大学物理-物理与文化：第四章 光的本性

1、2021-5-51 第四章第四章 光的本性是什么？光的本性是什么？ 2021-5-52 1 1、光的微粒说、光的微粒说 2 2、光的波动性、光的波动性 惠更斯原理惠更斯原理 杨氏双缝干涉和薄膜干涉杨氏双缝干涉和薄膜干涉 单缝衍射、圆孔衍射单缝衍射、圆孔衍射 3 3、光的波粒二象性、光的波粒二象性 4 4、多普勒效应、多普勒效应 5 5、波尔公式、波尔公式 光的共振吸收光的共振吸收 激光原理激光原理 2021-5-53 光的微粒说（牛顿的微粒说）光的微粒说（牛顿的微粒说） 17 17世纪下半叶，牛顿提出了光的世纪下半叶，牛顿提出了光的“”（认为光是按照惯（认为光是按照惯 性定律沿直线传播的微粒流

2、）性定律沿直线传播的微粒流）。与牛顿同一时代的惠更斯则提出了。与牛顿同一时代的惠更斯则提出了 光的光的“”（认为光是在一种特殊弹性介质中传播的机械波）（认为光是在一种特殊弹性介质中传播的机械波） 。由于牛顿在科学界的权威性，以及早期波动学说缺乏数学和实验。由于牛顿在科学界的权威性，以及早期波动学说缺乏数学和实验 基础，还很不完善，占统治地位的仍然是光的微粒说。基础，还很不完善，占统治地位的仍然是光的微粒说。 三棱镜折射三棱镜折射 2021-5-54 牛顿认为：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子牛顿认为：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子 流。牛顿的微粒说轻而易举地解释了

3、光的直进、反射和折射现象。流。牛顿的微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。 由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，所以很快获由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，所以很快获 得了人们的承认和支持。得了人们的承认和支持。 但是，微粒说并不是但是，微粒说并不是“万能万能”的，比如，它无法解释为什么几束的，比如，它无法解释为什么几束 在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时，为什么光线并不是在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时，为什么光线并不是 永远走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。永远走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。 2021-5-5

4、5 惠更斯认为光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊惠更斯认为光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊 的叫做的叫做“以太以太”的弹性媒质来传播的现象。波动说不但解释了几束光的弹性媒质来传播的现象。波动说不但解释了几束光 线在空间相遇不发生干扰而独立传播，而且解释了光的反射和折射现线在空间相遇不发生干扰而独立传播，而且解释了光的反射和折射现 象，不过在解释折射现象时，惠更斯假设光在水中的速度小于在空气象，不过在解释折射现象时，惠更斯假设光在水中的速度小于在空气 中的速度，这与牛顿的解释正好相反。中的速度，这与牛顿的解释正好相反。 尽管波动说可以解释不少光学现象，但由于它很不完

5、善，解释不了尽管波动说可以解释不少光学现象，但由于它很不完善，解释不了 人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题，所以没有得到广泛的支人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题，所以没有得到广泛的支 持。再加上当时受实验条件的限制，还无法测出水中的光速，便无法持。再加上当时受实验条件的限制，还无法测出水中的光速，便无法 判断牛顿和惠更斯关于折射现象的假设谁对谁错。尤其是牛顿在学术判断牛顿和惠更斯关于折射现象的假设谁对谁错。尤其是牛顿在学术 界久负盛名，他的拥护者对波动说横加指责，全盘否定，终于把波动界久负盛名，他的拥护者对波动说横加指责，全盘否定，终于把波动 说压了下去，致使它在很长时间内几乎销声匿

6、迹。而微粒说盛极一时，说压了下去，致使它在很长时间内几乎销声匿迹。而微粒说盛极一时， 居然在光学界称雄整个居然在光学界称雄整个1818世纪。世纪。 2021-5-56 （机械振动在弹性媒质中的传播（机械振动在弹性媒质中的传播 过程，称为机械波），如：水波、声波、过程，称为机械波），如：水波、声波、 绳索上的波、地震波等；绳索上的波、地震波等； （交变的电场、磁场在空间的传（交变的电场、磁场在空间的传 播过程，称为电磁波），如：无线电波、播过程，称为电磁波），如：无线电波、 光波、微波等等；光波、微波等等； 乃至乃至 上述种种波动，虽然产生的机制、物理本质不尽相上述种种波动，虽然产生的机制、物理

7、本质不尽相 同，但是它们却有共同的波动规律，都同，但是它们却有共同的波动规律，都能产生反射、折能产生反射、折 射、干涉和衍射等现象，射、干涉和衍射等现象，并有共同的数学表达式。并有共同的数学表达式。 http:/ 2021-5-57 横波横波 ( (质点质点) )振动方向与波的传播方向垂直振动方向与波的传播方向垂直( (如：细绳波、电磁波如：细绳波、电磁波) ) （特点：波峰和波谷）（特点：波峰和波谷） 纵波纵波 ( (质点质点) )振动方向与波的传播方向一致振动方向与波的传播方向一致( (如：声波、疏密波如：声波、疏密波) ) （特点：疏和密）（特点：疏和密） 基本波型基本波型: : 横波、

8、纵波横波、纵波 复杂波型复杂波型: : 水波、地震波水波、地震波 2021-5-58 机械波的形成机械波的形成 ) ( ) ( 传播振动的物质 最初振动的物体 弹弹性性媒媒质质 振振源源波波源源 二二个个必必要要条条件件机机械械波波 2021-5-59 下面我们以弹性绳索中传播的横波为例来说明波的产生与传播：下面我们以弹性绳索中传播的横波为例来说明波的产生与传播： 2 3 13, 2 3 10, 4 3 2 3 7, 2 2 3 4, 4 2 3 1, 0 质元质元 质元质元 质元质元 质元质元 质元质元 Tt T t T t T t t 决定了机械波的产生和传播过程的两个因素：决定了机械波的

9、产生和传播过程的两个因素：弹性媒质的弹性媒质的 弹性弹性和和惯性惯性。 2021-5-510 波长、频率、波速波长、频率、波速 波长波长 ( (波的传播方向上波的传播方向上) )具有具有相同振动状态相同振动状态的任意两相邻质点的任意两相邻质点 的距离。的距离。 波的频率波的频率 单位时间内振动传播出去的波长数。单位时间内振动传播出去的波长数。 波速波速 u u 单位时间内振动传播的距离，即位相传播的速度单位时间内振动传播的距离，即位相传播的速度( (相速相速 度度) )。 u T 2021-5-511 惠更斯原理惠更斯原理 在波的传播过程中，总可以找到同位相各点的几在波的传播过程中，总可以找到

10、同位相各点的几 何位置，这些点的轨迹是一个等位相面，叫做波面。惠何位置，这些点的轨迹是一个等位相面，叫做波面。惠 更斯曾提出次波的假设来阐述波的传播现象，建立了惠更斯曾提出次波的假设来阐述波的传播现象，建立了惠 更斯原理惠更斯原理可表述如下：更斯原理惠更斯原理可表述如下：任何时刻波面上的任何时刻波面上的 每一点都可作为次波的波源，各自发出球面次波；在以每一点都可作为次波的波源，各自发出球面次波；在以 后的任何时刻，所有这些次波面的包络面形成整个波在后的任何时刻，所有这些次波面的包络面形成整个波在 该时刻的新波面。该时刻的新波面。5 5 2021-5-512 波的反射、折射、干涉、衍射波的反射、

11、折射、干涉、衍射 （以光波为例）（以光波为例） 光的反射光的反射：光到达两种物质分：光到达两种物质分 界面上改变传播方向返回原界面上改变传播方向返回原 物质中的现象。物质中的现象。 光的折射光的折射：光在两种物质分界：光在两种物质分界 面上传播方向发生改变进入另面上传播方向发生改变进入另 一种物质中的现象。一种物质中的现象。 2021-5-513 干涉、衍射干涉、衍射 波的独立传播原理：波的独立传播原理：几列波可以保持各自的特点（频率、几列波可以保持各自的特点（频率、 波长、振动、振动方向等）同时通过同一介质，好像在波长、振动、振动方向等）同时通过同一介质，好像在 各自的传播过程中没有遇到其它

12、波一样。各自的传播过程中没有遇到其它波一样。2 波的叠加原理：波的叠加原理：波的这种独立性，使得当几列波在空间波的这种独立性，使得当几列波在空间 的某一点相遇时，每列波都单独引起介质中该处质元的的某一点相遇时，每列波都单独引起介质中该处质元的 振动，并不因其他波的存在而有所改变，因此该质元实振动，并不因其他波的存在而有所改变，因此该质元实 际的振动就是各列波单独存在时所引起该质元的各个振际的振动就是各列波单独存在时所引起该质元的各个振 动的叠加。动的叠加。 1、2 2021-5-514 波的干涉波的干涉：满足一定条件的：满足一定条件的 两列波叠加时，在叠加区域两列波叠加时，在叠加区域 某些地方

13、强度始终增强，某某些地方强度始终增强，某 些地方强度始终减弱的现象。些地方强度始终减弱的现象。 （相干条件（相干条件:振动方向相同，振动方向相同， 频频 率相同，相位差恒定）率相同，相位差恒定）3 2021-5-515 相干光的获得方法相干光的获得方法 用单色性好的点光源，把光线分成两部分，然后再用单色性好的点光源，把光线分成两部分，然后再 叠加。（取自同一原子的同一次发光）叠加。（取自同一原子的同一次发光） 1.分波前法分波前法 （杨氏双缝干涉）（杨氏双缝干涉） 2.分振幅法分振幅法 （薄膜干涉）（薄膜干涉） 2021-5-516 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 1801年英国医生兼物理学家托马年

14、英国医生兼物理学家托马 斯斯.杨（杨（T. Young，1773-1829）做了一）做了一 个实验，奠定了光的波动说的实验基个实验，奠定了光的波动说的实验基 础，这就是光学发展史上著名的杨氏础，这就是光学发展史上著名的杨氏 双缝干涉实验。双缝干涉实验。 2021-5-517 2021-5-518 Interference in Thin Films 2021-5-519 2021-5-520 Interference in soap bubble / A thin film of oil floating on water 2021-5-521 2021-5-522 波的衍射：波的衍射：波在传

15、播过程中遇到障碍物偏离直线传播，波在传播过程中遇到障碍物偏离直线传播， 绕到障碍物后面去的现象。绕到障碍物后面去的现象。（ 衍射条件：衍射条件：入射波波长入射波波长 大于或等于大于或等于障碍物、孔或缝的大小）障碍物、孔或缝的大小）4 2021-5-523 课堂作业课堂作业 1. 电磁波主要成员包括哪些？电磁波主要成员包括哪些？ 2. 几列波相遇会发生几列波相遇会发生 ，其中满，其中满 足足 , ， ，三个条件的两列波会发生，三个条件的两列波会发生 。 两列相干光产生的图像是两列相干光产生的图像是 。 3. 在日常经验中，为什么声波的衍射比光波的衍射更加显在日常经验中，为什么声波的衍射比光波的衍

16、射更加显 著？著？ 2021-5-524 1. 电磁波主要成员包括哪些？电磁波主要成员包括哪些？ 无线电波、红外线、可见光、紫外线、无线电波、红外线、可见光、紫外线、 X X射线、射线、 射线射线 课堂作业订正课堂作业订正 2、几列波相遇会发生、几列波相遇会发生 波的叠加波的叠加 ，其中满足，其中满足 频率相频率相 同同 ， 振动方向相同振动方向相同 ， 相位差恒定相位差恒定 三个条件的两三个条件的两 列波会发生列波会发生 波的干涉波的干涉 。两列相干光产生的图像是。两列相干光产生的图像是 明暗相间的等间距条纹明暗相间的等间距条纹 。 2021-5-525 课堂作业课堂作业订正订正 3. 在日

17、常经验中，为什么声波的衍射比光波的衍射更加显在日常经验中，为什么声波的衍射比光波的衍射更加显 著？著？ 答：答： 波的衍射是指波在传播过程中遇到障碍物偏离直波的衍射是指波在传播过程中遇到障碍物偏离直 线传播，绕到障碍物后面去的现象。线传播，绕到障碍物后面去的现象。 衍射条件是障碍衍射条件是障碍 物、孔或缝的大小与波长接近或更小。光波波长是物、孔或缝的大小与波长接近或更小。光波波长是 0.8微米之间，而声波波长是几米微米之间，而声波波长是几米几十米，比光几十米，比光 波波长大得多，且与日常生活物体尺寸接近，所以很波波长大得多，且与日常生活物体尺寸接近，所以很 容易发生衍射。容易

18、发生衍射。 2021-5-526 1 1、光的微粒说、光的微粒说 2 2、光的波动性、光的波动性 3 3、光的波粒二象性、光的波粒二象性 光电效应光电效应 历史背景历史背景 辐射：是波还是粒子？辐射：是波还是粒子？ 4 4、波尔公式、波尔公式 光的共振吸收光的共振吸收 激光原理激光原理 5 5、多普勒效应、多普勒效应 2021-5-527 18901890年前后，科学年前后，科学 家们开始注意到：家们开始注意到：当可见光和其当可见光和其 它电磁辐射照在一块金属表面上它电磁辐射照在一块金属表面上 时，这些辐射能够从金属表面打时，这些辐射能够从金属表面打 出电子，这就是光电效应。出电子，这就是光电

19、效应。6 6 2021-5-528 电磁波辐射理论对光电效电磁波辐射理论对光电效 应的定性解释是：应的定性解释是：振动的振动的 电磁场对金属表面的带电粒子电磁场对金属表面的带电粒子 施加一个振动力。电磁场越来施加一个振动力。电磁场越来 越厉害地摇晃这些粒子直到结越厉害地摇晃这些粒子直到结 合最松散的电子被摇下来。合最松散的电子被摇下来。 2021-5-529 经典理论的这种解释遇到的两点麻烦：经典理论的这种解释遇到的两点麻烦： 1、 实验上没有观察到辐射抵达金属表面与首批电子发射实验上没有观察到辐射抵达金属表面与首批电子发射 之间的之间的时间延迟时间延迟。即使光很弱，电子仍然在光照到金属表。即

20、使光很弱，电子仍然在光照到金属表 面的瞬间就打出电子来。面的瞬间就打出电子来。 2、 只有在光的频率高于某一只有在光的频率高于某一截止频率截止频率（红限频率红限频率）时才）时才 有电子发射。频率低于截止频率的光打不出电子来，不论有电子发射。频率低于截止频率的光打不出电子来，不论 光的强度有多强，也不论照射多长时间。但是频率高于截光的强度有多强，也不论照射多长时间。但是频率高于截 止频率的光，即使光很弱，也能打出电子。此时增加光强，止频率的光，即使光很弱，也能打出电子。此时增加光强， 能打出更多的电子。能打出更多的电子。 2021-5-530 1.1.实验证明光电效应瞬时发生实验证明光电效应瞬时

21、发生 2.2.只有当照射光频率大于极限频率（或叫阈值频率）只有当照射光频率大于极限频率（或叫阈值频率） 时，才会产生光电流时，才会产生光电流 3.3.光电子有初动能，其大小与入射光频率成正比光电子有初动能，其大小与入射光频率成正比. . 2021-5-531 爱因斯坦用爱因斯坦用“能量子能量子”理论的解释理论的解释 1 1、电磁辐射能量是量子化的，它由能量子（光子）、电磁辐射能量是量子化的，它由能量子（光子） 组成，量子化的能量正比于频率组成，量子化的能量正比于频率 Eh 普朗克常数普朗克常数 34 6.62610h 焦耳 秒 2 2、爱因斯坦的光电效应方程、爱因斯坦的光电效应方程 2 mV

22、m hW 1 2 阈值频率：使电子刚能逸出金属表面的光子频率有一阈值频率：使电子刚能逸出金属表面的光子频率有一 个下限，对应于此时电子速度为零。个下限，对应于此时电子速度为零。 min hW 2021-5-532 金属金属逸出功逸出功WW （电子伏特）（电子伏特） 极限波长极限波长 max max （微米）（微米） 原子电离能原子电离能 （电子伏特）（电子伏特） 钾钾 K K510.5514.3184.318 钠钠 NaNa2.292.290.5410.5415.125.12 锂锂 LiLi2.692.690.4610.4615.3635.363 钙钙 CaCa3.203

23、.200.3870.3876.096.09 镁镁 MgMg3.673.670.3380.3387.617.61 铬铬 CrCr4.374.370.2840.2846.746.74 钨钨 WW4.544.540.2740.2748.18.1 铜铜 CuCu4.364.360.2840.2847.687.68 银银 AgAg4.634.630.2680.2687.5427.542 金金 AuAu4.804.800.2580.2589.189.18 若干金属的逸出功若干金属的逸出功WW、 max max和原子电离能 和原子电离能 2021-5-533 19141914年，美国物理学家密立根研究发现遏

24、止电压确年，美国物理学家密立根研究发现遏止电压确 实与频率成正比，有线性关系。实与频率成正比，有线性关系。 22 00 Vmv Vmv mm ekbhWe 11 22 2021-5-534 光不但有波性，也有粒子性，光在传播时显出波光不但有波性，也有粒子性，光在传播时显出波 性，在与物质相互作用而转移能量时表现出粒子性，性，在与物质相互作用而转移能量时表现出粒子性， 两者不会同时显现出来两者不会同时显现出来 2021-5-535 2021-5-536 2021-5-537 2 m m vhW 1 2 min hW max c hW max 93 1.24 2.25 1.241010 0.55

25、2.25 hcnm keV WeV m eV um eV 8 14 min 6 max 3.0 10/ 5.4 10 0.55 10 cm s Hz m 解： 【例题例题1】试计算能通过光电效应从金属钾中打出电子所需试计算能通过光电效应从金属钾中打出电子所需 的光子最小能量及其相应的最小频率（阈值频率）和最大波的光子最小能量及其相应的最小频率（阈值频率）和最大波 长。长。已知金属钾的逸出功为已知金属钾的逸出功为2.25电子伏特，电子伏特，hc1.24纳米纳米.千电子伏特。千电子伏特。 2021-5-538 方法二： 8 max 14 min 3.0 10/ 0.55 5.4 10 cm s u

26、m Hz 2 m m vhW 1 2 min 34 2.25 h6.624 10 WeV J s 所以 19 14 34 2.25 1.6 10 5.4 10 6.624 10 J Hz J s min hW 2021-5-539 【例题例题2】已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最 大动能是大动能是 1.2 eV，而钠的红限波长是，而钠的红限波长是 540 nm，那么入射光，那么入射光 的波长是的波长是 nm。 hc1.24纳米纳米.千电子伏特千电子伏特 eVnmhc nm hc E hc W hc hWE hc h km km 1240 355

27、 10540 1031063. 6 106 . 12 . 1 1031063. 6 9 834 19 834 0 0 0 注：注： 2021-5-540 思考题思考题 某金属表面被蓝光照射时有电子逸出，若增某金属表面被蓝光照射时有电子逸出，若增 加蓝光的强度，则加蓝光的强度，则 （A）单位时间内逸出的光电子数增加。（）单位时间内逸出的光电子数增加。（B） 逸出的电子的初动能增加。（逸出的电子的初动能增加。（C）光电效应的）光电效应的 红限频率变小。（红限频率变小。（D）打出电子所需的）打出电子所需的 时间缩短。时间缩短。 黄光的波长为黄光的波长为570nm，试计算它的频率和组成，试计算它的频率

28、和组成 它的光子能量。它的光子能量。 （5.26x1014Hz, 3.49x10-19J) 2021-5-541 课堂作业课堂作业 某金属表面被蓝光照射时有电子逸出，若增加蓝光的强度，某金属表面被蓝光照射时有电子逸出，若增加蓝光的强度， 则则 （A）单位时间内逸出的光电子数增加。）单位时间内逸出的光电子数增加。 （B）逸出的电子的初动能增加。）逸出的电子的初动能增加。 （C）光电效应的红限频率变小。）光电效应的红限频率变小。 （D）打出电子所需的时间缩短。）打出电子所需的时间缩短。 2021-5-542 黄光的波长为黄光的波长为570nm，试计算它的频率和组成它的光子，试计算它的频率和组成它的

29、光子 能量。能量。 （5.26x1014Hz, 3.49x10-19J) 课堂作业课堂作业 8 14 9 3.0 10/ 5.26 10 570 10 cm s Hz m 解：解： 3414 19 6.626 105.26 10 3.49 10 EhJ SHz J 2021-5-543 课堂作业课堂作业 6、试计算能通过光电效应从金属钾中打出、试计算能通过光电效应从金属钾中打出0.25电子伏电子伏 特的电子，必须使用多少波长的电磁波辐射？特的电子，必须使用多少波长的电磁波辐射？(已知金已知金 属钾的逸出功为属钾的逸出功为2.25电子伏特，电子伏特，hc1.24纳米纳米.千电子千电子 伏特。伏特

30、。) 4、为什么紫外线能杀伤你的皮肤中的细胞而可见光却、为什么紫外线能杀伤你的皮肤中的细胞而可见光却 不会？不会？ 5、当波长为、当波长为450nm的蓝光射到金属钠上时，从金属钠的蓝光射到金属钠上时，从金属钠 上打出的光电子动能是多少？上打出的光电子动能是多少？ （已知金属钠的逸出功（已知金属钠的逸出功 为为2.29电子伏特，电子伏特，hc1.24纳米纳米.千电子伏特。千电子伏特。 ） 2021-5-544 课堂作业课堂作业 4、为什么紫外线能杀伤你的皮肤中的细胞而可见光却不、为什么紫外线能杀伤你的皮肤中的细胞而可见光却不 会？会？ 答：光子的能量为答：光子的能量为 ，紫外线频率较可见光大，紫

31、外线频率较可见光大， 相应组成它的光子的能量高，且刚好能杀伤生命细胞。相应组成它的光子的能量高，且刚好能杀伤生命细胞。 Eh 2021-5-545 5 5、当波长为当波长为450nm的蓝光射到金属钠上时，从金属钠上的蓝光射到金属钠上时，从金属钠上 打出的光电子动能是多少？（已知金属钠的逸出功为打出的光电子动能是多少？（已知金属钠的逸出功为 2.29电子伏特，电子伏特，hc1.24纳米纳米.千电子伏特。千电子伏特。 ） 课堂作业课堂作业 解：解： 2 m m vhW 1 2 2 m hc vW 1 2 1.24 2.29 450 0.47 nmkeV eV nm eV 2021-5-546 6

32、6、试计算能通过光电效应从金属钾中打出试计算能通过光电效应从金属钾中打出0.250.25电子伏特电子伏特 的电子，必须使用多少波长的电磁波辐射？的电子，必须使用多少波长的电磁波辐射？( (已知金属已知金属 钾的逸出功为钾的逸出功为2.25电子伏特，电子伏特，hc1.24纳米纳米.千电子伏千电子伏 特。特。) 2 m m vhW 1 2 2 m hc vW 1 2 2 93 1.24 0.252.25 m 1.241010 0.496 2.5 hcnm keV eVeV vW m eV um eV 1 2 解：解： 2021-5-547 爱因斯坦认为，辐射永远以一爱因斯坦认为，辐射永远以一 个个

33、小包、小粒子的形式出现。他个个小包、小粒子的形式出现。他 把这些辐射粒子称为光子。把这些辐射粒子称为光子。 光子和实物粒子不同：它们携光子和实物粒子不同：它们携 带一份能量以光速运动；它们的静带一份能量以光速运动；它们的静 止质量为零；振动的带电粒子产生止质量为零；振动的带电粒子产生 光子。光子。 光子像下雨一样落在金属表面上，打出电子，就像光子像下雨一样落在金属表面上，打出电子，就像 机关枪的子弹从混凝土墙上打下混凝土块一样。按照这机关枪的子弹从混凝土墙上打下混凝土块一样。按照这 种观点，我们预料当首批光子打到金属表面时就立刻有种观点，我们预料当首批光子打到金属表面时就立刻有 电子飞出来。电

34、子飞出来。 2021-5-548 光子携带能量的允许值：光子携带能量的允许值： E = h 入射光子能量入射光子能量 = 逸出功逸出功 +逸出电子初动能逸出电子初动能 2 1 2 hWmv 红限频率对应光电子初动能等于红限频率对应光电子初动能等于 0 ，所以，所以 0 W h h h h 2021-5-549 用光电效应方程解释实验结论： 1、当电子逸出金属表面的速度为0时，有 hv=w，电子吸收的能量 hv刚好克服金属表面的束缚w，若 ，电子吸收的能量 不够大，电子就跑不出来，所以有一个下限 。 2、因为光是量子的，电子吸收光子能量的过程，可看成是发生一 个弹性碰撞，所以打出电子的时间极短（

35、无能量积累的过程） 2 m in 1 () 2mV hv v 3、由方程 知， 光电子动能大小与两频率之差成正比的，与光强无关。 4、入射光强的大小由两个因素决定： a.光频率：b.光子数目。 当hv大于w，即确定的v光照射，光强越大，出射的光电子数 越多。 2 min 1 () 2 mVvv min hvhv min v 2021-5-550 n对某种金属，电子逸出金属表面所需的能量称为“逸 出功”，用W表示，单位是电子伏特ev, 表示一个电子 在1伏电压下加速所获得的能量，所以是能量单位，能 量的国际单位是？ n注：每种金属的逸出功W是不一样的。 19 11.6 10evJ n通过一个光电

36、方程就把光电效应所有的实验规律解释 清楚了，突破点在于假设光的量子性。 n爱因斯坦因为发现光电效应的规律，获得了1921年的 物理诺贝尔奖。 连续的光波由一粒粒的光子组成连续的光波由一粒粒的光子组成 2021-5-551 1015 Hz每个光子的能量：每个光子的能量： E = h = 6.610 34 Js 1015 s 1 = 6.610 19 J N = 1000J / 6.610 19J 1021 约有约有10万亿亿个光子。万亿亿个光子。 【例题例题】在晴朗的白天，照射每平方米地球表面的太阳光每在晴朗的白天，照射每平方米地球表面的太阳光每 秒钟携带的能量有秒钟携带的能量有 1000 J

37、. 估计估计 1 s 内撞击内撞击 1 m2 地球表面地球表面 的光子数目。的光子数目。 2021-5-552 【例例】已知金属铯的逸出功为已知金属铯的逸出功为1.91.9电子伏特（电子伏特（hchc 1.241.24纳米纳米. .千电子伏特），试问千电子伏特），试问（1 1）金属铯的光）金属铯的光 电效应阈频率及其相应波长为多少？并指出是电效应阈频率及其相应波长为多少？并指出是 什么电磁辐射。（什么电磁辐射。（2 2）如果要得到能量为）如果要得到能量为2.12.1电电 子伏的光电子，必须使用多少波长的光照射？子伏的光电子，必须使用多少波长的光照射？ 并指出这种波长属于什么电磁辐射。并指出这种

38、波长属于什么电磁辐射。 2021-5-553 max 1.24 0.653um 1.9 hcnm keV WeV 8 14 min 6 max 3.0 10/ 4.6 10 0.653 10 cm s Hz m 解：解： 【例例】已知金属铯的逸出功为已知金属铯的逸出功为1.91.9电子伏特（电子伏特（hchc1.241.24纳米纳米. . 千电子伏特），试问千电子伏特），试问（1 1）金属铯的光电效应阈频率及其）金属铯的光电效应阈频率及其 相应波长为多少？并指出是什么颜色的光。（相应波长为多少？并指出是什么颜色的光。（2 2）如果要）如果要 得到能量为得到能量为2.12.1电子伏的光电子，必须

39、使用多少波长的光电子伏的光电子，必须使用多少波长的光 照射？并指出这种波长属于什么颜色的光。照射？并指出这种波长属于什么颜色的光。 红光红光 2021-5-554 （2） 2 m m vhW 1 2 2 m hc vW 1 2 2 1.24 0.31um 2.11.9 m hcnm keV eVeV vW 1 2 紫外线紫外线 【思考题思考题】已知金属铯的逸出功为已知金属铯的逸出功为1.91.9电子伏特（电子伏特（hchc1.241.24 纳米纳米. .千电子伏特），试问千电子伏特），试问（1 1）金属铯的光电效应阈频率）金属铯的光电效应阈频率 及其相应波长为多少？并指出是什么颜色的光。（及其

40、相应波长为多少？并指出是什么颜色的光。（2 2）如）如 果要得到能量为果要得到能量为2.12.1电子伏的光电子，必须使用多少波长电子伏的光电子，必须使用多少波长 的光照射？并指出这种波长属于什么颜色的光。的光照射？并指出这种波长属于什么颜色的光。 2021-5-555 例：光电效应中，某金属的逸出功为 2ev，入射光波长为 厘米， 求打出的光电子的动能？ 8 4200 10 2021-5-556 8 1500 10例：光电效应中，波长为 厘米 的光照在某一金属上，能得到动能为 5ev的光电子，问此金属的逸出功应为 多少？ 2021-5-557 例：假设某种金属的光电效应阈值频率在 光谱的黄光区

41、域。红外线和紫外线都射 到这块金属的表面上，其中什么颜色的 光将把电子从这个表面打出？ 2021-5-558 历史背景历史背景 量子理论创立于量子理论创立于2020世纪初至世纪初至3030年代。年代。 量子理论是对辐射和实物的行为、特别是微观层量子理论是对辐射和实物的行为、特别是微观层 次上的行为的详尽描述。次上的行为的详尽描述。 其核心观念是：其核心观念是：大自然在微观层次上是不连续的或大自然在微观层次上是不连续的或 “量子化量子化”的，这同大自然在一切层次上都是光滑的的，这同大自然在一切层次上都是光滑的 或连续的牛顿式假设相反。或连续的牛顿式假设相反。 2021-5-559 普朗克（普朗克

42、（M. Planck, 1858-M. Planck, 1858- 19471947）德国理论物理学家，量子论的德国理论物理学家，量子论的 奠基人，被德国科学界誉为奠基人，被德国科学界誉为“帝国的帝国的 科学首相科学首相”。早在。早在18991899年，普朗克在年，普朗克在 研究辐射热力动力学时，就提出了一研究辐射热力动力学时，就提出了一 个新的普适常数个新的普适常数h h，该常数后来称为，该常数后来称为 基本作用量子，现称普朗克常数。基本作用量子，现称普朗克常数。 2021-5-560 普朗克于普朗克于18581858年年4 4月月2323日出生于德国日出生于德国 基尔。从小就在音乐、文学及

43、数学等方基尔。从小就在音乐、文学及数学等方 面显露了才华，但最终选择了科学。面显露了才华，但最终选择了科学。 18771877年在柏林大学获得博士学位，先后年在柏林大学获得博士学位，先后 在多座大学任教。在多座大学任教。18891889年接替导师基尔年接替导师基尔 霍夫继任柏林大学科学讲座教授，直到霍夫继任柏林大学科学讲座教授，直到 19261926年退休。年退休。 2021-5-561 1900 1900年年1212月月1414日普朗克在德国物理日普朗克在德国物理 学会年会上做了一个有历史意义的报告，学会年会上做了一个有历史意义的报告， 题目是题目是正常光谱辐射能的分布理论正常光谱辐射能的分

44、布理论， 提出了量子论。这一天就成了提出了量子论。这一天就成了 量子物理的诞生日。普朗克提出的能量子概念是非常新奇的，量子物理的诞生日。普朗克提出的能量子概念是非常新奇的， 它揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全它揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全 新领域。假设具有划时代的意义，于新领域。假设具有划时代的意义，于19181918年被授予年被授予NobelNobel物物 理学奖，从而肯定了他对物理学发展的不朽贡献。理学奖，从而肯定了他对物理学发展的不朽贡献。 2021-5-562 普朗克的一生与音乐结下了不解之缘，普朗克的一生与音乐结下了不解之缘， 他是钢琴家、风琴

45、手，又是音乐指挥家。他是钢琴家、风琴手，又是音乐指挥家。 直到他逝世的当天，仍像平时那样每天直到他逝世的当天，仍像平时那样每天 弹一小时钢琴。音乐促进了他的创造性弹一小时钢琴。音乐促进了他的创造性 思维的发展。思维的发展。 19471947年年1010月月4 4日普朗克在哥廷根逝世，享年日普朗克在哥廷根逝世，享年8989岁。他的坟岁。他的坟 墓上只有一块长方形条石，上部刻了他的名字，下部刻了墓上只有一块长方形条石，上部刻了他的名字，下部刻了 “ h=6.62h=6.62 10-27erg.s10-27erg.s”的字样。的字样。 2021-5-563 2021-5-564 热辐射热辐射 任何物

46、体都具有不断任何物体都具有不断辐射、吸辐射、吸 收收电磁波的本领。辐射出去的电磁电磁波的本领。辐射出去的电磁 波在各个波段是不同的，也就是具波在各个波段是不同的，也就是具 有一定的谱分布。这种谱分布与物有一定的谱分布。这种谱分布与物 体本身的特性及其温度有关，因而体本身的特性及其温度有关，因而 这种辐射就称之为这种辐射就称之为热辐射热辐射。另外，。另外， 一切物体在向外界发射辐射能的同一切物体在向外界发射辐射能的同 时也吸收周围物体发出的辐射能。时也吸收周围物体发出的辐射能。 2021-5-565 以白炽灯为例，灯丝通以电流后，当温度以白炽灯为例，灯丝通以电流后，当温度 T 800 KT 80

47、0 KT800 K时，灯丝微微发红，继续升高温度，灯时，灯丝微微发红，继续升高温度，灯 丝由暗红变橙黄，再变白，当温度极高时，灯丝呈青白色丝由暗红变橙黄，再变白，当温度极高时，灯丝呈青白色 ，即达到所谓的，即达到所谓的“白炽化白炽化”，同时我们感到灯丝灼热逼人，同时我们感到灯丝灼热逼人 。以上事例说明：。以上事例说明： 温度升高，辐射的总能量增加。温度升高，辐射的总能量增加。 温度升高，辐射能量更多地向短波部分分布。温度升高，辐射能量更多地向短波部分分布。 2021-5-566 为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物 体黑体(black body)，以此作为热辐射

48、研究的标准物体。 -一个物体如果能完全吸收投射到其表面的任一个物体如果能完全吸收投射到其表面的任 何波长的辐射能，既不反射，也不透射，我们称这种物体为何波长的辐射能，既不反射，也不透射，我们称这种物体为 ，简称，简称。绝对黑体是一种理想化的模型，用不绝对黑体是一种理想化的模型，用不 透明的材料制成的一个有小孔的空腔，可以视为绝对黑体。透明的材料制成的一个有小孔的空腔，可以视为绝对黑体。 如：山洞、窗口、炉膛等。如：山洞、窗口、炉膛等。 2021-5-567 2021-5-568 如下图所示，太阳辐射谱如下图所示，太阳辐射谱-大气层外的太阳辐射曲线同大气层外的太阳辐射曲线同 5900K5900K

49、的黑体辐射曲线类似。太阳光穿入大气层时被大气吸的黑体辐射曲线类似。太阳光穿入大气层时被大气吸 收，水汽和二氧化碳在红外区强烈吸收太阳辐射，臭氧在紫收，水汽和二氧化碳在红外区强烈吸收太阳辐射，臭氧在紫 外区强烈吸收太阳辐射。外区强烈吸收太阳辐射。 2021-5-569 4-2-84 0 KmW1067. 5 ),()( TdTMTM BB Km10898. 2 3 m b bT 单色辐出度单色辐出度辐射出射度辐射出射度 2021-5-570 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律是黑体辐射玻耳兹曼定律和维恩位移定律是黑体辐射 的基本定律，它们在现代科学技术上具有极广泛的应用的基本定律，它们在现代

50、科学技术上具有极广泛的应用 ，是测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。，是测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。 如：太阳单色辐出度最大处波长如：太阳单色辐出度最大处波长 m m 0.490.49 m m T=5900KT=5900K 宇宙背景辐射宇宙背景辐射 m m0.1cm T =2.7K0.1cm T =2.7K “辐射高温计辐射高温计”，“炉火纯青炉火纯青”等等等等 2021-5-571 能量子假说：能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子， 这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只谐

51、振子只 能处于某些分立的能量状态能处于某些分立的能量状态，在这些状态中，谐振子的，在这些状态中，谐振子的 能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的 能量是某一最小能量能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：（称为能量子）的整数倍，即： , 1, 2, 3, . n. n, 1, 2, 3, . n. n为正整数，称为量子数。为正整数，称为量子数。 2021-5-572 在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典 电动力学理论，得到黑体的单色辐出度，即普朗克公式。电动力学理论，得到

52、黑体的单色辐出度，即普朗克公式。 能量能量 量子量子 经典经典 称称为为量量子子数数为为正正整整数数 ,.,2,1,0 nnnh n 2021-5-573 一个振动物体的能量由于某种原因只能取特一个振动物体的能量由于某种原因只能取特 定的一组允许值，这是牛顿物理学无法解释的一定的一组允许值，这是牛顿物理学无法解释的一 种限制。今天我们仍然不知道其原因。种限制。今天我们仍然不知道其原因。 在物理学中，一个普适常数的发现往往要引出在物理学中，一个普适常数的发现往往要引出 整套的理论。整套的理论。如果说普适的光速如果说普适的光速 c 引出了狭义相对引出了狭义相对 论，那么普朗克常数论，那么普朗克常数

53、 h 则引出了量子论。则引出了量子论。 牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观 决定论的宇宙观决定论的宇宙观 相对论的时空观相对论的时空观 量子论的宇宙观量子论的宇宙观 2021-5-574 1 1、光的微粒说、光的微粒说 2 2、光的波动性、光的波动性 3 3、光的波粒二象性、光的波粒二象性 4 4、波尔公式、波尔公式 光的共振吸收光的共振吸收 激光原理激光原理 波尔公式波尔公式 激光原理激光原理 5 5、多普勒效应、多普勒效应 2021-5-575 4、 1） 1 E 2 E 3 E E 原子定态能级示意图 原子定态原子定态：一个远离其：一个远离其 它物质的分子或原子，它物质的分子或原子， 都处

54、在一系列不连续的都处在一系列不连续的 （分立的或离散的）稳（分立的或离散的）稳 定的能量状态。定的能量状态。 2021-5-576 1n 2n 3n 4n 5n 58.13 40. 3 51. 1 85. 0 54. 0 2021-5-577 h h 受激吸收 自发辐射 h 21 波尔公式 E E 1 E 2 E 2021-5-578 【例题例题】 已知氢原子两个能级为已知氢原子两个能级为-13.58eV-13.58eV和和-3.4eV-3.4eV，氢，氢 原子从基态受激吸收到高能级，所吸收光子的波长应该原子从基态受激吸收到高能级，所吸收光子的波长应该 是多少？（组合常数：是多少？（组合常数：

55、hchc1.241.24纳米纳米. .千电子伏特）千电子伏特） 解： h 21 波尔公式 E E c h 21 E E 93 1.2 3.4( 13.58) 1.241010 0.11 ( 3.413.58) hcnm keV eVeV m eV um eV 21 E E 2021-5-579 9 9、已知某原子两个能级为、已知某原子两个能级为-1.51eV-1.51eV和和-0.54eV-0.54eV，求该原，求该原 子从高能级自发辐射到低能级放出光子的能量、频率、子从高能级自发辐射到低能级放出光子的能量、频率、 波长。（组合常数：波长。（组合常数：hchc1.241.24纳米纳米. .千电

56、子伏特）千电子伏特） 课堂作业课堂作业 2021-5-580 9 9、已知某原子两个能级为、已知某原子两个能级为-1.51eV-1.51eV和和-0.54eV-0.54eV，求该原子，求该原子 从高能级自发辐射到低能级放出光子的能量、频率、从高能级自发辐射到低能级放出光子的能量、频率、 波长。（组合常数：波长。（组合常数：hchc1.241.24纳米纳米. .千电子伏特）千电子伏特） 课堂作业解答课堂作业解答 h 21 波尔公式 E E 解：解： 0.54( 1.51)0.97heVeVeV 21 E=E E 19 3434 14 0.970.97 1.6 10 6.626 106.626 1

57、0 2.3 10 EeVJ hJ SJ S Hz 8 6 14 3.0 10/ 1.30 10 2.3 10 cm s m Hz 2021-5-581 辐射：是波还是粒子？辐射：是波还是粒子？ 我们应该放弃光的波动理论吗？我们应该放弃光的波动理论吗？ 光的干涉图样光的干涉图样是光波的直接证据，它要求用波动理是光波的直接证据，它要求用波动理 论来解释。论来解释。 但但光电效应光电效应又需要一个粒子理论。又需要一个粒子理论。 辐射的这种相互矛盾的波粒二象性，爱因斯坦提出辐射的这种相互矛盾的波粒二象性，爱因斯坦提出 的光是由光子组成、光子能量为的光是由光子组成、光子能量为E = h 2021-5-5

58、82 光的双缝实验：光的双缝实验：单个光源发出的光经过两个狭缝，在屏单个光源发出的光经过两个狭缝，在屏 幕上生成亮纹与暗纹相间的干涉图样。幕上生成亮纹与暗纹相间的干涉图样。 2021-5-583 如果我们用非常弱的光做实验，并选择不同的曝光时间，如果我们用非常弱的光做实验，并选择不同的曝光时间， 感光底片上的记录显示：一幅干涉图样是由大量的单个光感光底片上的记录显示：一幅干涉图样是由大量的单个光 子撞击底片形成的。子撞击底片形成的。 曝光时间很短，底片曝光时间很短，底片 上显示了上显示了14个光子的个光子的 撞击。光点不能用波撞击。光点不能用波 动理论解释，而是光动理论解释，而是光 由光子构成

59、的证据。由光子构成的证据。 单个光子撞击底片的地点是随单个光子撞击底片的地点是随 机的，光子决不会打到干涉图机的，光子决不会打到干涉图 样的暗区，而是优先选择打在样的暗区，而是优先选择打在 干涉图样未来的亮纹上。一幅干涉图样未来的亮纹上。一幅 干涉图样是由大量的单次撞击干涉图样是由大量的单次撞击 生成的统计图样。生成的统计图样。 2021-5-584 爱因斯坦提出光子具有能量后，于1917年又进一步 提出了光子也应该具有动量 P。 是波动性的一种量度， E,P 是粒子性的一种量度。 Eh h p . 光在传播过程中显波动性（干涉和衍射特 性），而在与物质相互作用时显粒子性（光电 效应和康普顿效

60、应），即光具有波粒二象性。 2021-5-585 n试求对应于波长为1nm的光子的 能量和动量。 2021-5-586 爱因斯坦指出，对于统计的平均现象，光表现为波动；对于瞬时爱因斯坦指出，对于统计的平均现象，光表现为波动；对于瞬时 的涨落现象，光则表现为粒子。即光在传播过程中主要表现为的涨落现象，光则表现为粒子。即光在传播过程中主要表现为 ，光在与物质相互作用时主要表现为，光在与物质相互作用时主要表现为。光具有波粒二象性。光具有波粒二象性 。 在任何一次实验中，光的波动性和粒子性都不会同时出现，产生在任何一次实验中，光的波动性和粒子性都不会同时出现，产生 矛盾，发生直接冲突。但波动和粒子两种