第1 次 黑体 planck 光电效应.ppt

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1、 经典力学 相对论力学动量 动力学方程 动能 动量能量关系 对于光子对于光子1）静止质量为零：）静止质量为零：2）运动质量）运动质量3）动量）动量这正是光的波（这正是光的波（波长、频率（干涉、衍射、偏振）波长、频率（干涉、衍射、偏振）、）、粒（粒（动量、能量（光电效应等）动量、能量（光电效应等）二象性的体现。）二象性的体现。描述光的描述光的 粒子性粒子性 描述光的描述光的 波动性波动性第十九章第十九章量子物理学量子物理学 物理学是一门物理学是一门实验实验科学，伽利略、牛顿等人对科学，伽利略、牛顿等人对物理实验结果的总结，建立了经典力学。物理实验结果的总结，建立了经典力学。经典物理学经典物理学第

2、十九章第十九章 量子物理学量子物理学 十九世纪末，经典物理学已发展为非常完善的理论十九世纪末，经典物理学已发展为非常完善的理论体系，该理论体系成功地解释热现象、电磁现象和光现体系，该理论体系成功地解释热现象、电磁现象和光现象，并建立相应的学科，热力学和统计物理学、电磁学象，并建立相应的学科，热力学和统计物理学、电磁学光学等学科。光学等学科。经典物理学的困惑经典物理学的困惑十九世纪末十九世纪末、二十世纪初的一些新的物理实验对经二十世纪初的一些新的物理实验对经典物理学产生了强有力的冲击。典物理学产生了强有力的冲击。瑞利和金斯利用经典物理的能均分定理能很好地解释辐瑞利和金斯利用经典物理的能均分定理能

3、很好地解释辐射能分布的长波成分，而在短波区能量产生发散困难，射能分布的长波成分，而在短波区能量产生发散困难，称称紫外灾难紫外灾难（1890）利用经典理论解释利用经典理论解释黑体辐射黑体辐射现象的失败现象的失败。为寻找绝对参考系而设计的为寻找绝对参考系而设计的麦克尔逊麦克尔逊-莫雷实验莫雷实验，观，观 察的结果否定绝对参考系的存在（察的结果否定绝对参考系的存在（1887）。经典物理无法解释这些新的物理现象经典物理无法解释这些新的物理现象近代物理学的建立近代物理学的建立利用经典统计理论解释黑体辐射现象的失败，使人们对利用经典统计理论解释黑体辐射现象的失败，使人们对 物理学的基本概念有了新的认识物理

4、学的基本概念有了新的认识普朗克首先提出普朗克首先提出能量子能量子的假说，并成功地解释黑体辐射的假说，并成功地解释黑体辐射 现象。现象。爱因斯坦的爱因斯坦的光子光子学说，成功地解释光电效应现象建立学说，成功地解释光电效应现象建立光的波粒二象性理论光的波粒二象性理论康普顿散射进一步证实光的粒子性康普顿散射进一步证实光的粒子性麦克尔逊麦克尔逊-莫雷实验的结果莫雷实验的结果 狭义相对论的建立狭义相对论的建立否定绝对参考系的存在否定绝对参考系的存在黑体辐射现象的解释黑体辐射现象的解释量子力学的建立量子力学的建立德布罗意提出德布罗意提出实物粒子实物粒子的波粒二象性假说，并由实验证明德的波粒二象性假说，并由

5、实验证明德布罗意波是几率波布罗意波是几率波在这些理论基础上，经众多物理学家的努力，建立了量子力在这些理论基础上，经众多物理学家的努力，建立了量子力学体系学体系玻尔利用量子化概念建立了玻尔利用量子化概念建立了氢原子氢原子模型，成功地解释氢原模型，成功地解释氢原子光谱子光谱薛定谔提出的薛定谔提出的薛定谔方程薛定谔方程建立了量子力学的波动力学建立了量子力学的波动力学约当、海森堡等人建立了量子力学的矩阵力学约当、海森堡等人建立了量子力学的矩阵力学19-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克首先提出能量子假设普朗克首先提出能量子假设 物质是由一些微小单元组成，最初人们认为物质物质是由一些微小单元组成，最初人们认为

6、物质是由原子组成。随着电子、质子和中子等粒子的发是由原子组成。随着电子、质子和中子等粒子的发现，对物质的认识深入到更深的层次。现，对物质的认识深入到更深的层次。经典物理学认为能量是经典物理学认为能量是连续连续变化的，光是电磁变化的，光是电磁波。这一观点能成功地解释光的干涉、衍射和偏振波。这一观点能成功地解释光的干涉、衍射和偏振等现象。等现象。然而，利用电磁理论确无法解释辐射与物质之然而，利用电磁理论确无法解释辐射与物质之间相互作用，如黑体辐射、光电效应等现象。这一间相互作用，如黑体辐射、光电效应等现象。这一结果，迫使人们接受结果，迫使人们接受能量子能量子的概念的概念。一、一、黑体黑体 黑体辐射

7、黑体辐射 热辐射：热辐射：任何物体，在高于绝对零度时都会发射电磁任何物体，在高于绝对零度时都会发射电磁波，若物体中的分子、原子是受热激发而发射电磁辐波，若物体中的分子、原子是受热激发而发射电磁辐射现象称热辐射。射现象称热辐射。热辐射的能量按波长具有一定的分布，能量分热辐射的能量按波长具有一定的分布，能量分布与物体的温度有关。布与物体的温度有关。温度升高时，波长短（或频温度升高时，波长短（或频率高）的辐射能增加。率高）的辐射能增加。灰灰 体体：一般物体仅能部分吸收外来电磁辐射：一般物体仅能部分吸收外来电磁辐射基本性质：基本性质：温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波的短波成电磁波的短波成分分 热

8、辐射热辐射 物体在任一温度下发射从红外线、可见光到物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的现象。紫外线的现象。火火炉炉600度度1000度度400度度因辐射与温度有关，故称热辐射因辐射与温度有关，故称热辐射空腔黑体空腔黑体：用任何材料制成开小孔的空腔，由于入射电磁波在：用任何材料制成开小孔的空腔，由于入射电磁波在空腔壁多次反射而被吸收，空腔壁多次反射而被吸收，近似视为黑体。近似视为黑体。教材教材 Page 301 图图绝对黑体绝对黑体：在任何温度下，吸收所有外来电磁辐射的物体，：在任何温度下，吸收所有外来电磁辐射的物体，称绝对黑体，简称黑体。称绝对黑体，简称黑体。理想模型理想模型 白天看

9、远处的窗口特别黑，正是多次反射而很少白天看远处的窗口特别黑，正是多次反射而很少射出光线的结果。射出光线的结果。定量描述物体热辐射的物理量定量描述物体热辐射的物理量:单单 色色 辐辐 出出 度度：热热 力力 学学 温温 度度 为为 T 的的 物物 体体 的的 单单 位位 面面 积积 上上，单单位位时时间间内内，在在单单位位波波长长范范围围内内所所辐辐射射的的电电磁磁波波能能量量，称单色辐射出射度，简称单色辐出度。称单色辐射出射度，简称单色辐出度。若温度为若温度为 T 的物体的单位面积上，向外侧半空间的物体的单位面积上，向外侧半空间辐射能量，在单位时间内，波长在辐射能量，在单位时间内，波长在 +d

10、 范围内的范围内的辐射能为辐射能为dM，则：，则：单色辐出度单色辐出度：单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：辐辐出出度度：热热力力学学温温度度为为 T 的的物物体体的的单单位位面面积积上上，在在单单位位时时间间内内，所所辐辐射射出出的的各各种种波波长长的的电电磁磁波波的的能能量量总总和和，称称辐辐射射出出射射度度，简简称称辐辐出出度度。0 2 4 6 8 10 12钨丝和太阳的单色辐出度曲线钨丝和太阳的单色辐出度曲线21210468太阳太阳可见可见光区光区 钨丝钨丝（5800K5800K）太阳太阳（5800K5800K）钨丝钨丝定量定量描述物体吸

11、收外来辐射的物理量描述物体吸收外来辐射的物理量:若照射在温度为若照射在温度为 T 物体的单位面积上物体的单位面积上,波长在波长在 +d 范围内的范围内的辐射能辐射能 dM,其中其中辐射能辐射能 dM 被吸收被吸收,dM 被反射。被反射。物体在温度物体在温度T T ，对波长，对波长的辐射的的辐射的单色吸收比和单色吸收比和单色单色反射比反射比为为:应有应有对黑体对黑体：研究黑体辐射的意义：研究黑体辐射的意义：基尔霍夫定律基尔霍夫定律：物体的单色辐出度与单色吸收比之比，物体的单色辐出度与单色吸收比之比，仅是温度和波长的函数，与物体的性质无关。仅是温度和波长的函数，与物体的性质无关。黑黑 体：体：一般

12、物体一般物体:测量黑体辐射出射度实验装置测量黑体辐射出射度实验装置 会聚透镜会聚透镜空腔空腔小孔小孔平行光管平行光管棱镜棱镜热电偶热电偶（因为辐出度（因为辐出度:）可可见见光光区区可可见见光光区区二二、斯特藩、斯特藩-波尔兹曼定律波尔兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律1、测定黑体辐射出射度、测定黑体辐射出射度黑体单色辐出度与波长（或频率）关系如下图：黑体单色辐出度与波长（或频率）关系如下图：辐射出射度即曲线下的面积辐射出射度即曲线下的面积0 1000 20001.00.5 、斯特藩、斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律斯特藩斯特藩玻尔兹曼常量玻尔兹曼常量3、维恩位移定律、维恩位移定律常量常量峰值波长

13、峰值波长可可见见光光区区3000K3000K6000K6000K单色辐出度用波长、热力学温度单色辐出度用波长、热力学温度 T表示表示 M(T)单色辐出度用频率、热力学温度单色辐出度用频率、热力学温度 T表示表示 M(T)两者间的关系两者间的关系 M(T)d=M(T)d 其中其中 c 是光速是光速三、三、黑体辐射的瑞利黑体辐射的瑞利金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难瑞利、金斯利用经典理论得出的瑞利、金斯利用经典理论得出的M(T)数学表达式数学表达式单色辐出度按频率分布单色辐出度按频率分布单色辐出度按波长分布单色辐出度按波长分布黑体的辐出度分布实验曲线与瑞利黑体的辐出度分布实验曲线与瑞

14、利-金斯公式的比较金斯公式的比较瑞利瑞利-金斯公式金斯公式*实验曲线实验曲线T=2000 K瑞利瑞利-金斯公式金斯公式*实验曲线实验曲线T=2000 K紫外灾难紫外灾难由理论和实验数据可知，由理论和实验数据可知，瑞利瑞利-金斯公式与实验结果在低频金斯公式与实验结果在低频（长波）区符合（长波）区符合较较好好，但在高频（短波）区差别很大。，但在高频（短波）区差别很大。当频率增加时，当频率增加时，瑞利瑞利-金斯公式金斯公式给给出的单色辐出度趋于出的单色辐出度趋于无穷大无穷大，即紫外灾难。即紫外灾难。此外，维恩由实验数据总结出维恩公式此外，维恩由实验数据总结出维恩公式维恩公式与实验结果在维恩公式与实验

15、结果在高频（短波）区高频（短波）区符合很好符合很好，但在低频（长波）区差别很大，但在低频（长波）区差别很大维恩公式与实验结果维恩公式与实验结果维恩定律维恩定律实验结果实验结果瑞利瑞利-金斯定律金斯定律四四 普朗克假设普朗克假设 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式（1900 1900 年）年）普朗克常量普朗克常量 普普朗朗克克认认为为：金金属属空空腔腔壁壁中中电电子子的的振振动动可可视视为为一一维维谐谐振振子子，它它吸吸收收或或者者发发射射电电磁磁辐辐射射能能量量时时，不不是是过过去去经经典典物物理理认认为为的的那那样样可可以以连连续续的的吸吸收收或或发发射射能能量量，而而是是以以 与与 振振

16、 子子 的的 频频 率率 成成 正正 比比 的的 能能 量量 子子 为单元来吸收或发射能量为单元来吸收或发射能量。空腔壁上的带电谐振子吸收或发射空腔壁上的带电谐振子吸收或发射的的能量应为能量应为：普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式:黑体辐射实验值和普朗克公式黑体辐射实验值和普朗克公式理论曲线比较理论曲线比较在全波段与实验结果惊人符合在全波段与实验结果惊人符合！1900年年12月月14日，日，在德国物理学会上在德国物理学会上演讲演讲:“能量不连续，只能是能量不连续，只能是 h 的整的整数倍数倍。”这一天定为这一天定为量子力学的诞生日量子力学的诞生日。1918年他被授予诺贝尔物理学奖金。年他被授

17、予诺贝尔物理学奖金。普朗克能量子假说将普朗克能量子假说将量子化量子化概念引入物理学，奠概念引入物理学，奠定定了了近代物理学的基础近代物理学的基础。光电效应光电效应光电效应光电效应19-2 光电效应光电效应 光的波粒二象性光的波粒二象性 1887年，赫兹发现光电效应，年，赫兹发现光电效应，1905年，爱因斯坦年，爱因斯坦发展了普朗克发展了普朗克能量量子化能量量子化假说，提出假说，提出光量子光量子概念，并概念，并成功地解释光电效应实验的规律。成功地解释光电效应实验的规律。一一 、光电效应实验的规律、光电效应实验的规律 当紫外线透过石英玻璃照射在当紫外线透过石英玻璃照射在金属阴极金属阴极K时，有时，

18、有电子电子逸出。在两逸出。在两极板（极板（A K）的加速电压作用下，）的加速电压作用下，电子由极板电子由极板K到到A形成电流。形成电流。光电效应：在光照射下，光电效应：在光照射下，电子电子从金属从金属 表面逸出的现象，叫做光电效应表面逸出的现象，叫做光电效应。光电子：逸出电子称光电子光电子：逸出电子称光电子。光电流：逸出电子形成的电流光电流：逸出电子形成的电流。光电效应的实验装置光电效应的实验装置VA入射光入射光石英玻璃窗石英玻璃窗自由自由电子电子不是产生光电效应的电子不是产生光电效应的电子；能产生光电效应的是原子中量子化轨道上的能产生光电效应的是原子中量子化轨道上的价电子价电子（即（即深层束

19、缚电子深层束缚电子）。遏止电势差遏止电势差：使光电流为零的最小反向电压：使光电流为零的最小反向电压U0。将将K接正极，接正极，A接负极。接负极。K A之间的电压阻碍电子运之间的电压阻碍电子运动，称动，称该该电压为反向电压。电压为反向电压。遏止电势差与光电子最大动能之间的关系遏止电势差与光电子最大动能之间的关系、饱和饱和光光电流电流Im：发生光电效应时，从电极发生光电效应时，从电极K发射发射出的电子全部飞到出的电子全部飞到A极，光电流达到稳定时的最大值。极，光电流达到稳定时的最大值。从光电效应实验可归纳出如下规律从光电效应实验可归纳出如下规律:饱和饱和光光电流电流 Im光强较强光强较强光强较弱光

20、强较弱单位时间内受光照的单位时间内受光照的金属板释放出的电子金属板释放出的电子数数与入射光强度成正比。与入射光强度成正比。、对于某一种金属，当入射光的频率大于对于某一种金属，当入射光的频率大于某一频率某一频率0时时，才有，才有光电子从金属表面逸出，并形成光电流。如果入射光的频率小于光电子从金属表面逸出，并形成光电流。如果入射光的频率小于该频率，无论光强多大，都无光电子逸出。该频率，无论光强多大，都无光电子逸出。截止频率：截止频率：上述上述频率频率0（也称（也称红限频率红限频率）、用不同频率光照射金属时，当入射、用不同频率光照射金属时，当入射光频率大于截止频率时，遏止电势差与光频率大于截止频率时

21、，遏止电势差与入射光频率具有线性关系。入射光频率具有线性关系。、当入射光频率大于截止频率，光照射在金属表面时，在极、当入射光频率大于截止频率，光照射在金属表面时，在极短时间内就有光电子逸出，即光电子效应的短时间内就有光电子逸出，即光电子效应的瞬时性瞬时性。外光电子效应外光电子效应：光照射在金属：光照射在金属表面表面而产生的光电效应。而产生的光电效应。内光电子效应内光电子效应：光入射金属：光入射金属内部内部，在金属内部产生光电子，在金属内部产生光电子，增加物体的导电性。增加物体的导电性。经典理论的困难：经典理论的困难：光的波动理论认为阴极中的电子在入射光的波阵光的波动理论认为阴极中的电子在入射光

22、的波阵面获得能量，光强越大，电子能量越高。面获得能量，光强越大，电子能量越高。1、光电子的能量、光电子的能量（最大初动能）与光强成正比（最大初动能）与光强成正比 与与频率频率无关无关。2、红限红限问题：问题：光强足够大，任何频率的光都会光强足够大，任何频率的光都会产生光电效应。产生光电效应。3、瞬时性瞬时性问题：问题：入射光强度较弱时，光电子入射光强度较弱时，光电子需较长时间才能积累足够能量逸出金属表面。需较长时间才能积累足够能量逸出金属表面。结论结论经典理论无法解释光电效应实验规律经典理论无法解释光电效应实验规律故得：故得：二二 光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程（1）“光量子光量子”假设假

23、设光子的能量为光子的能量为爱因斯坦提出，光束可看成由微粒子组成的粒子流，爱因斯坦提出，光束可看成由微粒子组成的粒子流，这些粒子这些粒子称称光量子，简称光子。光量子，简称光子。光子的速度光子的速度 c=3.0108m s-1 光子的能量与光的频率成正比，光的频率越高，光子光子的能量与光的频率成正比，光的频率越高，光子的能量就越大。光束的能量与光子数和光子能量有关。的能量就越大。光束的能量与光子数和光子能量有关。（2）爱因斯坦方程对光电效应的解释爱因斯坦方程对光电效应的解释爱因斯坦方程爱因斯坦方程 逸出功逸出功（与材料有关与材料有关）对同一种金属，对同一种金属，一定，一定，与光强无关，与光强无关

24、逸出功逸出功产生光电效应条件产生光电效应条件（截止频率截止频率）逸出金属表面光电子的初动能逸出金属表面光电子的初动能 光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电 子数目越多，光电流越大子数目越多，光电流越大。（时）时）光子射光子射到到金属表面，一个光子携带的能量金属表面，一个光子携带的能量 将一将一 次性被一个电子吸收，若次性被一个电子吸收，若 ，电子立即逸出，电子立即逸出，无需时间积累（无需时间积累（瞬时性瞬时性）。爱因斯坦方程爱因斯坦方程（3）的测定的测定爱因斯坦方程爱因斯坦方程遏止电势差和入射光遏止电势差和入射光频率的关系频率的关系密立根测量

25、了钠的遏止电势差与入射光频率是线性关系密立根测量了钠的遏止电势差与入射光频率是线性关系。例题例题光电效应实验，已知阴极材料的逸出功光电效应实验，已知阴极材料的逸出功A，照射光的，照射光的频率频率 o，求：，求：（1）红限红限 o；（2）遏止电压遏止电压Ua 。解解 （1）由爱因斯坦方程）由爱因斯坦方程（2）由于在理论物理由于在理论物理方面的贡献，特别方面的贡献，特别是对光电效应的成是对光电效应的成功解释，功解释，1921年，年，爱因斯坦获得爱因斯坦获得诺贝诺贝尔物理尔物理学学奖！奖！A.爱因斯坦爱因斯坦三三 光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用1、iM I 可用来实现光、电信号转换。（电影、可用来实现光、电信号转换。（电影、电视、电视、传真等现代通讯技术传真等现代通讯技术)2、瞬时性用于自动控制、瞬时性用于自动控制（自动计数自动计数、自动报警等自动报警等）。3、光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管等等放大器放大器接控件机构接控件机构光光光控继电器示意图光控继电器示意图本次作业18-5、6、7