第16章早期量子论5学时优秀PPT.ppt
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1、第16章早期量子论5学时1现在学习的是第1页,共52页 本章内容提要:本章内容提要:光电效应及爱因斯坦的光子理论光电效应及爱因斯坦的光子理论 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论 康普顿效应康普顿效应 激光和激光器原理激光和激光器原理2现在学习的是第2页,共52页*16.1 量子论的提出量子论的提出一一.黑体辐射黑体辐射“紫外灾难紫外灾难”二二.普朗克能量子假说普朗克能量子假说(1918年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖)辐射或吸收是以能量为辐射或吸收是以能量为h 的颗粒形式进行的。的颗粒形式进行的。能量为能量为h 的颗粒的颗粒能能量子量子实验实验T=1646k维恩维恩瑞利瑞利-琼斯琼斯普朗克理论值普朗克理
2、论值3现在学习的是第3页,共52页1.当入射光频率一定时当入射光频率一定时,饱和电流饱和电流Is和光强成正比。和光强成正比。-IAV电源电源KA一一.光电效应的实验定律光电效应的实验定律16.2 爱因斯坦的光子理论爱因斯坦的光子理论-UaUIo光强较大光强较大光强较小光强较小Is(入射光频率一定入射光频率一定)4现在学习的是第4页,共52页 Ua截止电压截止电压(又称又称遏止电压遏止电压)。-IAV电源电源KA-UaUIo光强较大光强较大光强较小光强较小Is(入射光频率一定入射光频率一定)5现在学习的是第5页,共52页4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Ua(V)CsN
3、aCa 实验实验:Ua=K -Uo(与入射光强无关与入射光强无关)-IAV电源电源KAe(K -Uo)2.光光电电子子的的初初动动能能随随入入射射光光的的频频率率线线性性增增加加,与与入射光的强度无关。入射光的强度无关。6现在学习的是第6页,共52页3.存在红限存在红限-IAV电源电源KA 对对一一给给定定的的金金属属,当当入入射射光光的的频频率率小小于于某某一一频频率率 o(红红限限频率频率)时时,就没有光电子逸出就没有光电子逸出(即没有光电流即没有光电流)。不不同同物物质质具具有有不不同同的的红红限频率。限频率。4.立立即即发发射射,驰驰豫豫时时间间不不超过超过10-9s。波动说的困难波动
4、说的困难 受迫振动受迫振动07现在学习的是第7页,共52页二二.爱因斯坦光子说爱因斯坦光子说(1921年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖)逸出功:逸出功:光光不不仅仅在在吸吸收收和和辐辐射射时时是是以以能能量量为为h 的的颗颗粒粒(光光子子)形式进行的形式进行的,而且以这种颗粒的形式以光速而且以这种颗粒的形式以光速c在空间传播。在空间传播。即即:一束光是一束以光速一束光是一束以光速c运动的粒子运动的粒子(光子光子)流。流。光电效应方程光电效应方程:(普朗克常量(普朗克常量h=6.63 10-34J.s)8现在学习的是第8页,共52页小结小结:光子的特性:光子的特性(1)光子的能量光子的能量 E=h
5、=hc/(2)光子的质量光子的质量 动质量:动质量:静质量:静质量:(光子的速度光子的速度 =c)(3)光子的动量光子的动量c=mo=09现在学习的是第9页,共52页 解解 (1)c=h=6.6310-34 =6.5105(m/s)例题例题16-1 真空中一孤立金属球的红限波长真空中一孤立金属球的红限波长 o=6500,入射光,入射光波长波长 =4000,试求,试求:(1)发射出的光电子的初速度;发射出的光电子的初速度;(2)若若金金属属球球半半径径R=30cm,该该球球能能放放出出多多少少个个光光电电子子?10现在学习的是第10页,共52页 金属球发出光电子后,电势就会升高,升高到金属球发出
6、光电子后,电势就会升高,升高到遏止电压遏止电压Ua时就不再发射光电子了。时就不再发射光电子了。Ua=1.19(V)=2.48 108个个 (2)若金属球半径若金属球半径R=30cm,该球最多能放出,该球最多能放出多少个光电子?多少个光电子?11现在学习的是第11页,共52页例题例题16-2 波长为波长为 的光投射到一金属表面,发射出的光投射到一金属表面,发射出的光电子在匀强磁场的光电子在匀强磁场B中作半径中作半径R的圆运动,求的圆运动,求:(1)入射光子的入射光子的能量、质量和动量;能量、质量和动量;(2)此金属的逸出功及遏止电势差。此金属的逸出功及遏止电势差。解解 (1)E=h p=mc=h
7、/c,=hc/,=h/(2)由由得得12现在学习的是第12页,共52页例题例题16-3 一定频率的单色光照射到某金属表面一定频率的单色光照射到某金属表面,测测出光电流曲线如实线所示;然后光强度不变、增大出光电流曲线如实线所示;然后光强度不变、增大照射光的频率,测出光电流曲线如虚线所示。满足照射光的频率,测出光电流曲线如虚线所示。满足题意的图是题意的图是(D)UIo(B)UIo(C)UIo(D)UIo(A)13现在学习的是第13页,共52页例题例题16-4 光的能流密度光的能流密度S=30(W/m2),(1)求单位时间内求单位时间内投射到物体表面单位面积上的总动量投射到物体表面单位面积上的总动量
8、;(2)若物体表面的反射率为若物体表面的反射率为1,求物体表面受的光压。求物体表面受的光压。解解 单位时间内投射到物体表面单位面积上的光子数为单位时间内投射到物体表面单位面积上的光子数为 于是单位时间内投射该物体表面单位面积上的总动量为于是单位时间内投射该物体表面单位面积上的总动量为=1.010-7(kg.m.s-1)=2.010-7(pa)由动量定理由动量定理:F t=p=2 p,于是于是光压为光压为14现在学习的是第14页,共52页例题例题16-5 图为光电效应实验曲线。图为光电效应实验曲线。(1)求证对不同材求证对不同材料的金属,料的金属,AB段的斜率相同;段的斜率相同;(2)由图上数据
9、求出普由图上数据求出普朗克恒量朗克恒量h。解解 (1)AB10.05.0 (1014Hz)2.0Ua(V)0 可见,可见,AB段的斜率与材料种类无段的斜率与材料种类无关。关。=6.410-34J.s求导求导15现在学习的是第15页,共52页16.3 玻尔氢原子理玻尔氢原子理 不不同同原原子子的的辐辐射射光光谱谱完完全全不不同同,因因此此研研究究原原子子光光谱谱的的规规律是探索原子内部结构的重要方法。律是探索原子内部结构的重要方法。一一.氢原子光谱的实验规律氢原子光谱的实验规律 1.氢氢原原子子光光谱谱是是由由一一些些分分立立的的细细亮亮线线组组成成,即即是是分分立立的的线光谱线光谱。65634
10、863 4340 410116现在学习的是第16页,共52页2.谱线的波数谱线的波数(波长波长)由下式确定:由下式确定:k=1,n=2,3,赖曼系赖曼系(紫外区紫外区);k=2,n=3,4,巴耳末系巴耳末系(可见光区可见光区);k=3,n=4,5,帕邢系帕邢系(红外区红外区);(R=1.097107m-1里德伯恒量里德伯恒量)3.里兹并合原理里兹并合原理 任何原子谱线的波数均由下式确定:任何原子谱线的波数均由下式确定:T(k)、T(n),称为光谱项。称为光谱项。17现在学习的是第17页,共52页 1911年,卢瑟福通过年,卢瑟福通过 粒子散射实粒子散射实验证明验证明:原子是由带正电的原子是由带
11、正电的核核和在核外作轨和在核外作轨道运动的道运动的电子电子组成。组成。卢瑟福原子模型的困难卢瑟福原子模型的困难:不能解释原子的稳定性问题不能解释原子的稳定性问题;不不能能解解释释原原子子为为什什么么会会发发出出分分立立线线状光谱。状光谱。二二.卢瑟福原子核型结构及困难卢瑟福原子核型结构及困难18现在学习的是第18页,共52页三三.玻尔氢原子假设玻尔氢原子假设 (1)定态假设定态假设 原原子子系系统统只只能能处处于于一一系系列列不不连连续续的的能能量量状状态态(能能级级E1,E2,);电电子子虽虽然然在在相相应应的的轨轨道道上上绕绕核核作作圆圆周周运运动动,但不辐射能量。原子系统处于但不辐射能量
12、。原子系统处于定态定态。(2)轨道角动量量子化假设轨道角动量量子化假设 电子绕核作圆周运动,其轨道角动量电子绕核作圆周运动,其轨道角动量:量子数量子数n=1,2,(3)量子跃迁假设量子跃迁假设 原子从原子从n跃迁到跃迁到k发出发出(或吸收或吸收)光的频率光的频率:19现在学习的是第19页,共52页四四.玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论得轨道半径:得轨道半径:n=1,2,玻尔半径玻尔半径:=5.2910-11m三条基本假设经典理论三条基本假设经典理论(牛顿定律牛顿定律)r20现在学习的是第20页,共52页氢原子系统的动能:氢原子系统的动能:氢原子系统的势能:氢原子系统的势能:氢原子系统的能量:氢
13、原子系统的能量:n=1,2,即即21现在学习的是第21页,共52页氢原子氢原子系统的系统的能量能量为为n=1,2,.(1)能量是能量是量子化量子化的的负值负值。n=1,基态,基态,E1=-13.6eV,r1=ao;n=2,第第1激发态,激发态,E2=-3.4eV,r2=4ao;n=3,第第2激发态,激发态,E3=-1.51eV,r2=9ao;n=4,第第3激发态,激发态,E4=-0.85eV,r2=16ao;能量为负值能量为负值表示原子中的电子处于表示原子中的电子处于束缚束缚态。态。22现在学习的是第22页,共52页(2)电离能电离能(使基态氢原子中的电子远离核所需作的使基态氢原子中的电子远离
14、核所需作的功功)为为 E电离电离=13.6eV,与实验很好符合。与实验很好符合。(3)当原子从能态当原子从能态En跃迁到跃迁到Ek时,发射光子的频率为时,发射光子的频率为=1.097107m-1(里德伯恒量里德伯恒量)23现在学习的是第23页,共52页-13.6eV-3.4eV-1.51eV-0.85eVn=1,2,.n=1(基态基态)n=2(第第1激发态激发态)n=3(第第2激发态激发态)n=4(第第3激发态激发态)赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系24现在学习的是第24页,共52页五五.玻尔理论的成就与缺陷玻尔理论的成就与缺陷 成功成功:玻尔理论成功地解释了玻尔理论成功地解释了氢氢原
15、子和类氢离子的原子和类氢离子的光谱规律。定态、能级、电子跃迁等概念是普遍成立光谱规律。定态、能级、电子跃迁等概念是普遍成立的。的。不足不足:无法解释氢原子光谱的精细结构:无法解释氢原子光谱的精细结构(如强度、能带、如强度、能带、选择定则选择定则)。更无法解释其它原子的光谱规律。更无法解释其它原子的光谱规律。玻尔理论实玻尔理论实际上是经典理论与量子理论的大杂烩。际上是经典理论与量子理论的大杂烩。但玻尔理论给人们指明了一个方向,只有用完整但玻尔理论给人们指明了一个方向,只有用完整的量子理论才能正确地描述原子世界的规律。的量子理论才能正确地描述原子世界的规律。鉴于玻尔对原子结构和原子辐射的贡献鉴于玻
16、尔对原子结构和原子辐射的贡献,获获1922年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。25现在学习的是第25页,共52页例题例题16-6 可见光能否使基态氢原子受到激发?要使基可见光能否使基态氢原子受到激发?要使基态氢原子发出可见光态氢原子发出可见光,至少应供给多少能量?至少应供给多少能量?解解 激发激发使处于基态的氢原子跃迁到激发态。使处于基态的氢原子跃迁到激发态。可见光光子的能量可见光光子的能量(取取 =4000):=3.1eV (13.6-3.4)eV=10.2 eV 3.1eV可见光不能使基态氢原子受到激发。可见光不能使基态氢原子受到激发。要使基态氢原子发出可见光要使基态氢原子发出可见光,至少应供
17、给的能量为至少应供给的能量为 -13.6-3.4-1.51-0.851234巴耳末系巴耳末系 最低激发能量为最低激发能量为13.6-1.51=12.09 eV26现在学习的是第26页,共52页 解解-13.6-3.4-1.51-0.851234 赖曼系赖曼系:3条;条;巴耳末系:巴耳末系:2条;条;帕邢系:帕邢系:1条。条。例题例题16-7 大量氢原子处于第大量氢原子处于第3激发态,跃迁过激发态,跃迁过程中能发出几条谱线?各属于哪个线系?程中能发出几条谱线?各属于哪个线系?n=427现在学习的是第27页,共52页例题例题16-8 用动能为用动能为12.2eV的电子轰击基态氢原子,求的电子轰击基
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