第七章光的量子性 主要内容 1、光速及其测定方法 2、以光的量子性为基础,介绍光电效应和康普顿效应; 3、光的波粒二象性
第七章 光的量子性 主要内容 1、光速及其测定方法； 2、以光的量子性为基础，介绍光电效应和康普顿效应； 3、光的波粒二象性
教学目的: 理解光速的概念,牢固掌握能量子概念和光电效应方程,能应 用光电光电效应方程进行实验规律的解释和实际计算;理解光 电效应和康普顿效应所体现的光的量子性。 内容分析: 第一单元(§1): 光速及其测定方法; 第二单元(§2~§3):热辐射的经典定律和普朗克量子假设。 第三单元(§4~§5):光电效应,光电效应方程。 第四单元(§6): 康普顿效应 第五单元(§7~§8):量子理论对光本性的认识。 重点难点: 能量子假设、光电效应
第一单元（§1）： 光速及其测定方法； 第二单元（§2～§3）： 热辐射的经典定律和普朗克量子假设。 第三单元（§4～§5）： 光电效应，光电效应方程。 第四单元（§6）： 康普顿效应。 第五单元（§7 ～§8 ）：量子理论对光本性的认识。 教学目的： 理解光速的概念，牢固掌握能量子概念和光电效应方程，能应 用光电光电效应方程进行实验规律的解释和实际计算；理解光 电效应和康普顿效应所体现的光的量子性。 内容分析： 重点难点： 能量子假设、光电效应
△971光速及其测定 、真空中的光速 1、理论值:C =299792.500km/ 040 2、测量值:C=(299,792.458±0.001)km/s 最可靠值 二、测量方法 1、天文学方法: 木星卫星蚀法(罗默,1676年): C=215000km/s 恒星光行差法(布喇法雷,1728年) C=303.000km/s 天文学方法受观测精度的影响,精度很低
§7.1 光速及其测定 一、真空中的光速 1、理论值： c 299,792.500k m/s 1 0 0 = = 2、测量值： c = (299,792.458 0.001)k m/s 二、测量方法 ——最可靠值 1、天文学方法： • 木星卫星蚀法（罗默，1676年）： c = 215,000k m/s 天文学方法受观测精度的影响，精度很低。 • 恒星光行差法（布喇法雷，1728年）： c = 303,000k m/s
2、实验室方法: A 2l 伽利略法:C 旋转齿轮法(斐索,149年):C=315,000km/s 旋转镜法(付科,1851年):C=(29800050km/S 激光测速法:c=(299,792458±0.001)km/s 三、相速度和群速度 1、相速度:单色光波等相面的传播速度。通常意义上的光速。V dt 2、群速度:光波的某一确定振幅(能量)的传播速度:U △ 3、相速、群速的关系(瑞利公式):t=v-克 d
2、实验室方法： A B l • 伽利略法： l c 2 = • 旋转齿轮法（斐索，1849年）： c = 315,000k m/s • 旋转镜法（付科，1851年）： c = (298,000 500)k m/s • 激光测速法： c = (299,792.458 0.001)k m/s 三、相速度和群速度 1、相速度：单色光波等相面的传播速度。通常意义上的光速。 dt dr v = 2、群速度：光波的某一确定振幅（能量）的传播速度： k u = 3、相速、群速的关系（瑞利公式）： d dv u = v −
7,2热辐射 经典电磁理论观点:电磁场是连续的,其能量是连续分布于场所在 的整个空间。 19世纪末20世纪初,黑体辐射、光电效应、康普顿效应的相继出现,造 成了经典电磁理论的困难。促使人们挣脱经典连续观念的束缚,从全新的角 度重新考虑经典理论的适用性。从而建立了量子理论。 辐射的分类: 1、定义:物体向外发射能量的过程称为辐射 2、分类:在向外辐射能量的过程中,物体将消耗本身的能量,要维持 辐射,必须要从外界不断补充能量或物体内部产生某种变化。按能量补 充的不同形式,辐射可作如下分类 化学发光:由自身内部化学变化(如燃烧)补充能量 光致发光:由外来光或其它辐射不断或预先照射补充能量; 场致发光:由外加电场补充能量;(如火花放电、电弧光、辉光等) ·阴极发光:由电子束轰击固体物质所产生的辐射; 热辐射:外加热源补充能量
§7.2 热辐射 一、辐射的分类： 经典电磁理论观点：电磁场是连续的，其能量是连续分布于场所在 的整个空间。 19世纪末20世纪初，黑体辐射、光电效应、康普顿效应的相继出现，造 成了经典电磁理论的困难。促使人们挣脱经典连续观念的束缚，从全新的角 度重新考虑经典理论的适用性。从而建立了量子理论。 1、定义：物体向外发射能量的过程称为辐射 2、分类：在向外辐射能量的过程中，物体将消耗本身的能量，要维持 辐射，必须要从外界不断补充能量或物体内部产生某种变化。按能量补 充的不同形式，辐射可作如下分类： • 化学发光：由自身内部化学变化（如燃烧）补充能量； • 光致发光：由外来光或其它辐射不断或预先照射补充能量； • 场致发光：由外加电场补充能量；（如火花放电、电弧光、辉光等）； • 阴极发光：由电子束轰击固体物质所产生的辐射； • 热辐射： 外加热源补充能量
二、热辐射 任何温度下的任何物体都能发出热辐射 热辐射的能量大小和成份取决于辐射体温度,遵从基尔霍夫定律; 温度越低,辐射能量越小,长波(如红外线)成份越多 温度越高,辐射能量越大,短波(如紫外线)成份越多 三、黑体辐射 1、黑体:表面不反光,能在任何温度下吸收入射的一切频率电磁波的 物体,称为绝对黑体,简称黑体 (2,7) 可见光 2、黑体辐射实验曲线 每条曲线有一个极大值 随温度升高,辐出度 度 (能量)快速增大; 随温度升高,极大值向 短波移动; 0,M-0 500100015002000
二、热辐射 • 任何温度下的任何物体都能发出热辐射； • 热辐射的能量大小和成份取决于辐射体温度，遵从基尔霍夫定律； 温度越低，辐射能量越小，长波（如红外线）成份越多； 温度越高，辐射能量越大，短波（如紫外线）成份越多。 三、黑体辐射 1、黑体：表面不反光，能在任何温度下吸收入射的一切频率电磁波的 物体，称为绝对黑体，简称黑体。 2、黑体辐射实验曲线： • 每条曲线有一个极大值 • 随温度升高，辐出度 （能量）快速增大； • 随温度升高，极大值向 短波移动； • λ→0,M →0 (nm) M(,T) 0 500 1000 1500 2000 可见光 温 度
3、黑体辐射的经典规律 从上图可看出,解决黑体辐射问题关键是找出辐出度M(λ,T)的具 体表达式。围绕该图,众多物理学家从经典理论出发,进行了大量的工作, 其中以下述结论相对有效: A:斯忒藩一波尔兹曼定律:辐射总能量∝T4。一与曲线总趋势吻合 B、维恩位移定律:T·n=b(为与温度无关的常量) T增大时,曲线最大值向短波移动; T不太高时,辐射能量主要集中一长波区,发出红外线和红色光; ·T较高时,辐射能量主要集中一短波区,发出紫外线和白光 在温度较高时,维恩定律结论与实验曲线基本吻合。 C、瑞利一金斯定律:M(2,7) 2nc kT 在长波区与实验曲线相当吻合; 紫外灾难 随波长λ的减小,与实验曲线差距增大 当2→0时,M→>∞,与实验曲线(M→0)相矛盾
3、黑体辐射的经典规律： 从上图可看出，解决黑体辐射问题关键是找出辐出度 M（λ，T）的具 体表达式。围绕该图，众多物理学家从经典理论出发，进行了大量的工作， 其中以下述结论相对有效： A：斯忒藩—波尔兹曼定律：辐射总能量∝T 4 。—与曲线总趋势吻合 B、维恩位移定律： T b (b为与温度无关的常量) m = • T增大时，曲线最大值向短波移动； • T不太高时，辐射能量主要集中一长波区，发出红外线和红色光； • T较高时，辐射能量主要集中一短波区，发出紫外线和白光； ∴ 在温度较高时，维恩定律结论与实验曲线基本吻合。 C、瑞利—金斯定律： ( ) k T c M T 4 2 , = • 在长波区与实验曲线相当吻合； • 随波长λ的减小，与实验曲线差距增大； • 当 → 0时,M → ,与实验曲线(M → 0)相矛盾 紫外灾难
573Pank量子假设一能量子 Plank量子假设 1900年, Plank分析了前述三种经典规律认为:其之所以不能真实反 映黑体辐射的客观规律,最根源是经典理论的连续性。他认为: ①辐射体由很多谐振子组成,每个谐振子发出一种单色波;每个振子 的能量不能连续变化,只能处于某些特殊的能量状态:一个最小能 量单位的整数倍0,E0,2E0,3E0,…,nEo ·可能的能量状态——能级;能量的不连续变化——能量量子化: 最小能量单位E—能量子,简称量子。 ②在发射或吸收能量时,振子只能从这些特殊状态之一飞跃到另一状 态,发射或吸收能量只能是E0的整数倍 ③频率为v的能量子E=hv 、 Plank黑体辐射公式:Pank利用量子假设,得出了黑体辐射有公 式,并园满解释了实验规律,证明了量子 假设的正确性
§7.3 Plank量子假设——能量子 一、 Plank量子假设 1900年， Plank分析了前述三种经典规律认为：其之所以不能真实反 映黑体辐射的客观规律，最根源是经典理论的连续性。他认为： 0 0 0 0 0,E ,2E ,3E , ,nE ① 辐射体由很多谐振子组成，每个谐振子发出一种单色波；每个振子 的能量不能连续变化，只能处于某些特殊的能量状态：一个最小能 量单位的整数倍 ② 在发射或吸收能量时，振子只能从这些特殊状态之一飞跃到另一状 态，发射或吸收能量只能是E0的整数倍； • 可能的能量状态——能级；能量的不连续变化——能量量子化； • 最小能量单位E0——能量子，简称量子。 ③ 频率为 的能量子 E0 = h 二、 Plank黑体辐射公式： Plank利用量子假设，得出了黑体辐射有公 式，并园满解释了实验规律，证明了量子 假设的正确性
574光电效应 1905年,在研究光电效应的过程中, Einstein将局限于振子辐射过程的 Plank 能量子假设推广到整个电磁场,认为电磁波的能量均以能量子的形式存在。从而, 光不仅是一种波动(电磁波),也是一种粒子(光子)。并园满解释了不电效应现 象 定义:当光照射到金属表面时,金属中有电子逸出的现象 逸出的电子称为光电子 实验装置:如右图示 K AL 三、实验定律: G 光电子由阴极K运动到阳极A所产生的 电流—光电流 R 1、光电流与入射光强度的关系 当入射光频率ν和强度不变时,加速电压V增大则光电流 值增大;光电流I有一饱和值,此时单位时间内由阴极逸 出的光电子全部到达阳极。若单位时间内逸出的光电子数 为n,则I饱和值I=ne 0
§7.4 光电效应 1905年，在研究光电效应的过程中，Einstein将局限于振子辐射过程的Plank 能量子假设推广到整个电磁场，认为电磁波的能量均以能量子的形式存在。从而， 光不仅是一种波动（电磁波），也是一种粒子（光子）。并园满解释了不电效应现 象。 一、定义： 当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象。 逸出的电子称为光电子。 K A G V - + R W 二、实验装置：如右图示： 光电子由阴极K运动到阳极A所产生的 电流——光电流 三、实验定律： 1、光电流与入射光强度的关系： I Vg 0 V Im 当入射光频率 和强度不变时，加速电压V增大则光电流 I 值增大；光电流 I 有一饱和值，此时单位时间内由阴极逸 出的光电子全部到达阳极。若单位时间内逸出的光电子数 为 n，则 I 饱和值Im= ne
保持入射光频率ν不变,光强改变时,饱和电流I将改变:光强越大, 单位时间内从金属K上被击出的电子数n越多;反之,亦然。 n∝光强,∴In∝光强 规律一:饱和电流I的大小与入射光强度成正比。亦即单位时间内被击 出的是光电子数与入射光强度成正比。 2、光电子初动能与入射光频率的关系: 当频率v不变时,加速电压V减小,则光电流I也减小;如上页图 当V=0时,I≠0,证明光电子具有初动能 当加上反向电压V=一V时,1=0,称V为遏止电压。V,e=m2 2 当频率V不变时,光电流随入射光强度 频率 相等 而变化,但其为遏止电压V是相同的 光强 即:不同强度的入射光所产生的光电子的 增大 最大初动能是相同的。 0
保持入射光频率 不变，光强改变时，饱和电流Im将改变：光强越大， 单位时间内从金属K上被击出的电子数 n 越多；反之，亦然。 n 光强, I m 光强 规律一：饱和电流Im的大小与入射光强度成正比。亦即单位时间内被击 出的是光电子数与入射光强度成正比。 2、光电子初动能与入射光频率的关系： • 当频率 不变时，加速电压V减小，则光电流 I 也减小；如上页图 当V=0时，I≠0，证明光电子具有初动能； 当加上反向电压V=－Vg时， I=0，称 Vg为遏止电压。 2 。 2 1 g mv m V e = I Vg 0 V 频率 相等 光强 增大 • 当频率 不变时，光电流随入射光强度 而变化，但其为遏止电压Vg是相同的， 即：不同强度的入射光所产生的光电子的 最大初动能是相同的