黑体辐射、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应.ppt

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1、（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应 量子概念是量子概念是 1900 1900 年普朗克首先提出的，距今已年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到大师的创新努力，到 20 20 世纪世纪 30 30 年代，就建立了一年代，就建立了一套完整的量子力学理论套完整的量子力学理论.量子力学量子力学宏观领域宏观领域经典力学经典力学现代物理的理论基础现代物理的理论

2、基础量子力学量子力学相相 对对 论论量子力学量子力学微观世界的理论微观世界的理论起源于对波粒二相性的认识起源于对波粒二相性的认识（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应实验实验规律规律旧理论旧理论解释的解释的困难困难新理论新理论基本流程基本流程（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应 （1 1）热辐射）热辐射 实验证明不同温度下物体能发出实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射的电磁辐

3、射叫做热辐射.（2 2）单色辐射出射度）单色辐射出射度 单位时间内从物体单位表单位时间内从物体单位表面积发出的频率在面积发出的频率在 附近单位频率区间（或波长在附近单位频率区间（或波长在 附近单位波长区间）的电磁波的能量附近单位波长区间）的电磁波的能量.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：1 1、黑体、黑体辐射黑体、黑体辐射一、一、黑体辐射和普朗克能量子假设黑体辐射和普朗克能量子假设 （46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应（3 3）辐射出射度）辐射出射度 （辐出度）（辐出度）物体表面单位物

4、体表面单位时间、单位面积上时间、单位面积上所辐射出的各种波所辐射出的各种波长的电磁波的能量长的电磁波的能量总和总和.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（58005800K K）太阳太阳（58005800K K）钨丝钨丝单色辐射出射度单色辐射出射度（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应实验表明实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.（4 4）黑体）黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率能完全吸收照射

5、到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体的电磁辐射的物体称为黑体.（黑体是理想模型）（黑体是理想模型）（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应 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（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应0 1000 20001.00.5 黑体辐射规律黑体辐射规律可可见见光光区区30003000K K60006000K K（1 1）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

6、兹曼常量玻尔兹曼常量曲线下的总面积就是辅出度曲线下的总面积就是辅出度斯特藩斯特藩 玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律维恩位移定律维恩位移定律（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应0 1000 20001.00.5 30003000K K60006000K K（2）维恩位移定律维恩位移定律常量常量峰值波长峰值波长曲线的极大值对应于波长曲线的极大值对应于波长 表示这种波长的电磁波能量比表示这种波长的电磁波能量比例最大例最大当绝对黑体的温度升高时，当绝对黑体的温度升高时，单色辐射出射度最大值向短单色辐射出射度最大值向短波方向移动。波方向移动。（46）黑

7、体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应 例例1 1（1 1）温度为室温温度为室温 的黑体，其单色辐的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？出度的峰值所对应的波长是多少？（2 2）若使一黑体若使一黑体单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，其温度应为多少？其温度应为多少？（3 3）以上两辐出度之比为多少？以上两辐出度之比为多少？解解（2 2）取取（1 1）由维恩位移定律由维恩位移定律（3 3）由由斯特藩斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电

8、效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应 例例2 2 太阳的单色辐出度的峰值波长太阳的单色辐出度的峰值波长 ，试由此估算太阳表面的温度试由此估算太阳表面的温度.解解由维恩位移定律由维恩位移定律 对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法进行推测这种方法进行推测（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应0 1 2 3 6123 45瑞利瑞利-金斯公式金斯公式实验曲线实验曲线*2、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瑞利-金斯公式金斯公式紫外灾难紫外灾难（46）黑体、

9、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应3 3、普朗克能量子假设、普朗克能量子假设 （1900 1900 年）年）普朗克常量普朗克常量 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式(1)黑体是由带电谐振子组成，这些黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波，并和周围的电谐振子辐射电磁波，并和周围的电磁场交换能量。磁场交换能量。(2)这些谐振子能量不能连续变化这些谐振子能量不能连续变化,只能取一些分立值只能取一些分立值,是最小能量是最小能量 的的整数倍整数倍,这个最小能量称为这个最小能量称为能量子能量子。经典经典能量能量量子量子（46）黑体、普朗克能量子假设、

10、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应0 1 2 3 6瑞利瑞利-金斯公式金斯公式123 45普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线实验值实验值*（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应M.V.普朗克普朗克 研究辐射的量子理论研究辐射的量子理论,发现基本量子，提出发现基本量子，提出能量量子化的假设能量量子化的假设1918诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应 普朗克（普朗克（1858-1947）（46）黑体、普朗克能量子假设、

11、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应普朗克量子假说普朗克量子假说（19001900年年1212月月1414日，柏林，德意志科学院）日，柏林，德意志科学院）（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应1 1、光电效应实验的规律、光电效应实验的规律VA（1）实验装置实验装置二、光电效应、光的波粒二象性二、光电效应、光的波粒二象性 光电效应光电效应 光照射到金属表面时，光照射到金属表面时，有电子从金属表面逸出的现象。有电子从金属表面逸出的现象。光电子光电子 逸出的电子。逸出的电子。光电子由光电子由K飞向飞向A，回路中形成

12、回路中形成光电流光电流。（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线饱饱和和电电流流光光 强强 较较 强强光光 强强 较较 弱弱截截止止电电压压1）单位时间内从阴极逸出）单位时间内从阴极逸出的光电子数与入射光的强的光电子数与入射光的强度成正比。度成正比。2）存在截止电压，）存在截止电压，说明光说明光电子具有初动能，且电子具有初动能，且遏止遏止电势差与入射光频率具有电势差与入射光频率具有线性关系线性关系（2）实验规律实验规律.（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电

13、效应、康普顿效应光电子初动能和入射光频率成正比，与入射光光强无关光电子初动能和入射光频率成正比，与入射光光强无关遏止电势差与入射光频率具有线遏止电势差与入射光频率具有线性关系性关系（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应4)光电效应瞬时响应性质光电效应瞬时响应性质实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光电子出现不超过电子出现不超过 的时间。的时间。光电效应的产生几乎无需时间的累积光电效应的产生几乎无需时间的累积3）对于给定的金属，当照射光频率小于金属的）对于给定的金属，当照射光频率小于金属的红限频红

14、限频率率，则无论光的强度如何，都不会产生光电效应。，则无论光的强度如何，都不会产生光电效应。几种几种纯金属的纯金属的截止截止频率频率金属金属截止频率截止频率4.545 5.508.065 11.53铯铯 钠钠 锌锌 铱铱 铂铂 19.29截止频率与截止频率与材料有关材料有关与与光强无关光强无关 （46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有一定按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止为止.与实验结果不符

15、与实验结果不符.2 2、经典理论遇到的困难、经典理论遇到的困难 红限问题红限问题 瞬时性问题瞬时性问题按经典理论，光电子的初动能应决定于入射光的光强，按经典理论，光电子的初动能应决定于入射光的光强，而不决定于光的频率。而不决定于光的频率。无论何种频率的入射光无论何种频率的入射光,只要只要其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属 .与实验结果不符与实验结果不符.（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应光子的能量光子的能量因为：因为：由于光子速度恒为由于光子速度恒为 c，所以所以光子的光子的

16、“静止质量静止质量”为零为零.光是以光速光是以光速 c 运动的微粒流，称为运动的微粒流，称为光量子光量子（光子光子）。）。3、爱因斯坦光子假说、爱因斯坦光子假说光子的质量光子的质量光子的静质量光子的静质量光子的动量光子的动量光的波粒二象性光的波粒二象性（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程（1）“光量子光量子”假设假设光子的能量为光子的能量为（2）解释实验解释实验几种金属的逸出功几种金属的逸出功金属金属钠钠 铝铝 锌锌 铜铜 银银 铂铂2.28 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35爱因斯坦方

17、程爱因斯坦方程 逸出功与逸出功与材料有关材料有关 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（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应 逸出功逸出功爱因斯坦方程爱因斯坦方程产生光电效应条件条件产生光电效应条件条件（截止频率截止频率）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）光子射至金属表面，一个光子携带的能量光子射至金属表面，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

18、子立即逸出，无需时间积累（无需时间积累（瞬时瞬时性）性）.（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应（3）的测定的测定爱因斯坦方程爱因斯坦方程截止电压和入射光截止电压和入射光频率的关系频率的关系（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应例例 在铝中移出一个电子需要在铝中移出一个电子需要4.2eV的能量，波长为的能量，波长为200nm的光射到其表面，求：的光射到其表面，求：1、光电子的最大动能、光电子的最大动能2、遏制电压、遏制电压3、铝的截止波长、铝的截止波长解：解：（46）黑体、普朗克

19、能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应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光控继电器、自动控制、光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等自动计数、自动报警等.光电倍增管光电倍增管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（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应A.爱因斯坦爱因斯坦 对现物理方面的贡对现物理方面的贡献，特别是阐明光献，特别是阐明光电效应的定律电效应的定律1921诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、

20、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应爱因斯坦提爱因斯坦提出光量子概出光量子概念念（19051905年）年）（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应X 射线管射线管光阑光阑石墨体（散射物）石墨体（散射物）探测器探测器 1920 1920年，美国物理学家康普顿在观察年，美国物理学家康普顿在观察X X射线被物质散射线被物质散射时，发现射时，发现散射散射线中含有线中含有波长波长发生发生变化变化了的成分了的成分.（1 1）实验装置）实验装置调节调节A A的方位，可使不同方向的方位，可使不同方向的散射光进入光谱仪。的散射光进入光谱仪。三、康普顿效

21、应三、康普顿效应 （46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应 1920 1920年，美国物理学家康普顿在观察年，美国物理学家康普顿在观察X X射线被物质散射线被物质散射时，发现射时，发现散射散射线中含有线中含有波长波长发生发生变化变化了的成分了的成分.实验装置实验装置（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应 经典电磁理论预言，经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射散射辐射具有和入射辐射一样的频率一样的频率.经典理论无经典理论无法解释波长变化法解释波长变化.（2）实验结果）实验结果（相

22、对强度）（相对强度）（波长）（波长）在散射在散射X X 射线中除有射线中除有与入射波长相同的射线外，与入射波长相同的射线外，还有波长比入射波长更长还有波长比入射波长更长的射线的射线.2 2、经典理论的困难、经典理论的困难（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应光子光子电子电子 电子反冲速度很大，需用电子反冲速度很大，需用相对论力学相对论力学来处理来处理.（1 1）物理模型物理模型 入射光子（入射光子（X 射线或射线或 射线）能量大射线）能量大 .固体表面电子束缚较弱，可视为固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子近自由电子.3 3、量子解释

23、、量子解释电子电子光子光子 电子热运动能量电子热运动能量 ，可近似为，可近似为静止电子静止电子.范围为：范围为：（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应（2）理论分析理论分析能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应 康普顿波长康普顿波长 康普顿公式康普顿公式（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应 散射光波长的改变量散射光波长的改变量 仅与仅与 有关有关 散射光子能量减小散射光子能量减小康普顿公式

24、康普顿公式（3）结论结论（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应（4）讨论讨论（5）物理意义物理意义 若若 则则 ,可见光观察可见光观察不不到康普顿效应到康普顿效应.光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性.微观粒子也遵守微观粒子也遵守能量守恒能量守恒和和动量守恒动量守恒定律定律.与与 的关系的关系与物质无关与物质无关，是光子与近自由电子，是光子与近自由电子间的相互作用间的相互作用.散射中散射中 的散射光是因的散射光是因光子光子与金属中的与金属中的紧束缚紧束缚电子电子（原子核）的作用（原子核）的作用

25、.康普顿公式康普顿公式（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应1927诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖A.H.康普顿康普顿 发现了发现了X射线通过射线通过物质散射时，波长物质散射时，波长发生变化的现象发生变化的现象 X射线经过射线经过金属、石墨金属、石墨 等等物质，发生物质，发生波长改变的波长改变的 散射称康普顿效应。散射称康普顿效应。康普康普顿效应是说明光的粒子性顿效应是说明光的粒子性的另一个重要的实验。的另一个重要的实验。（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应康康普普顿顿散散射射实

26、实验验【课外课外】我国科学家吴有训我国科学家吴有训 博士在这项工作中博士在这项工作中 作出过杰出贡献。作出过杰出贡献。（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应康普顿实验指出康普顿实验指出改变波长的散射改变波长的散射康普顿散射康普顿散射康普顿效应康普顿效应散射散射X射线的波长中有两个峰值射线的波长中有两个峰值和和且且与与散射角散射角 有关有关散射光中除了和入射光波长散射光中除了和入射光波长 相同的射线之相同的射线之外，还出现一种波长外，还出现一种波长 大于大于 的新的射线的新的射线（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电

27、效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应 【课外课外】我国物理学家吴有训在与康普我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还发现：顿共同研究中还发现：原子量小的物质康普顿散射较强，原子量小的物质康普顿散射较强，原子量大的物质康普顿散射较弱；原子量大的物质康普顿散射较弱；当散射角增加时，波长改变也随着增当散射角增加时，波长改变也随着增加；在同一散射角下，所有散射物质加；在同一散射角下，所有散射物质的波长改变都相同。的波长改变都相同。（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应石石墨墨的的康康普普顿顿效效应应.(a)(b)(c)(d)(埃埃)0.7000

28、.750总结：总结：1.散射散射X射线的波长中射线的波长中有两个峰值有两个峰值与与散射角散射角 有关有关3.不同散射物质，在同不同散射物质，在同一散射角下波长的改变一散射角下波长的改变相同。相同。4.波长为波长为 的散射光强的散射光强度随散射物质原子序数度随散射物质原子序数的增加而减小。的增加而减小。（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应康普顿理论的意义康普顿理论的意义1 1、验证了光的粒子说的正确性；、验证了光的粒子说的正确性；2 2、验证了在光与电子的相互作用过程中，、验证了在光与电子的相互作用过程中，能量守恒与动量守恒仍是正确的；

29、能量守恒与动量守恒仍是正确的；3 3、进一步验证了相对论的正确性。、进一步验证了相对论的正确性。以上三个实验的共同启示：以上三个实验的共同启示：在微观世界，物理量的取值与变化在微观世界，物理量的取值与变化可能是不连续的！可能是不连续的！（46）黑体、普朗克能量子假设、黑体、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应能量子为能量子为：=h ，h=6.63 10-34 J.s普朗克的能量子假说：普朗克的能量子假说：*爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程：自由电子吸收一个光子：自由电子吸收一个光子：截止频率为：截止频率为：反向遏止反向遏止电压为：电压为：*康普顿散射公式：康普顿散射公式：自由电子与光子弹性碰撞：自由电子与光子弹性碰撞：知识要点：知识要点：