光的量子性1.ppt

第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 一、黑体辐射一、黑体辐射1.热辐射热辐射14-1 普朗克量子论普朗克量子论F单色辐出度单色辐出度M M(T)(T)：物体表面单位面物体表面单位面积单位时间内发射、波长在积单位时间内发射、波长在-+d d 范范围内的辐射能围内的辐射能dM 与波长间隔之比，即与波长间隔之比，即第十四章第十四章 光的量子性光的量子性F意义：意义：反映不同温度下物体的辐射能反映不同温度下物体的辐射能按波长分布的情况按波长分布的情况F辐出度辐出度M M(T T)：物体表面单位面积单位物体表面单位面积单位时间内发射的各种波长的总辐射能，时间内发射的各种波长的总辐射能，即即F意义：意义：反映了不同温度下物体单位面反映了不同温度下物体单位面积发射的辐射功率的大小积发射的辐射功率的大小第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 2.绝对黑体的辐射规律绝对黑体的辐射规律黑体模型黑体模型F绝对黑体：开小孔绝对黑体：开小孔的腔体的腔体说明：说明：(1)好的发射体，必是好的吸收体好的发射体，必是好的吸收体(2)对任何波长的辐射能，绝对黑体所对任何波长的辐射能，绝对黑体所发射的能量都要比相同温度下其它物发射的能量都要比相同温度下其它物体发射的能量多体发射的能量多第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 黑体单色辐出度实验曲线黑体单色辐出度实验曲线(2)M(T)随随 连续变连续变化，每条曲线有一化，每条曲线有一峰值峰值(1)曲线随曲线随T的升高而的升高而提高，即提高，即M (T)随随T升高而增大升高而增大(3)随随T的升高，的升高，峰值波长峰值波长 m减小减小规律：规律：第十四章第十四章 光的量子性光的量子性黑体的辐射定律黑体的辐射定律斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 =5.67051 10-8 W/m2K4-斯特藩常数斯特藩常数第十四章第十四章 光的量子性光的量子性维恩位移定律维恩位移定律 b=2.897756 10-3 m K3.经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难F19世纪末，物理学最引人注目的课题世纪末，物理学最引人注目的课题之一：之一：从理论上导出与实验相符的黑从理论上导出与实验相符的黑体单色辐出度表达式体单色辐出度表达式第十四章第十四章 光的量子性光的量子性c1,c2:实验确定的经验参数实验确定的经验参数F维恩的半经验公式维恩的半经验公式-假设黑体辐射能假设黑体辐射能谱分布类似于麦克斯韦速率分布，推出谱分布类似于麦克斯韦速率分布，推出-仅在短波段与仅在短波段与实验曲线相符实验曲线相符维恩线维恩线F1911年维恩获诺贝尔物理学奖年维恩获诺贝尔物理学奖第十四章第十四章 光的量子性光的量子性F瑞瑞利利-金金斯斯公公式式-根根据据经经典典的的能能量量均均分原理导出分原理导出只适用于长波段只适用于长波段-“紫外灾难紫外灾难”瑞利瑞利-金斯线金斯线维恩线维恩线l经典物理学的推导均与实验不符经典物理学的推导均与实验不符第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 F腔壁中带电谐振子的能量以及它们吸腔壁中带电谐振子的能量以及它们吸收或辐射的能量都是量子化的收或辐射的能量都是量子化的;频率为频率为 的振子能量只能取的振子能量只能取h 的整数倍的整数倍Fh 称为能量子称为能量子-普朗克常数普朗克常数二、普朗克量子论二、普朗克量子论 普朗克能量子假设普朗克能量子假设第十四章第十四章 光的量子性光的量子性-普朗克公式普朗克公式F由能量子假设，普朗克从理论上导出由能量子假设，普朗克从理论上导出公式公式第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 讨论：讨论：F普朗克普朗克1918年获年获诺贝尔物诺贝尔物理学奖理学奖(1)对普朗克公式由对普朗克公式由0 积分即得积分即得斯特斯特藩藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律(2)对对普朗克公式求极值，即得维恩位移普朗克公式求极值，即得维恩位移定律定律第十四章第十四章 光的量子性光的量子性例例1天文学上常用天文学上常用斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定玻耳兹曼定律确定恒星半径。已知某恒星到达地球律确定恒星半径。已知某恒星到达地球时单位面积上的辐射功率为时单位面积上的辐射功率为 1.2 10-8 W/m2，恒星离地球距离为恒星离地球距离为 4.3 1017 m，表面温度为表面温度为5200K。如恒星辐射与黑如恒星辐射与黑体相似，求恒星半径体相似，求恒星半径解：解：设恒星半径为设恒星半径为 R，表面温度为表面温度为T，距地球表面距地球表面R第十四章第十四章 光的量子性光的量子性所以恒星辐射的总功率所以恒星辐射的总功率不考虑吸收有不考虑吸收有第十四章第十四章 光的量子性光的量子性例例2弹性系数弹性系数k=15N/m的弹簧，一端悬的弹簧，一端悬挂上质量为挂上质量为1kg的小球，其振幅为的小球，其振幅为0.01m，求求(1)按按普朗克能量量子化假设，与弹普朗克能量量子化假设，与弹簧相联系的量子数簧相联系的量子数n为多大？为多大？(2)如量子如量子数数n改变一个单位，求能量的改变值与总改变一个单位，求能量的改变值与总能量的比值能量的比值解：解：(1)弹簧、小球系统具有能量弹簧、小球系统具有能量第十四章第十四章 光的量子性光的量子性由由普朗克假设普朗克假设而而(2)当当n变化一个单位时变化一个单位时F实验仪器无法分辨，看到的将是一片实验仪器无法分辨，看到的将是一片连续区域连续区域-不显量子效应不显量子效应第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 F光光电电效效应应：金金属属在在光光的的照照射下发射电子的现象射下发射电子的现象14-2 爱因斯坦的光子学说爱因斯坦的光子学说一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律第十四章第十四章 光的量子性光的量子性光强较强光强较强光强较强光强较强光强较弱光强较弱光强较弱光强较弱饱和饱和饱和饱和电流电流电流电流(1)饱和电流与入射光强成正比饱和电流与入射光强成正比实验规律实验规律-单位时间内，阴极溢出的单位时间内，阴极溢出的光电子数与入射光强成正比光电子数与入射光强成正比第十四章第十四章 光的量子性光的量子性(2)加反向电压至加反向电压至Ua时光电流为零时光电流为零-光电子溢出光电子溢出时有最大初动时有最大初动能能能量关系满足能量关系满足光强较强光强较强光强较强光强较强光强较弱光强较弱光强较弱光强较弱饱和饱和饱和饱和电流电流电流电流截止截止截止截止电压电压电压电压第十四章第十四章 光的量子性光的量子性(3)截止电压和入射光频率成线性关系截止电压和入射光频率成线性关系:与金属有关的恒量与金属有关的恒量:与金属无关的普适恒量与金属无关的普适恒量-最大动能与入射光频率成线性关系，最大动能与入射光频率成线性关系，而与入射光强无关而与入射光强无关第十四章第十四章 光的量子性光的量子性(4)光电子是即时发射的，无论光强如何，光电子是即时发射的，无论光强如何，弛豫时间不超过弛豫时间不超过10-9s-存在截止频率存在截止频率(红红限限)-红限红限第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 二、光波动理论的缺陷二、光波动理论的缺陷波动说认为：波动说认为：(1)金金属属中中电电子子吸吸收收光光能能逸逸出出,其其初初动动能能由由光光振振动动振振幅幅,即即由由光光强决定强决定实验结果实验结果初动能与入射初动能与入射光频率相关，光频率相关，而与入射光强而与入射光强无关无关(2)光强能量足够，光电光强能量足够，光电效应对各种频率的光效应对各种频率的光都会发生都会发生存在截止频率存在截止频率(红限红限)第十四章第十四章 光的量子性光的量子性(3)电子吸收光波能量只电子吸收光波能量只有到一定量值时，才有到一定量值时，才会从金属中逸出会从金属中逸出光电子是即时发光电子是即时发射的射的三、爱因斯坦光子学说三、爱因斯坦光子学说F1905年爱因斯坦提出年爱因斯坦提出光子假说光子假说：l一束光就是一束以光速运动的粒子流，一束光就是一束以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子。频率为这些粒子称为光子。频率为 的光的每的光的每一光子具有能量一光子具有能量h 第十四章第十四章 光的量子性光的量子性1.光电效应方程光电效应方程F一个电子吸收一个光子，由能量守恒一个电子吸收一个光子，由能量守恒光子能量光子能量光子能量光子能量逸出功逸出功-光光电电效效应应方方程程对比可得对比可得红限红限第十四章第十四章 光的量子性光的量子性2.光电效应的解释光电效应的解释(1)光强大光强大光子数光子数多多单位时间内单位时间内释放的光电子数释放的光电子数多多光电流大光电流大(2)光电子动能与光频率成线性关系光电子动能与光频率成线性关系(3)频率满足频率满足 才产生光电效应才产生光电效应(4)光子能量一次地被一个电子吸收，不光子能量一次地被一个电子吸收，不需要积累能量的时间需要积累能量的时间F结论：光是粒子流结论：光是粒子流第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 F爱因斯坦爱因斯坦1921年获年获诺贝诺贝尔物理学奖尔物理学奖第十四章第十四章 光的量子性光的量子性例例3波波长长为为2500A、强强度度为为2W/m2的的紫紫外外光光照照射射钾钾,钾钾的的逸逸出出功功为为2.21eV，求求(1)所所发发射射的的电电子子的的最最大大动动能能；(2)每每秒秒从钾表面单位面积所发射的最大电子数从钾表面单位面积所发射的最大电子数解：解：(1)应用爱因斯坦方程应用爱因斯坦方程第十四章第十四章 光的量子性光的量子性(2)每个光子的能量每个光子的能量因每个光子最多只能释放一个电子因每个光子最多只能释放一个电子故每秒从钾表面单位面积所发射的最大故每秒从钾表面单位面积所发射的最大电子数电子数第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 一、一、康普顿实验康普顿实验14-3 康普顿效应康普顿效应F1923年美国物理学家康普顿研究年美国物理学家康普顿研究x射线射线通过物质时的散射现象发现：通过物质时的散射现象发现：散射线中散射线中除了有与入射波长除了有与入射波长 0 0相同的射线外，还相同的射线外，还有有 0 0的射线的射线F康普顿康普顿1927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖-康普顿效应康普顿效应第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 探测器探测器石墨石墨光阑光阑入入入入射射射射光光光光散射光散射光x 射射线管线管实验装置实验装置康普顿康普顿效应效应第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 实验结果实验结果：(1)=-0 0随散射角随散射角 增增大而增大大而增大,与与 0 0及散射及散射物质无关物质无关(2)增大，原波长谱线增大，原波长谱线强度下降，新波长谱线强强度下降，新波长谱线强度增大度增大第十四章第十四章 光的量子性光的量子性(3)对轻元素对轻元素，新波长，新波长的谱线强度较强；对的谱线强度较强；对重元素，新波长的谱重元素，新波长的谱线强度较弱线强度较弱第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 经典波动理论：经典波动理论：光作用光作用带电粒子作同频受迫振动带电粒子作同频受迫振动辐射同频光波辐射同频光波(散射光散射光)波长不变波长不变(1)光子与自由或束缚较弱电子的碰撞光子与自由或束缚较弱电子的碰撞光子理论：光子理论：光子的一部分能量传给电子，则散射光子的一部分能量传给电子，则散射光子能量小于入射光子光子能量小于入射光子二、光子理论的解释二、光子理论的解释或或即即第十四章第十四章 光的量子性光的量子性(2)与束缚很紧的电子与束缚很紧的电子碰撞碰撞(3)轻原子轻原子中电子束缚较弱，中电子束缚较弱，重原子重原子中电中电子束缚较紧，所以原子量小的物质，子束缚较紧，所以原子量小的物质，康普顿效应较强，反之则相反康普顿效应较强，反之则相反光子与整个原子作弹性碰撞，而原子质光子与整个原子作弹性碰撞，而原子质量比光子大的多，所以光子不会显著失量比光子大的多，所以光子不会显著失去能量，即有去能量，即有=0或或=0 0第十四章第十四章 光的量子性光的量子性三、三、理论推导理论推导F光子与静止自由电子光子与静止自由电子碰撞：碰撞：前前光子：光子：能量能量动量动量电子：电子：后后光子：光子：电子：电子：第十四章第十四章 光的量子性光的量子性动量守恒动量守恒x方向方向y方向方向消去消去(1)能量守恒能量守恒第十四章第十四章 光的量子性光的量子性平方平方(2)(2)-(1)第十四章第十四章 光的量子性光的量子性两边同除以两边同除以或或-电子的电子的康普顿波康普顿波长长其中其中-仅与仅与 相相关关第十四章第十四章 光的量子性光的量子性例例4单色单色 x 射线被电子散射而改变波长。射线被电子散射而改变波长。问问(1)波长的改变量与原波长有没有关系波长的改变量与原波长有没有关系？(2)光子能量的改变值与光子原来能量光子能量的改变值与光子原来能量有没有关系？有没有关系？解：解：(1)-与原波长无关与原波长无关F康普顿散射的一个重要特点康普顿散射的一个重要特点第十四章第十四章 光的量子性光的量子性(2)光子能量改变量光子能量改变量(光子损失的能量光子损失的能量)第十四章第十四章 光的量子性光的量子性由由有有-入射光子能量入射光子能量(h 0)越高，越高，散射损失的能量越高散射损失的能量越高F(h)也是电子获得的反冲动能也是电子获得的反冲动能第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 一、一、氢原子光谱规律氢原子光谱规律14-4 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论65636563A A48614861A A43414341A A41024102A A3646A第十四章第十四章 光的量子性光的量子性F1885年瑞士的巴耳末用经验公式表示年瑞士的巴耳末用经验公式表示出前四条可见光谱：出前四条可见光谱：用波数用波数(波长的倒数波长的倒数)表示：表示：-巴耳末公式巴耳末公式第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 F1889年瑞典的里德伯提出普遍方程年瑞典的里德伯提出普遍方程R=1.096776 107m-1-里德伯公里德伯公式式-里德伯常量里德伯常量的整数的整数F不同的不同的k对应对应不同的谱系不同的谱系；当；当k一定时，一定时，每一每一n值值对应于对应于一条谱线一条谱线第十四章第十四章 光的量子性光的量子性(1)k=1,n=2,3,莱曼系莱曼系,紫外区紫外区(2)k=2,n=3,4,巴尔末系巴尔末系(3)k=3,n=4,5,帕邢系帕邢系,红外区红外区(4)k=4,n=5,6,布拉开系布拉开系,红外区红外区(5)k=5,n=6,7,普芳德系普芳德系，红外区红外区(6)k=6,n=7,8,哈菲莱系哈菲莱系,红外区红外区第十四章第十四章 光的量子性光的量子性二、二、玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论F1897年年英国物理学家英国物理学家汤姆逊通过阴极汤姆逊通过阴极射线实验发现了电子射线实验发现了电子F1904年年汤汤姆姆逊逊提提出出原原子子的的“嵌嵌梅梅布布丁丁”模模型型：每每个个电电子子分分布布在在正正电电荷荷组组成成的的球球中中，并并绕绕平平衡衡位置震荡位置震荡第十四章第十四章 光的量子性光的量子性F1911年卢瑟福提出原子年卢瑟福提出原子核模型：核模型：原子是由带正原子是由带正电的原子核和核外作轨电的原子核和核外作轨道运动的电子组成道运动的电子组成F1907年年卢瑟福等人通卢瑟福等人通过过 粒子对原子核的散粒子对原子核的散射实验否定了射实验否定了汤姆逊汤姆逊模型模型第十四章第十四章 光的量子性光的量子性1.1.经典物理的困难经典物理的困难(1)原子的稳定性：原子的稳定性：电子绕核转动具有加电子绕核转动具有加速度速度发射电磁波发射电磁波能量减少能量减少作螺旋作螺旋运动运动落入原子核落入原子核不稳定不稳定(2)原子光谱的分立性：原子光谱的分立性：发射电磁波的频发射电磁波的频率等于电子绕核转动的频率率等于电子绕核转动的频率电子作电子作螺旋运动的频率连续变化螺旋运动的频率连续变化光谱为连光谱为连续光谱续光谱第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 2.玻尔理论的基本假设玻尔理论的基本假设F1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核模型基础上，结合普朗克量子假设和原模型基础上，结合普朗克量子假设和原子光谱的分立性，提出假设：子光谱的分立性，提出假设：(1)定态假设：定态假设：原子系统只能处在一系列原子系统只能处在一系列具有不连续能量的稳定状态具有不连续能量的稳定状态(定态定态)。定态时核外电子在一定的轨道上作圆定态时核外电子在一定的轨道上作圆周运动，但不发射电磁波周运动，但不发射电磁波第十四章第十四章 光的量子性光的量子性(2)频率条件频率条件:当原子从一个能量为当原子从一个能量为En的的定态跃迁到另一个能量为定态跃迁到另一个能量为Ek的定态时，的定态时，就要发射或吸收一个频率为就要发射或吸收一个频率为 kn的光子的光子EnEk-发射光子发射光子En0，并可连续变化并可连续变化第十四章第十四章 光的量子性光的量子性电子轨道电子轨道能级能级基态基态激激发发态态第十四章第十四章 光的量子性光的量子性-13.6-3.39-1.510En/eV-0.85第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 4.里德伯公式的推导里德伯公式的推导F从从高高能能级级En跃跃迁迁到到低低能能级级Ek时，氢原子的发光频率时，氢原子的发光频率波数为波数为第十四章第十四章 光的量子性光的量子性 其中其中-与实验结果符合得很与实验结果符合得很好好5.玻尔理论的缺陷玻尔理论的缺陷(1)以经典理论为基础，其定态时不发出以经典理论为基础，其定态时不发出辐射的假设又与经典理论相抵触辐射的假设又与经典理论相抵触(2)量子化条件没有适当的理论解释量子化条件没有适当的理论解释