大学物理下量子力学基础01

1、量 子 力 学基 础物理学物理学力学力学热学热学电磁学电磁学光学光学时间时间 t1600 1700 1800 19001.电子的发现：电子的发现：2.X射线的发现：射线的发现：3.放射性的发现：放射性的发现：重要意义：打开了原子世界大门！重要意义：打开了原子世界大门！重要意义：重要意义：X射线是什么？电磁波还是粒子？重要的应用！射线是什么？电磁波还是粒子？重要的应用！重要意义：打开原子核的大门，原子核会裂变原子能！重要意义：打开原子核的大门，原子核会裂变原子能！近年来的发展：近年来的发展：* 粒子物理粒子物理 高能加速器产生新粒子，已发现高能加速器产生新粒子，已发现300种。种。 麦克斯韦理论

2、、狄拉克量子电动力学、重整化方法。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。*天体物理天体物理 运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球 进行观进行观 测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、量测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、量 子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。* 非平衡热力学及统计物理非平衡热力学及统计物理 * 学科之间的大综合。学科之间的大综合。* 相互渗透结合成边缘学科。相互渗透结合成边缘学科。二十世纪物理学中两个重要的概念：场和对称性二十世纪物理学中两个重要的概念：场和对

3、称性 光电效应光电效应 康普顿效应。康普顿效应。 黑体辐射问题，即所谓黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难紫外灾难”。 原子的线光谱和原子结构。原子的线光谱和原子结构。 这张照片是这张照片是1927年第年第五届索尔维会议五届索尔维会议 ( 布鲁塞布鲁塞尔尔 ) 参加者的合影。索尔参加者的合影。索尔维是一个很像诺贝尔的人，维是一个很像诺贝尔的人，本身既是科学家又是家底本身既是科学家又是家底雄厚的实业家，万贯家财雄厚的实业家，万贯家财都捐给科学事业。诺贝尔都捐给科学事业。诺贝尔是设立了以自己名字命名是设立了以自己名字命名的科学奖金，索尔维则是的科学奖金，索尔维则是提供了召开世界最高水平提供了召开世界最高

4、水平学术会议的经费。这就是学术会议的经费。这就是索尔维会议的来历。索尔维会议的来历。 1.彼得德拜彼得德拜（Petrus Josephus Wilhelmus Debye）美国物理化学家。）美国物理化学家。1884年出生于荷兰。年出生于荷兰。1901年进入德国亚琛工业大学学习电气工程，年进入德国亚琛工业大学学习电气工程， 1905年获电子工程师学位，年获电子工程师学位，。1966年逝世。年逝世。 （William Henry Bragg，18621942） 英国物理学家。英国物理学家。是现代固体物理学的奠基人之一。是现代固体物理学的奠基人之一。父子两代父子两代同获一个诺贝尔奖，这在历史上恐怕是

5、绝无仅有的。同获一个诺贝尔奖，这在历史上恐怕是绝无仅有的。(Albert Einstein，1879-1955)，举世闻名的德裔美国科学家，举世闻名的德裔美国科学家，现代物理学的开创者和奠基人。现代物理学的开创者和奠基人。 。他的名字与相对论密不可分，其实，他的名字与相对论密不可分，其实，相对论包括两种理论：其一是他相对论包括两种理论：其一是他1905年提出声狭义相对论；其二是他年提出声狭义相对论；其二是他1915年提出的广义相对论。后者，我们最年提出的广义相对论。后者，我们最好称之为爱因斯坦引力论。好称之为爱因斯坦引力论。 爱因斯坦爱因斯坦1900年毕业于苏黎士工业大学，年毕业于苏黎士工业大

6、学，1909年开始在大学任教，年开始在大学任教，1914年任年任威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。后被迫移居美国，威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。后被迫移居美国，1940年入美国籍。十九世纪年入美国籍。十九世纪末期是物理学的变革时期，爱因斯坦从实验事实出发，从新考查了物理学的基本概念，在末期是物理学的变革时期，爱因斯坦从实验事实出发，从新考查了物理学的基本概念，在理论上作出了根本性的突破。他的一些成就大大推动了天文学的发展。他的量子理论对天理论上作出了根本性的突破。他的一些成就大大推动了天文学的发展。他的量子理论对天体物理学、特别是理论天体物理学都有很大的影响。理论天体物理学的第一个

7、成熟的方体物理学、特别是理论天体物理学都有很大的影响。理论天体物理学的第一个成熟的方面面恒星大气理论，就是在量子理论和辐射理论的基础上建立起来的。恒星大气理论，就是在量子理论和辐射理论的基础上建立起来的。近近年来发现越来越多的高能物理现象，狭义相对论已成为解释这种现象的一种最基本的理论年来发现越来越多的高能物理现象，狭义相对论已成为解释这种现象的一种最基本的理论工具。其广义相对论也解决了一个天文学上多年的不解之谜，并推断出后来被验证了的光工具。其广义相对论也解决了一个天文学上多年的不解之谜，并推断出后来被验证了的光线弯曲现象，还成为后来许多天文概念的理论基础。线弯曲现象，还成为后来许多天文概念

8、的理论基础。 爱因斯坦对天文学最大的贡献莫过于爱因斯坦对天文学最大的贡献莫过于他的宇宙学理论。他创立了相对论宇宙学，建立了静态有限无边的自洽的动力学宇宙模型，他的宇宙学理论。他创立了相对论宇宙学，建立了静态有限无边的自洽的动力学宇宙模型，并引进了宇宙学原理、弯曲空间等新概念，大大推动了现代天文学的发展。并引进了宇宙学原理、弯曲空间等新概念，大大推动了现代天文学的发展。 ( Paul Ehrenfest, 18801933) 荷兰物理学家。如果说，玻尔的对应原荷兰物理学家。如果说，玻尔的对应原理是在经典物理学和量子力学之间架起的一座桥梁，那么，埃伦费斯特的浸渐原理则是理是在经典物理学和量子力学之

9、间架起的一座桥梁，那么，埃伦费斯特的浸渐原理则是两者之间的又一座桥梁。埃伦费斯特是奥地利人，在维也纳大学听过玻尔兹曼讲授热的两者之间的又一座桥梁。埃伦费斯特是奥地利人，在维也纳大学听过玻尔兹曼讲授热的分子运动论。分子运动论。1904年获博士学位后从事统计物理学研究。鉴于他出色的理论素养，洛仑年获博士学位后从事统计物理学研究。鉴于他出色的理论素养，洛仑兹在兹在1912年推荐他接任自己在荷兰莱顿大学的教授职务。此后，埃伦费斯特一直在莱顿年推荐他接任自己在荷兰莱顿大学的教授职务。此后，埃伦费斯特一直在莱顿大学主持工作。大学主持工作。 1913年，埃伦费斯特提出一条原理：两相互以浸渐变换联系的体系年，

10、埃伦费斯特提出一条原理：两相互以浸渐变换联系的体系A、B之间存在如下关系：无限缓慢变化的一个或几个参量，可以使不同体系在它们之间相之间存在如下关系：无限缓慢变化的一个或几个参量，可以使不同体系在它们之间相互导出。这些参量，埃伦费斯特称为浸渐不变量。互导出。这些参量，埃伦费斯特称为浸渐不变量。 浸渐原理揭示了量子化条件的奥秘。浸渐原理揭示了量子化条件的奥秘。 因为玻尔在不久前提出的量子化条件式：因为玻尔在不久前提出的量子化条件式：2W/=nh及由此推出的角动量量子化条件及由此推出的角动量量子化条件M=nh/2都是埃伦费斯特的浸渐不变量。都是埃伦费斯特的浸渐不变量。 5.保罗狄拉克保罗狄拉克（pa

11、ul adrien maurice dirac，19021984）英国物理学）英国物理学家。家。1930年，他用数学方法描述电子运动规律时，发现电子的电荷可以年，他用数学方法描述电子运动规律时，发现电子的电荷可以是负电荷、也可以是正电荷的。狄拉克猜想，在自然界中可能存在一种是负电荷、也可以是正电荷的。狄拉克猜想，在自然界中可能存在一种“反常的反常的”带正电荷的电子。带正电荷的电子。 6.薛定谔薛定谔（erwin schrodinger，1887-1961）奥地利理论物理学家，与爱）奥地利理论物理学家，与爱因斯坦、玻尔、玻恩、海森伯等一起于因斯坦、玻尔、玻恩、海森伯等一起于20世纪世纪20年代后

12、期，发展了量子年代后期，发展了量子力学。力学。 7. 康普敦康普敦（Arthur Holly Compton 18921962）. 19221923年间研究了年间研究了x射射线经金属或石墨等物质散射后的光谱线经金属或石墨等物质散射后的光谱. 1923年他发表了年他发表了X射线被电子散射所引起的频率变小现象，即康普顿效应，这射线被电子散射所引起的频率变小现象，即康普顿效应，这是近代物理学的一大发现。按经典波动理论，静止物体对波的散射不会改变是近代物理学的一大发现。按经典波动理论，静止物体对波的散射不会改变频率。而按爱因斯坦光量子说这是两个频率。而按爱因斯坦光量子说这是两个“粒子粒子”碰撞的结果。

13、光量子在碰撞碰撞的结果。光量子在碰撞时不仅将能量传递而且也将动量传递给了电子，它进一步证实了爱因斯坦的时不仅将能量传递而且也将动量传递给了电子，它进一步证实了爱因斯坦的光子理论，揭示出光的二象性。光子理论，揭示出光的二象性。 （wolfgang pauli，19001958），美籍奥地利科学家，是迎着），美籍奥地利科学家，是迎着20世纪世纪一同来到世界的，父亲是维也纳大学的物理化学教授，教父是奥地利的物理学家兼哲学一同来到世界的，父亲是维也纳大学的物理化学教授，教父是奥地利的物理学家兼哲学家。其家。其，为周期表奠定了理论基础。其发表了，为周期表奠定了理论基础。其发表了“不相容原理不相容原理”：

14、原子：原子中不可能有两个或两个以上的电子处于同一量子态这一原理使当时许多有关原子结构中不可能有两个或两个以上的电子处于同一量子态这一原理使当时许多有关原子结构的问题得以圆满解决，对所有实体物质的基本粒子（通常称之为费米子，如质子、中子、的问题得以圆满解决，对所有实体物质的基本粒子（通常称之为费米子，如质子、中子、夸克等）都适用，构成了量子统计力学夸克等）都适用，构成了量子统计力学费米统计的基点。费米统计的基点。 9.海森伯海森伯（werner karl heisenberg 19071976）德国理论物理学家，量子力学第一种有）德国理论物理学家，量子力学第一种有效形式（矩阵力学）的创建者。海森

15、伯鉴于玻尔原子模型所存在的问题，抛弃了所有的效形式（矩阵力学）的创建者。海森伯鉴于玻尔原子模型所存在的问题，抛弃了所有的原子模型，而着眼于观察发射光谱线的频率、强度和极化，利用矩阵数学，将这三者从原子模型，而着眼于观察发射光谱线的频率、强度和极化，利用矩阵数学，将这三者从数学上联系起来，从而提出微观粒子的不可观察的力学量，如位置、动量应由其所发光数学上联系起来，从而提出微观粒子的不可观察的力学量，如位置、动量应由其所发光谱的可观察的频率、强度经过一定运算（矩阵法则）来表示。他和玻尔等合作，建立了谱的可观察的频率、强度经过一定运算（矩阵法则）来表示。他和玻尔等合作，建立了量子理论第一个数学描述量

16、子理论第一个数学描述矩阵力学。矩阵力学。 10.玻恩，玻恩，(max born 18821970)德国理论物理学家，量子力学的德国理论物理学家，量子力学的奠基人之一。奠基人之一。 1915年起任洪堡大学理论物理学教授。年起任洪堡大学理论物理学教授。(bohr niels)1885年年10月月7日生于丹麦首都哥本哈根，日生于丹麦首都哥本哈根， 玻尔早在大学作硕士论文和博士论文时，就考玻尔早在大学作硕士论文和博士论文时，就考察了金属中的电子运动，并明确意识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷，赞赏普朗克和爱因斯坦在电磁理察了金属中的电子运动，并明确意识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷，赞赏

17、普朗克和爱因斯坦在电磁理论方面引入的量子学说论方面引入的量子学说在玻尔离开曼彻斯特大学以前，曾向卢瑟福呈交了一份论文提纲，引入了定态的概念，给出了定态应满足的量在玻尔离开曼彻斯特大学以前，曾向卢瑟福呈交了一份论文提纲，引入了定态的概念，给出了定态应满足的量子条件回到哥本哈根后，子条件回到哥本哈根后，1913年初，年初，有朋友建议他研究原子结构，应很好地联系和应用当时已有的丰富而精确的有朋友建议他研究原子结构，应很好地联系和应用当时已有的丰富而精确的光谱学资料，这使他思路大开通过对光谱学资料的考察，玻尔的思维和理论有了巨大的飞跃，使他写出了光谱学资料，这使他思路大开通过对光谱学资料的考察，玻尔的

18、思维和理论有了巨大的飞跃，使他写出了“论原论原子构造和分子构造子构造和分子构造”的长篇论著，的长篇论著，提出了量子不连续性，成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质提出了量子不连续性，成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质1921年，年，玻尔发表了玻尔发表了“各元素的原子结构及其物理性质和化学性质各元素的原子结构及其物理性质和化学性质”的长篇演讲，阐述了光谱和原子结构理论的新发展，诠的长篇演讲，阐述了光谱和原子结构理论的新发展，诠释了元素周期表的形成，对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明，同时对周期表上的第释了元素周期表的形成，对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明，同时对

19、周期表上的第72号元素的性号元素的性质作了预言。质作了预言。1922年，发现了这种元素铪，证实了玻尔预言的正确年，发现了这种元素铪，证实了玻尔预言的正确1922年玻尔获诺贝尔物理学奖。年玻尔获诺贝尔物理学奖。 Max Karl Ernst Ludwig Planck 18581947）近代伟大的德国物理学）近代伟大的德国物理学家，量子论的奠基人。家，量子论的奠基人。根据普朗根据普朗克的量子论，能量并非以连续的形式而存在，克的量子论，能量并非以连续的形式而存在，而是以个别而是以个别“小包小包”的形式存在，这些不连的形式存在，这些不连续的续的“小包小包”被称为能量子或量子。量子是被称为能量子或量子

20、。量子是大小不一的，它们随着各量子的放射频率的大小不一的，它们随着各量子的放射频率的不同而变化。量子的大小与频率之间的比例不同而变化。量子的大小与频率之间的比例常数可以用一个常数来代表，这个常数就是常数可以用一个常数来代表，这个常数就是当今物理学上的普朗克常数。当今物理学上的普朗克常数。 由于他的理论打破了经典物理学的旧体系，许多物理学家起初都拒绝接受它。直到由于他的理论打破了经典物理学的旧体系，许多物理学家起初都拒绝接受它。直到1913年，年，丹麦物理学权威尼尔斯丹麦物理学权威尼尔斯波尔用量子论第一次成功地计算出光谱的特殊谱线的位置时，普波尔用量子论第一次成功地计算出光谱的特殊谱线的位置时，

21、普朗克理论的伟大意义才被人们所公认。朗克理论的伟大意义才被人们所公认。在量子化概念的引导下，微观物理学迅速发展为。在量子化概念的引导下，微观物理学迅速发展为20世纪物理学世纪物理学的主流，并为后来的爱因斯坦在这一理论上的推进和突破打下了坚实的基础。凭借敢于创的主流，并为后来的爱因斯坦在这一理论上的推进和突破打下了坚实的基础。凭借敢于创新的精神和所取得的开拓性成果，普朗克得到了极大的荣誉。新的精神和所取得的开拓性成果，普朗克得到了极大的荣誉。1918年，他得到了物理学的年，他得到了物理学的最高荣誉奖最高荣誉奖诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。 （Marie Curie 18671934是最著名的女

22、物理学家。她曾两次获是最著名的女物理学家。她曾两次获诺贝尔奖，诺贝尔奖，1903年的物理奖，年的物理奖，1911年的化学奖。她受教育较晚，于年的化学奖。她受教育较晚，于1893年获年获物理学位，物理学位，1894年获数学学位，年获数学学位，1903年获博士学位。局里夫人以放射性作为年获博士学位。局里夫人以放射性作为论文题目，她研究了很多物质，发现钍及其化合物的特性与铀相同。研究沥论文题目，她研究了很多物质，发现钍及其化合物的特性与铀相同。研究沥青铀矿时，她发现了镭和仆。青铀矿时，她发现了镭和仆。1910年她成功的分离了纯镭。居里夫人对巴黎年她成功的分离了纯镭。居里夫人对巴黎的局里实验室的建立作

23、出很大贡献。的局里实验室的建立作出很大贡献。 （hendrik antoon lorentz18531928）荷兰物理）荷兰物理学家、数学家学家、数学家1853年年7月月18日生日生于阿纳姆于阿纳姆1870年入莱顿大学学年入莱顿大学学习数学、物理学，习数学、物理学，1875年获博士年获博士学位学位25岁起任莱顿大学理论物岁起任莱顿大学理论物理学教授，达理学教授，达35年。年。 洛伦兹是经洛伦兹是经典电子论的创立者。他认为电具典电子论的创立者。他认为电具有有“原子性原子性”，电的本身是由微，电的本身是由微小的实体组成的后来这些微小小的实体组成的后来这些微小实体被称为电子洛伦兹以电子实体被称为电子

24、洛伦兹以电子概念为基础来解释物质的电性质概念为基础来解释物质的电性质.从电子论推导出运动电荷在磁场从电子论推导出运动电荷在磁场中要受到力的作用，即洛伦兹中要受到力的作用，即洛伦兹力力 他把物体的发光解释为原子内部电子的振动产生的这样当光源放在磁场中时，光源的原子内电他把物体的发光解释为原子内部电子的振动产生的这样当光源放在磁场中时，光源的原子内电子的振动将发生改变，使电子的振动频率增大或减小，导致光谱线的增宽或分裂子的振动将发生改变，使电子的振动频率增大或减小，导致光谱线的增宽或分裂1896年年10月，洛伦月，洛伦兹的学生塞曼发现，在强磁场中钠光谱的兹的学生塞曼发现，在强磁场中钠光谱的D线有明

25、显的增宽，即产生塞曼效应，证实了洛伦兹的预线有明显的增宽，即产生塞曼效应，证实了洛伦兹的预言塞曼和洛伦兹共同获得言塞曼和洛伦兹共同获得1902年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 （Paul Langevin，18721946），），1872年年1月月23日生于巴黎，法国日生于巴黎，法国著名的物理学家。于著名的物理学家。于1905年发表顺磁性年发表顺磁性的经典理论。一次世界大战期间，朗之的经典理论。一次世界大战期间，朗之万用压电效应激发的石英板，在水下成万用压电效应激发的石英板，在水下成功地发射了声波，并接收到了海底的回功地发射了声波，并接收到了海底的回声，研制出第一台水声设备声，研制出第一台

26、水声设备测深仪。测深仪。以后，根据这种原理制造出译名叫以后，根据这种原理制造出译名叫“”（sonar）的设备，可用来发现海面）的设备，可用来发现海面下的潜水艇、礁石及其他水下目标。现下的潜水艇、礁石及其他水下目标。现在，利用近代的信息理论，结合电子技在，利用近代的信息理论，结合电子技术，研究声波在海水中的发射、传播和术，研究声波在海水中的发射、传播和接收的问题，已形成一门内容十分丰富接收的问题，已形成一门内容十分丰富的近代声学科学的近代声学科学水声学。水声学。 当把铁块加热时当把铁块加热时,随着温度的不断升高随着温度的不断升高,它的颜它的颜色由暗红变为赤红、橙色、而最后变成黄白色。色由暗红变为

27、赤红、橙色、而最后变成黄白色。热辐射：热辐射：能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射。能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射。1 黑体：黑体：能完全吸收照射到表面的各种能完全吸收照射到表面的各种频率的光而不发生任何反射和投射的频率的光而不发生任何反射和投射的物体称黑体。物体称黑体。平衡热辐射：平衡热辐射：如果如果在同一时间内从物体表在同一时间内从物体表面辐射的电磁波的能量和它吸收的电磁波面辐射的电磁波的能量和它吸收的电磁波的能量相等，物体的辐射就处于温度一定的能量相等，物体的辐射就处于温度一定的热平衡状态的热平衡状态辐射出射度辐射出射度M ( ) ： 单位单位 时间内从物体单位表面积发出的频率

28、在时间内从物体单位表面积发出的频率在附近单位附近单位频率区间的电磁波的能量。频率区间的电磁波的能量。一、黑体辐射及其基本规律一、黑体辐射及其基本规律光谱吸收比光谱吸收比 ( )： 在温度为在温度为T时，物体表面吸收的频率在时，物体表面吸收的频率在 +d 区间的辐射区间的辐射能量占全部入射的该区间的辐射能量的份额，称做物体的能量占全部入射的该区间的辐射能量的份额，称做物体的光谱吸收比。光谱吸收比。单位：单位：W/m2Hz钨丝钨丝M (10-9W/(m2. HZ) 太阳太阳M (10-8W/(m2. HZ)钨丝钨丝（2750K）10864210-14Hz钨丝和太阳的钨丝和太阳的M 和和 的关系曲线

29、的关系曲线太阳太阳（5800K）可见光可见光4819世纪末，许多物理学家欲从理论上导出世纪末，许多物理学家欲从理论上导出 黑体的单黑体的单色辐射出射度色辐射出射度 M( ) 和和 的关系式。的关系式。dvevcdvvMTvc/312)(在紫外极限实验结果吻合较好。在紫外极限实验结果吻合较好。dvvckTdvvM222)(123JK1038. 1k玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数在长波长、高温度条件下与实验结果吻合较好，但在紫外极在长波长、高温度条件下与实验结果吻合较好，但在紫外极限下限下, 能量密度趋于无穷。能量密度趋于无穷。10-14Hz6543210MT=2000K实验曲线和普朗克公式实验曲线和普

30、朗克公式维恩公式维恩公式瑞利瑞利金斯公式金斯公式 普朗克公式普朗克公式dvvehvcdvvMTkhv2/2)1(2)(sJ1062620.634h在长波长与瑞利金斯公式一致，在紫外极限下与维恩公式一致。在长波长与瑞利金斯公式一致，在紫外极限下与维恩公式一致。在全波长范围与实验结果吻合很好。在全波长范围与实验结果吻合很好。Max Karl Ernst Ludwig Plank1858-1947The Nobel Prize in Physics 1918Wilhelm Wien1864-1928The Nobel Prize in Physics 19111、斯特藩、斯特藩 波尔兹曼定律：波尔兹

31、曼定律：40)(TdvvMM)Km/(W1067051. 54282、维恩位移、维恩位移 定律：定律：TCmK/Hz10880. 510C1800130016001050 /m1234M（、T） 黑体辐射的实验曲线黑体辐射的实验曲线 黑体辐射的理论曲线黑体辐射的理论曲线Rayleigh-JeansPlankWienM ( ) 曲线曲线2 一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律如图所示，为光电效应如图所示，为光电效应的基本装置。的基本装置。S：真空的玻璃容器真空的玻璃容器m：石英玻璃窗石英玻璃窗A：阳极阳极K：阴极（金属板）阴极（金属板）UGmSAK或者说：单位时间内从金属表面逸出的或者说

32、：单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光强成正比光电子数目与入射光强成正比1、光电效应的实验规律（实验结果）、光电效应的实验规律（实验结果）Is称为饱和光电流称为饱和光电流U0称为称为 遏止电压（遏止电压（I=0 的电压）的电压）U0312UIIS0U03U02U01312UIIS00UaU020021mVeU由上图可知由上图可知:I=0时有时有aUKU0截止电压与入射光频率有线性关系截止电压与入射光频率有线性关系aeUeKmV2021实验证明：实验证明：Ua对不同金属有不同值对不同金属有不同值, e Ua称逸出功称逸出功aeUeKmV2021由由可知，只有当可知，只有当KUa/从金属表

33、面逸出的电子才具有初动能，即产生光电效应。从金属表面逸出的电子才具有初动能，即产生光电效应。只要只要 ，则在光照射金属表面，则在光照射金属表面 后，几乎立即就后，几乎立即就有光电子逸出，与光的强度无关。有光电子逸出，与光的强度无关。 KUa/金属金属截止频率截止频率Hz10/1404.545 5.508.065 11.53铯铯 钠钠 锌锌 铱铱 铂铂 19.29 * 经典认为经典认为光强越大，饱和电流应该大，光强越大，饱和电流应该大，光电子的初光电子的初 动能也该大，即动能也该大，即。但实验上光电。但实验上光电 子初动能只与频率有关子初动能只与频率有关()，而与光强无关。，而与光强无关。* 只

34、要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率 低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认 为为 。 * 瞬时性。瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，经典认为光能量分布在波面上，即需能量的积累过程，即需能量的积累过程 。二、二、 经典理论的困难经典理论的困难三、三、 爱因斯坦的光量子假说爱因斯坦的光量子假说1、爱因斯坦光量子假说：光子论、爱因斯坦光量子假说：光子论假设：一束光是一粒一粒以速度假设：一束光是一粒一粒以速度c运动的粒子流，这些运动的粒子流，这些 粒子称光子，但它们仍保留频率、波长的概念粒子

35、称光子，但它们仍保留频率、波长的概念认为光不仅在与物质相互作用时（发射和吸收）具有粒认为光不仅在与物质相互作用时（发射和吸收）具有粒子性，而且在传播过程中也有粒子性。子性，而且在传播过程中也有粒子性。一个频率为一个频率为 的光子具有能量的光子具有能量 ，其中其中h为普朗克常数，值为：为普朗克常数，值为：hsJh341063. 6由相对论知识可知：由相对论知识可知：/22hchcEPchcEmhE可见：光子即具有粒子特性可见：光子即具有粒子特性m 、P，又具有波动性又具有波动性 、 我们我们 将这将这 种波动性和粒子性并存的性质称为种波动性和粒子性并存的性质称为。光的光的 波动性（波动性（ ）

36、和粒子性和粒子性 （p）是通过普是通过普 朗克常数联系在一起的。朗克常数联系在一起的。2、用光量子假说解释光电效应、用光量子假说解释光电效应（1）由）由 可看出，光子的初动能可看出，光子的初动能AhmV2021与光的频率成正比，而与光强无关。与光的频率成正比，而与光强无关。该式称为该式称为由能量守恒得：由能量守恒得： A为逸出功为逸出功AhmV2021（2）当入射光子的能量小于逸出功时，光电子的初动）当入射光子的能量小于逸出功时，光电子的初动 能为零，不能逸出；只有当能为零，不能逸出；只有当hA时，才能产生光时，才能产生光 电效应。截止频率电效应。截止频率=A/h（3） 光的强弱只表明光子数的

37、多少，而光子的能量恒光的强弱只表明光子数的多少，而光子的能量恒 定。一个光子的能量是一次地被电子吸收，所以，定。一个光子的能量是一次地被电子吸收，所以， 只要只要hA，电子吸收光子即逸出，具有瞬时性。电子吸收光子即逸出，具有瞬时性。3 3 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 例例1 设有一半径为设有一半径为 的薄圆片，它距的薄圆片，它距光源光源1.0m . 此光源的功率为此光源的功率为1W，发射波长为

38、发射波长为589nm的单色光的单色光 . 假定光源向各个方向发射的能量是相同假定光源向各个方向发射的能量是相同的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数 .m100 . 13解解:2623m10)m100 . 1 (S172sJ105 . 24rSPE111s104 . 7hcEhEN 探测探测器器石石墨墨 X射线射线入射光入射光 波长波长 散射光散射光 波长波长 （波长）（波长）04590135（相对强度）（相对强度）I001.在散射在散射X 射线中除有与入射波射线中除有与入射波长相同的射线外，还有波长比入长相同的射线外，还有波长比入射波长更长的射线

39、射波长更长的射线 .2.波长的增加量波长的增加量 与散射角与散射角 有关。有关。03.当散射角当散射角 确定时，波长的确定时，波长的增加量增加量 与散射物质的性质与散射物质的性质无关。无关。4.散射的强度与散射物质有关。散射的强度与散射物质有关。原子量小的散射较强，即正常峰原子量小的散射较强，即正常峰较低。反之相反。较低。反之相反。 经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率频率 . 经典理论无法解释波长变化经典理论无法解释波长变化 .000vxy光子光子电子电子（1 1）物理模型物理模型四四 量子解释量子解释xy电子电子光子光子 电子反冲

40、速度很大，需用电子反冲速度很大，需用相对论动力学相对论动力学来处理来处理. . 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. . 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. . heV101054hE 范围为：范围为：（2）理论分析理论分析xy00echechvme0e2200mchcmhvvmechech00动量守恒动量守恒2002)(cmvhmcechechm00v动量守恒动量守恒:2002)(cmvhmc(1)2420020022220242)(22cmh

41、cmhhhcm(3)cos2202222220222chchchmvechechm00v(2)2(4)(2)cos1 (2)1 (020024202242hcmhcmccmv(3)(4): 康普顿波长康普顿波长 nm1043. 2m1043. 23120Ccmh)(2)cos1 (2)1 (020024202242hcmhcmccmv2/ 1220)/1 (cmmv2sin2)cos1 (200cmhcmh 康普顿公式康普顿公式)cos1 (00cmhcc实验总结的结果实验总结的结果:2sin220KnmK00241. 0 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0, 0Cmax2)(, 散射光子能量减小散射光子能量减小00,)