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物理量子物理基础1第1页，本讲稿共31页早期量子论早期量子论量子力学量子力学相对论量子力学相对论量子力学普朗克能量量子化假说普朗克能量量子化假说爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说康普顿效应康普顿效应玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论德布罗意实物粒子波粒二象性德布罗意实物粒子波粒二象性薛定谔方程薛定谔方程波恩的物质波统计解释波恩的物质波统计解释海森伯的测不准关系海森伯的测不准关系狄拉克把量子力学与狭义狄拉克把量子力学与狭义相对论相结合相对论相结合2第2页，本讲稿共31页红红外外灾灾难难黑体，易于吸收热辐射，黑体，易于吸收热辐射，紫紫外外灾灾难难维恩维恩瑞利瑞利-金斯金斯黑体辐射黑体辐射16.1黑体辐射黑体辐射普朗克得到了普朗克得到了黑体辐射公式黑体辐射公式：它也必定易于向外发射热辐射。它也必定易于向外发射热辐射。3第3页，本讲稿共31页1.普朗克的量子假设普朗克的量子假设1900年年12月月14日，日，在德国物理学会上演讲在德国物理学会上演讲 这一天定为量子力学的诞生日。这一天定为量子力学的诞生日。能量不连续，能量不连续，只能是只能是 h 的的整数倍。整数倍。1900年，普朗克提出能量子年，普朗克提出能量子h h=6.63 10-34 J.s 普朗克常数普朗克常数能量如商店里卖能量如商店里卖啤酒，只能一瓶啤酒，只能一瓶一瓶卖出。一瓶卖出。4第4页，本讲稿共31页他对自己的理论忐忑不安，他对自己的理论忐忑不安，“经典理经典理论给了我们这样多有用的东西，因此，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，否则不要改变现除非绝对必要，否则不要改变现有的理论。有的理论。”1910年，他提出发射能年，他提出发射能量不连续，吸收连续，量不连续，吸收连续，啤酒卖出去后啤酒卖出去后就成了流体就成了流体。1914年，发射也连续只年，发射也连续只有相互碰撞时才不连续。有相互碰撞时才不连续。量量子子论论普朗克把物理带到量子论大门口，却没进去。普朗克把物理带到量子论大门口，却没进去。爱因斯坦爱因斯坦、玻尔玻尔勇敢地闯了进去！勇敢地闯了进去！5第5页，本讲稿共31页1887年年赫兹赫兹发现发现紫外光紫外光带电粒子带电粒子金属金属一、光电效应一、光电效应光电子光电子实验现象：实验现象：无光照时回路无电流无光照时回路无电流有光照射有光照射(有条件有条件)回路产生电流。回路产生电流。当光照射在金属表面时，当光照射在金属表面时，金属表面有电子逸出金属表面有电子逸出的现的现象称为象称为光电效应。光电效应。16.2 16.2 光的量子性光的量子性6第6页，本讲稿共31页1.光电效应的实验规律光电效应的实验规律 饱饱和和光光电电流流I1I2I2I1照照射射光光强强饱和光电流饱和光电流 正比于光强正比于光强 K：阴极：阴极 A：阳极：阳极7第7页，本讲稿共31页光电流的实质光电流的实质:就是从阴极就是从阴极K流向阳极流向阳极A的电子流。的电子流。光电流大：光电流大：光电流达到饱和：光电流达到饱和：设设N为单位时间从为单位时间从K极飞出的光电子数极飞出的光电子数,e为电子的电量为电子的电量单位时间内单位时间内,从受光照射的电极上释放出来的光电子数从受光照射的电极上释放出来的光电子数目目N与入射光的强度与入射光的强度I成正比。成正比。(1)光电子数和光强度的关系光电子数和光强度的关系表示单位时间内从表示单位时间内从K到到A的光电子数多。的光电子数多。表示从表示从K飞出的光电子全部流入飞出的光电子全部流入A。8第8页，本讲稿共31页(2)光电子的初动能与光频率之间的关系光电子的初动能与光频率之间的关系当当U=0时时,说明说明:光电子具有初动能。光电子具有初动能。当反向电压为当反向电压为Ua时时,说明说明:具有最大初动能的光电具有最大初动能的光电子也刚好不能达到子也刚好不能达到A。使光电流使光电流=0的反向电压的绝对的反向电压的绝对值值|Ua|称为称为遏止电压。遏止电压。I1I2I2I1|Ua|与与光强光强IUa与频率与频率实验表明实验表明UaUa无关无关有关有关9第9页，本讲稿共31页与金属种类与金属种类无关无关的常量的常量与金属种类与金属种类有关有关的常量的常量光电子的最大初动能与光的频率呈线性关系光电子的最大初动能与光的频率呈线性关系,与光强度无关。与光强度无关。10第10页，本讲稿共31页(3)光电效应有一定的截止频率光电效应有一定的截止频率要使受光照射的金属逸出电子要使受光照射的金属逸出电子,入射光的频率必须满足入射光的频率必须满足光电效应的光电效应的红限频率红限频率(或或红限红限)当光照射某一金属时，无论光强如何，照射时间多长，只要当光照射某一金属时，无论光强如何，照射时间多长，只要入射光的频率入射光的频率小于这一物质的红限小于这一物质的红限0(0)，从光开始，从光开始照射直到金属释放出光电子照射直到金属释放出光电子,其中的时间间隔小于其中的时间间隔小于10-9秒，几乎是瞬时的，与入射光的强度无关。秒，几乎是瞬时的，与入射光的强度无关。2.光电效应与经典理论的矛盾光电效应与经典理论的矛盾应该与光强有关，而不是频率。应该与光强有关，而不是频率。（2）只要光强足够，就应产生光电效应，不应存在红限只要光强足够，就应产生光电效应，不应存在红限。（3）产生光电效应需要时间积累能量，尤其光强较弱时产生光电效应需要时间积累能量，尤其光强较弱时。12第12页，本讲稿共31页1.爱因斯坦光子假设内容爱因斯坦光子假设内容(1905)h=6.63 10-34 Js 普朗克常数普朗克常数3）.光的能流密度光的能流密度I(光强光强):-单位时间内通过单位面积的光能。单位时间内通过单位面积的光能。单位时间内单位时间内通过单位面通过单位面积的光子数。积的光子数。1）.光不仅在发射或吸收时，具有粒子性，而且光在空间传光不仅在发射或吸收时，具有粒子性，而且光在空间传播时，也具有粒子性，即一束光是一粒一粒以光速播时，也具有粒子性，即一束光是一粒一粒以光速C运动的粒运动的粒子流。子流。2）.这些光粒子称为光量子，也称为光子，每一光子的这些光粒子称为光量子，也称为光子，每一光子的能量也是能量也是=h。二二.爱因斯坦光子假设爱因斯坦光子假设13第13页，本讲稿共31页2.光电效应方程光电效应方程A是与金属种类有是与金属种类有关的常量。关的常量。逸出功逸出功A：电子从金属表面逸出时电子从金属表面逸出时克服阻力需做的功克服阻力需做的功逸逸出出功功A14第14页，本讲稿共31页3.光子假设对光电效应实验规律的解释光子假设对光电效应实验规律的解释(1)解释解释(2)解释解释 与与 成线性关系成线性关系 (3)解释红限频率的存在解释红限频率的存在(4)解释光电效应的瞬时性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碰撞时当一个光子与金属中的一个自由电子碰撞时,电子一次全部吸收掉光电子一次全部吸收掉光子的能量，子的能量，不需要能量的积累时间。不需要能量的积累时间。电子能量小于表面逸出电子能量小于表面逸出功功15第15页，本讲稿共31页4.光子的能量、质量和动量光子的能量、质量和动量(1)光子的能量光子的能量(2)光子的质量光子的质量光子的光子的静止质量静止质量(3)光子的动量光子的动量 由于在理论物理方面的贡献，特别是由于在理论物理方面的贡献，特别是对对光电效应光电效应的成功解释，的成功解释，1921年，年，爱爱因斯坦因斯坦获得获得诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖！光具有波粒二象性光具有波粒二象性16第16页，本讲稿共31页 康普顿康普顿1927年，诺贝尔年，诺贝尔 物理奖获得者物理奖获得者1923年，美国物理学家康普顿发现，年，美国物理学家康普顿发现，X射射线通过石墨等轻物质散射时，在散射线线通过石墨等轻物质散射时，在散射线中有两种波长：中有两种波长：一种是与入射光波长相一种是与入射光波长相同的散射线，同的散射线，另一种是波长大于入射光另一种是波长大于入射光波长的散射线波长的散射线，这种，这种改变波长的散射改变波长的散射称称为康普顿效应。为康普顿效应。17第17页，本讲稿共31页1.实验现象实验现象石石墨墨X射线射线 0 0晶体（作光栅）晶体（作光栅）探探测测器器光谱仪光谱仪波长波长强度强度(1)散射线中有两种波长散射线中有两种波长（0）康普顿散射光康普顿散射光 0：正常光正常光(2)仅随散射角仅随散射角 的增大而增大。的增大而增大。与被散射物无关与被散射物无关(3)同一散射角，不同的散射物，康普顿散同一散射角，不同的散射物，康普顿散射光光强占总光强的比例不同。射光光强占总光强的比例不同。轻原子轻原子 比例大比例大重原子重原子 比例小比例小18第18页，本讲稿共31页 内层电子与核结合紧密而成为一体内层电子与核结合紧密而成为一体光子与之碰光子与之碰撞撞反弹（不损失能量）反弹（不损失能量）不变不变正常光正常光.(1)解解释释 当入射光子与最外层自由电子碰撞时当入射光子与最外层自由电子碰撞时,光子把一部分光子把一部分能量传给了电子能量传给了电子,光子本身能量光子本身能量 -康普顿散射光康普顿散射光 (2)解解释释2.康普顿效应与经典理论的矛盾康普顿效应与经典理论的矛盾3.光子理论的解释光子理论的解释康普顿康普顿散射作用是光子与散射物质中电子之间的完全弹性碰撞散射作用是光子与散射物质中电子之间的完全弹性碰撞,动量和能量都守恒动量和能量都守恒.电磁波（电磁波（0 0）照射辐射电磁波辐射电磁波四周辐射-散射 散射物（电子受迫振荡）散射物（电子受迫振荡）波长、频率只能是波长、频率只能是 0 0（3）轻的原子）轻的原子 电子一般束缚得较电子一般束缚得较弱弱，康普顿效应较强，康普顿效应较强，散射光中散射光中康普顿康普顿成分多成分多、正常、正常成分少成分少.重的原子重的原子 电子一般束缚得较强电子一般束缚得较强，康普顿效应较弱，康普顿效应较弱，散射光中散射光中康普顿康普顿成分少成分少、正常、正常成分多成分多.19第19页，本讲稿共31页 XY能量守恒，能量守恒，4.康普顿效应公式康普顿效应公式得：得：电子康普顿波长电子康普顿波长则：则：X、Y方向动量守恒：方向动量守恒：康普顿效应公式康普顿效应公式20第20页，本讲稿共31页四、康普顿效应与光电效应的关系四、康普顿效应与光电效应的关系（1）康普顿效应与光电效应在物理本质上是相同的）康普顿效应与光电效应在物理本质上是相同的研究的都是个别光子与个别电子之间的相互作研究的都是个别光子与个别电子之间的相互作用，作用过程中都遵循能量守恒定律。用，作用过程中都遵循能量守恒定律。光电效应：入射光波长长，为光电效应：入射光波长长，为1000数量级。数量级。康普顿效应：入射光波长短，为康普顿效应：入射光波长短，为1数量级。数量级。（2）康普顿效应与光电效应的入射光的波长不同）康普顿效应与光电效应的入射光的波长不同（3）光子与电子相互作用的微观机制不同）光子与电子相互作用的微观机制不同光电效应：电子吸收了光子全部能量，能量守恒。光电效应：电子吸收了光子全部能量，能量守恒。康普顿效应：光子与电子弹性碰撞，能量动量均守恒。康普顿效应：光子与电子弹性碰撞，能量动量均守恒。21第21页，本讲稿共31页光的波粒二象性光的波粒二象性表示粒子特表示粒子特性的物理量性的物理量波长、频率是表示波长、频率是表示波动性的物理量波动性的物理量光子是一种基本粒子，在真空中以光速运动光子是一种基本粒子，在真空中以光速运动高频（短波）区，粒子性明显高频（短波）区，粒子性明显低频（长波）区，波动性明显低频（长波）区，波动性明显可见光，波粒二象性均明显可见光，波粒二象性均明显22第22页，本讲稿共31页例例1.一实验用光电管的阴极是铜的一实验用光电管的阴极是铜的(铜的逸出功为铜的逸出功为4.47ev).现以现以波长波长2m的光照射此阴极，若要使其不再产生光电流，所需加的光照射此阴极，若要使其不再产生光电流，所需加的截止电压为多大的截止电压为多大?解：解：由爱因斯坦方程由爱因斯坦方程设需加的截止电压为设需加的截止电压为U0，则有，则有得：得：23第23页，本讲稿共31页求：散射光波长求：散射光波长已知：已知：X射线散射射线散射反冲电子反冲电子解：（解：（1）由康普顿散射公式）由康普顿散射公式在在 的方向上，有两种波长的的方向上，有两种波长的X射线射线例例2：24第24页，本讲稿共31页（3）反冲电子的动量）反冲电子的动量（2）反冲电子的动能）反冲电子的动能由碰撞过程能量守恒由碰撞过程能量守恒动量守恒动量守恒25第25页，本讲稿共31页一、一、光电效应的实验规律光电效应的实验规律 1.单位时间内单位时间内,从受光照射的电极上释放出来的光从受光照射的电极上释放出来的光电子数目电子数目N与入射光的强度与入射光的强度I成正比。成正比。2.光电子的最大初动能随入射光电子的最大初动能随入射光的频率光的频率呈线性地增加呈线性地增加,与入射与入射光强度无关。光强度无关。小小 结结3.光电效应有一定的截止频率。光电效应有一定的截止频率。4.光电效应与时间的关系：光电效应与时间的关系：从光照射到释放出光从光照射到释放出光电子电子,时间间隔小于时间间隔小于10-9秒，几乎是瞬时的秒，几乎是瞬时的,与入射与入射光的强度无关。光的强度无关。26第26页，本讲稿共31页1.光子假设光子假设(1)一束光是一粒一粒以光速一束光是一粒一粒以光速C运动的光子组成的运动的光子组成的(2)频率为频率为的光的一个光子的能量为的光的一个光子的能量为2.光电效应方程光电效应方程(1)能量能量(2)质量质量静质量静质量(3)动量动量3.二、爱因斯坦光子理论二、爱因斯坦光子理论27第27页，本讲稿共31页1.实验现象实验现象散射线中有两种波长散射线中有两种波长（0）康普顿散射光康普顿散射光 0：正常光正常光三、康普顿效应三、康普顿效应2.康普顿效应公式康普顿效应公式28第28页，本讲稿共31页四、康普顿效应与光电效应的关系四、康普顿效应与光电效应的关系（1）康普顿效应与光电效应在物理本质上是相同的）康普顿效应与光电效应在物理本质上是相同的研究的都是个别光子与个别电子之间的相互研究的都是个别光子与个别电子之间的相互作用，作用过程中都遵循能量守恒定律。作用，作用过程中都遵循能量守恒定律。光电效应：入射光波长长，为光电效应：入射光波长长，为1000数量级数量级康普顿效应：入射光波长短，为康普顿效应：入射光波长短，为1数量级数量级（2）康普顿效应与光电效应的入射光的波长不同）康普顿效应与光电效应的入射光的波长不同（3）光子与电子相互作用的微观机制不同）光子与电子相互作用的微观机制不同光电效应：电子吸收了光子全部能量，能量守恒。光电效应：电子吸收了光子全部能量，能量守恒。康普顿效应：光子与电子弹性碰撞，能量动量均守恒。康普顿效应：光子与电子弹性碰撞，能量动量均守恒。29第29页，本讲稿共31页电磁铁电磁铁五、光电效应在近代技术中的应用五、光电效应在近代技术中的应用1.1.光控继电器光控继电器放大器放大器控制机构控制机构可以用于自动控制，自动计数、可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。自动报警、自动跟踪等。2.2.光电倍增管光电倍增管可对微弱光线放大，可使光电流放大可对微弱光线放大，可使光电流放大105108 倍，灵敏度高，用在工程、天文、倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。科研、军事等方面。30第30页，本讲稿共31页五、黑体辐射的应用五、黑体辐射的应用 在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。光学高温计光学高温计-光测高温光测高温高温炉高温炉灯丝灯丝目镜目镜聚焦透镜聚焦透镜调节调节R当灯丝温度当灯丝温度炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出亮线。炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出亮线。当灯丝温度当灯丝温度炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出暗线。炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出暗线。当灯丝温度当灯丝温度=炉温时，灯丝在炉孔像的背景上消失。炉温时，灯丝在炉孔像的背景上消失。由通过灯丝电流强度可算出炉温由通过灯丝电流强度可算出炉温T。R31第31页，本讲稿共31页