光子能量为h课件

第五册第一章量子物理基础1近代物理（20世纪）

相对论

1905

狭义相对论

1916

广义相对论—

引力、天体

量子力学

A旧量子论的形成（冲破经典—量子假说）

1900Planck

振子能量量子化

1905Einstein

电磁辐射能量量子化

2

1913N.Bohr

原子能量量子化B、量子力学的建立（崭新概念）

1923deBroglie

电子具有波动性

1926-27Davisson,G.P.Thomson

电子衍射实验

1925Heisenberg

矩阵力学

1926Schroedinger

波动方程

1928Dirac

相对论波动方程3注意：1)

自觉摆脱经典的束缚注重实验事实2)

处理好形象与抽象的关系新理论是在原有的理论基础上发展起来的所以在极限情况下可以回到原有的理论但量子范围内的很多概念找不到经典的对应是一个全新的领域人们认识自然的过程决定的4第一章§1-1黑体辐射5并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的分布与温度有关。一、热辐射1.热辐射现象物体既会向外辐射能量，也会吸收外界的辐射能量。当物体的温度不随时间改变称为热平衡。辐射和吸收的能量恰相等时称为平衡热辐射各种物体在任何温度下都要向外辐射各种波长的电磁波，这种由于物质中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。6（1）单色辐出度2.基尔霍夫定律1.几个概念如果从物体单位表面上发射的、波长在到＋d之间的辐射功率为,则与d之比称为单色辐出度。是温度Ｔ和波长的函数，常写成。它描述了物体热辐射的能量按不同波长分布的情况。7或按频率定义单位时间内从物体单位表面向前方半球发出的频率在

附近单位频率间隔内的电磁波的能量（单位时间内）

T单位面积8

从物体单位表面积上发射的各种波长辐射的总功率。描写物体在温度T时向外辐射能量本领的物理量。辐出度仅是温度的函数。（２）总辐出度M(T)（３）吸收比当物体表面受到辐射时，被物体吸收的能量与入射能量之比称为吸收比。

波长在从到＋d间隔范围内的吸收比称为单色吸收比。用表示。9在热平衡下，任何物体的单色辐出度与单色吸收比的比值与物体的性质无关，对于所有物体，这个比值是波长和温度的普适函数。２.基尔霍夫定律1859年基尔霍夫证明：平衡态时黑体辐射只依赖于物体的温度与构成黑体的材料形状无关基尔霍夫定律10３.黑体辐射1.绝对黑体是指在任何温度下，全部吸收任何波长的辐射的物体。根据基尔霍夫定律，黑体既是完全的吸收体，也是理想的发射体。对于任意温度或波长，绝对黑体的吸收比都恒为1。

可把一个开小孔的不透光空腔看成黑体。11

由空腔辐射体的单色辐出度与波长的能谱曲线可知：1）每一条曲线都有一个极大值,对应的波长为λm。2）随着温度的升高，黑体的总辐出度迅速增大，并且曲线的极大值点逐渐向短波方向移动。维恩根据经典热力学得出一个经验公式：维恩公式维恩公式在短波部分与实验结果吻合得很好，但长波却不行。12瑞利和琼斯用能量均分定理和电磁理论得出瑞利—琼斯公式：瑞利-琼斯维恩理论值

瑞利—琼斯公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在紫外区竟算得单色辐出度为无穷大—所谓的“紫外灾难”。

利用经典理论无法解释黑体辐射现象。正如1900年开耳文指出的晴朗的物理学理论大厦上空，飞来“两朵乌云”之一，它动摇了经典物理的基础。实验T=1646k13

1900年德国物理学家普朗克在维恩位移定律和瑞利--金斯公式之间用内插法建立一个普遍公式：式中：k为玻尔兹曼常数，h称为普朗克常数。普朗克公式这个公式与实验结果完全符合。写成波长形式：实验维恩理论值T=1646k瑞利-琼斯普朗克理论值14①.金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子。这些振子可以吸收或辐射能量。②.空腔壁上带电谐振子所吸收或发射的能量只能是h的整数倍。普朗克常数h=6.626×10－34JS*振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量*存在着能量的最基本单元（能量子=h);为了能够从理论上推导出这个公式，普朗克提出了一个与经典物理学概念截然不同的“能量子”假设：二、普朗克的能量子假设15普朗克由于提出能量子假设，为此获1918年诺贝尔物理学奖。根据普朗克能量子假设，可以从理论上推导出普朗克公式。例1：一质点弹簧系统，质量为1kg，振幅A=1cm,设弹簧弹性系数k=20kg/m，。求：若系统的能量量子化量子数是多少？量子数改变一个单位能量变化的百分比是多少？。解：振动频率为由得161.斯特藩-玻耳兹曼公式三、黑体辐射的两个定律斯特藩发现黑体辐出度M(T)与绝对温度的四次方成正比。斯特藩玻耳兹曼常量：σ=5.67×10－8Wm－2K－4辐射出的总能量将随温度升高而迅速增大。2.维恩位移公式维恩发现黑体单色辐出度最大值相对应的波长与温度的关系。17维恩位移公式指出：随着温度的升高，单色辐出度的峰值向短波方向移动。例：（1）温度为室温（20°C）的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？（2）辐出度是多少？解：（1）由维恩位移定律（2）由斯特藩-玻耳兹曼定律181.测量黑体温度在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。2.光学高温计----光测高温高温炉灯丝目镜聚焦透镜四、黑体辐射的应用15191886-1887年赫兹在做电磁波实验时发现用紫光照射电极时比较容易发射电磁波，进而发现了光电效应。201887年赫兹在做电磁波实验时发现了光电效应。1.什么是光电效应当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。如小锌球在紫外线照射下会失去负电荷带上正电。由于金属表面的电子吸收外界的光线后，克服金属的束缚而逸出金属表面的现象。一、光电效应由于半导体表面的电子吸收外界的光子，使其导电性能增强的现象。外光电效应内光电效应21光线经石英窗照在阴极上时有电子逸出----光电子。光电子在电场作用下形成光电流。当A加正向电压，电流增加，到一定值时达到饱和。光线越强，饱和光电流越大。p9调节电阻，使电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。当K、A间加反向电压达到某一值Uc

时，光电流恰为0。Uc称反向截止电压。2.光电效应的实验规律1.光电效应实验阳极阴极2223二.光电效应实验规律与经典理论矛盾之处经典认为光强越大，电磁场的幅度越大，光电子的初动能也该大。但实验上光电子初动能只与频率有关。2、存在截止频率0----红限：对于各种金属材料，都相应有一确定的截止频率0

。

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，无论光线再强也没有光电流。而经典理论认为有光线照射，电子就会吸收能量，时间足够长，就可以产生光电流。有无光电效应和光的照射时间有关，不应与频率有关。1、反向截止电压Uc

与光强无关，和入射光的频率成正比。p10243、光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间<10-9s。经典理论认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。瞬时光电子发射违背经典理论的规律。3.爱因斯坦的光量子假设为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论。1.光量子假设光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。频率为的光是由大量能量为=h光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。25在光电效应实验中：电子吸收了光子的能量，一部分提供给电子逸出金属表面的功A，另一部分变为光电子的动能Ek0。由能量守恒可得出：初动能及反向截止电压与成正比，而与光强无关。(1)由得2.爱因斯坦光电效应方程3.光电效应的解释式中：A为电子逸出金属表面所需作的功，称为逸出功；为光电子的最大初动能。26(2)截止频率0（红限）的解释:当入射光频率

>0

时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。不同金属具有不同的截止频率。（3）光电流正比于光强的解释光强正比于单位时间流过单位面积的光子数。光强越大，光子数越多。金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光强越大，光电子越多，光电流越大。但是光子的能量小于逸出功时无光电流。入射光频率低于0时，光子能量小于(h<A)

逸出功，无光电子产生。27（4）光电效应瞬时性的解释电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。例1：铂的逸出功为6.3eV，求铂的截止频率0

。解：λ=196nm28例2：钾的截止频率0

=4.621014Hz，以波长=435.8nm的光照射，求钾放出光电子的初速度。解：美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。4.光电效应理论的验证29由相对论光子的质能关系光子的质量5.光子的质量、能量和动量由相对论质速关系有所以，光子的静止质量为零。光子的能量就是动能。由狭义相对论能量和动量的关系式光子的能量和动量的关系式为：光子的动量：30例：求波长为20nm紫外线光子的能量、动量及质量。解：能量动量质量31二、康普顿效应1.光的散射光束通过某些介质时，可以看到光的散射现象。2.康普顿效应

1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长

0

和散射物质都无关。32实验发现散射的光子能量减少，频率下降，波长增加。2.波长变化与关系见p18图33波长的改变量满足如下关系：这种波长改变的散射称为康普顿效应。式中：Λ=2.4×10－12m称为康普顿波长，它表示散射角为90o时，散射波长改变的值。经典理论无法解释康普顿效应。经典理论认为：物质中的电子会随入射光以相同的频率振动，并向外辐射，即散射光的频率与入射光频率相等。而无法解释有Δλ

存在的实验规律。34

X射线是由一些能量为=h的光子组成，并且这些光子与自由电子发生完全弹性碰撞，X-ray3.康普顿效应的光量子理论解释在轻原子中，原子核对电子的束缚较弱，可以把电子看作是静止的自由电子。碰撞前：光子能量为ho，动量为h/λ0；电子的能量为moc2，动量为零。碰撞后：光子散射角为，光子能量为h，动量为h/λ；电子飞出的方向与入射光子的夹角为，它的能量为，动量为