18,能量守恒：,X方向动 量守恒：,Y方向动 量守恒：,考虑：,4、康普顿效应的理论推导,作用前,作用后,19,联立解得：,康普顿波长：,说明：,(2). 康普顿公式与实验完全相符，它不仅解释了康普顿效应，证明了爱因斯坦光子理论的正确性，而且还证明了动量守恒定律和能量守恒定律

9、在微观领域仍成立。,(1). 只与 有关，与散射物和 无关。,20,解 (1)由康普顿散射公式,在 的方向上，有两种波长的 x 射线,求：散射光波长,已知：x 射线散射，入射光波长,反冲电子,例题1：,散射角,21,(2) 反冲电子的动能,由碰撞过程能量守恒,22,两式联立：,(3) 反冲电子的动量,由动量守恒,x方向：,y方向：,23,一、光电效应,（1）、光电流具有饱和性。,（2）、饱和光电流正比于光强。,（3）、光电子具有初动能。,（5）、 光电子逸出与光照同时发生,（4）、 光电效应有一定的截止频率,小 结：,24,二、爱因斯坦光子假说 (1905),(1)、光是一束以光速c 运动的粒子流，该粒子称为光子。,(2)、频率为的光的一个光子的能量为,(3) 光子的质量,(4) 光子的动量,光具有波粒二象性,25,(1) 散射线中有两种波长,（ 0）康普顿散射光,0 ：正常光,(2) 波长的改变量,仅随散射角 的增大而增大,(3) 波长为0的散射光强度随散射角 的增大而减小,波长为的散射光强度随散射角 的增大而增大,(4) 同一散射角，不同的散射物，康普顿散射光光强占总光强的比例不同。,轻原子比例大,重原子比例小,三、康普顿效应,1、实验现象,26,能量守恒：,X方向动 量守恒：,Y方向动 量守恒：,4、康普顿效应公式,