昆工-物理-光的量子性市公开课一等奖省赛课获奖

*§20－1热辐射基尔霍夫定律*§20－2绝对黑体辐射定律§20－3普朗克量子假设§20－4光电效应爱因斯坦光子假设§20－5康普顿效应第二十章光量子性第1页2、了解光电效应、康普顿效应及其试验规律。1、了解经典理论碰到困难和普朗克能量子假设。3、会用爱因斯坦光子理论解释光电效应和康普顿效应。教学要求：第2页

在十七世纪到十九世纪，经典物理学取得了很大成就，正当物理学家为经典物理学成就感到满意时，物理学碰到了前所未有困难。

迈克耳孙—莫雷试验否定了绝对参考系存在；

用经典物了解释热辐射现象时，出现了所谓“紫外光灾难”。

放射现象说明原子不是物质基本单元，原子是可分。

为了处理这些问题，一些物理学家摆脱经典物理束缚，重新思索物理学基本概念，艰难地建立起近代物理基本思想。第3页一、热辐射现象2、平衡热辐射:辐射与吸收平衡,温度恒定.1、热辐射:决定于物体温度电磁辐射.3、描述热辐射物理量单色辐射强度：在单位时间内从物体表面单位面积上、单位波长间隔内所辐射出能量。总辐射能：在单位时间内从物体表面单位面积上辐射各种波长能量.§20-1、20-2热辐射黑体辐射定律第4页4、单色吸收比和单色反射比单色吸收比单色反射比对不透明物体1、黑体:辐射(吸收)能力最强物体,能全部吸收一切外来辐射。二、黑体辐射第5页

普通来说，入射到物体上电磁辐射，只有一部分被吸收，另一部分则被反射。黑体是一个理想化模型，可构想有一个物体，它能吸收一切外来电磁辐射，这个物体称为黑体。黑体

人造黑体模型:不透明材料制成带小孔空腔。第6页1)意义:温度为T黑体,在单位时间,单位面积上,单位波长间隔所辐射出能量.定量说明了辐射强度大小。2、黑体单色辐射强度(单色辐出度)2)测定黑体试验原理1、斯特藩—玻尔兹曼定律：由黑体试验曲线能够看出:1)黑体分布规律是温度T函数,与材料无关。三、黑体辐射定律第7页2)温度T时,在单位时间、单位面积上总辐射能：1879年,斯特藩从试验中发觉此规律,五年后玻尔兹曼从理论上得到：第8页2、维恩位移定律

曲线峰值对应1893年,维恩得到他们之间关系：表明:向短波方向移动;向高频方向移动。第9页K1750K1300K1250K四、瑞利—金斯公式经典物理困难瑞利—金斯从经典理论得到：e0第10页作出理论曲线与试验曲线比较：1)在低频(长波)部分符合很好；2)在高频(紫外)部分出现巨大分歧.试验指出:理论得到:第11页

普朗克量子假设：黑体是由许许多多谐振子组成，谐振子能量只能取分离不连续值，它们是最小能量整数倍。在黑体中有各种频率谐振子，对频率为谐振子来说，=h，h为普朗克常数，所以频率为谐振子能量为：依据以上假设，普朗克推出了黑体辐射公式：普朗克公式§20－3普朗克量子假设第12页普朗克公式与试验曲线吻合得很好。普朗克假设与经典物理有根本性矛盾：（1）经典物理认为：谐振子能量不受限制，能量吸收或发射是边续。（2）普朗克假设认为：谐振子能量是量子化，即能量只能是最小能量h整数倍。谐振子能量吸收和发射是不连续，是一份一份进行。普朗克圆满地解释了黑体辐射现象，成为了当代量子理论开端。第13页一、试验装置1、K—阴极,A—阳极,电子从KA在电路中形成光电流。2、光电效应:在入射光照射下,电子取得能量从金属表面逸出。3、遏止电压:电子能从KA,说明电子含有动能;加反向电压当此时:4、饱和光电流:加正向电压,使逸出金属表面电子全部抵达阳极A,此时光电流为最大值。§20—4光电效应爱因斯坦光子假设第14页

当波长较短可见光或紫外光照射到一些金属表面上时，金属中电子就会从照射光中吸收能量而从金属表面逸出，这种现象称为光电效应。（光强）第15页二、光电效应试验规律：（1）单位时间内从金属表面逸出电子数与入射光强成正比——第一试验规律。4.06.08.010.0

(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa第16页（4）光射到金属表面与光电子从金属表面逸出时，时间间隔不超出去10-9s时，能够认为二者同时发生。即光电效应应含有瞬时性（不论入射光强度怎样）。（2）光电子最大初动能随入射光频率增加现而线性地增加，与入射光强无关——第二试验规律。

（3）当光照射到某金属时假如光频率小于该金属红限，则不论光多么强都不能产生光电效应——第三试验规律。第17页三、经典理论困难1、认为不存在,只要光强足够大,即能发生光电效应.但试验证实:只要不论光强多大,都不会有光电子逸出。2、认为电子吸收能量需要一定时间积累,但试验发觉含有瞬时性。3、光电子初动能应该与入射光强度成正比.第18页四爱因斯坦光子假设及其对光电效应试验规律解释

1光量子假设：爱因斯坦认为:辐射能不但是在发射和吸收是一份一份进行,且在传输过程中也是一份一份.假设光是一个一个，以光速运动粒子组成粒子流，这种粒子称为光子，每一光子能量为h其中h为普朗克常数，为光频率。2依据爱因斯坦假设能够很好地解释光电效应试验规律：（1）当光子照射到金属板上时，有电子吸收了一个光子，也就是吸收一份能量h，假如h大于金属逸出功w，这个电子就能够从金属逸出。第19页（2）当电子从金属板上逸出时，它从光子吸收能量h，一部分消耗于从金属表面逸出时所需逸出功w，其余部分转变为电子初动能。

依据能量守恒与转换定律有：——爱因斯坦光电效应方程——电子最大初动能第20页

（4）瞬时性解释:

按照光子假说，当光投射到物体表面上时，光子能量就一次次地被电子吸收，不需要任何时间，这么就自然解释了光电效应时间问题。至此,爱因斯坦不但完美解释了光电效应,还使人们对光本性认识有了质飞跃——波动性兼具粒子性。（3）从爱因斯坦方程能够解释光电效应第三条规律第21页例题：已知一单色光照到某金属表面，测光电子最大动能为1.3eV,该金属红限波长为5000Å,求：入射光波长是多少？第22页五、光子能量、动量和频率、波长之间关系：若已知光子波长为，则光子第23页一、试验装置准直系统入射光

0散射光

探测器石墨散射体

二、试验结果表明:x射线经过物质散射时,波长发生改变,散射后波长有两个峰值,一个与原来波长相同,另一个与散射角相关。波长改变与散射角有以下关系：§20-5康普顿效应第24页三、对康普顿效应解释1、经典理论不能作出合了解释!经典理论解释是:单色电磁波作用于比波长尺寸小带电粒子上时,引发受迫振动,向各方向辐射同频率电磁波。与试验不符。2、光子理论解释:光子与电子弹性碰撞推导过程请看书P246~247页。推导结果：

假如把X射线被电子散射过程看作是能量为h、动量为光子与电子碰撞过程，应用动量守恒与能量守恒定律就能够完满解释康普顿效应。第25页讨论：１、当＝时，最大，散射光波长较入射光波长改变量最大，散射光频率较入射光频率小最多。２、当＝０时，＝０，散射光子频率（波长）与入射光子频率（波长）相等。第26页为何还有原波长峰值？光子与束缚电子碰撞,是与整个原子碰撞,失去能量较少,散射后频率几乎不变。

原子量小物质康普顿效应较显著;原子量大物质效应不显著。由（20-12）式看出，当时，所以看不到康普顿效应。—这与试验结果相符。第27页康普顿效应发觉,以及理论分析和试验结果一致,不但有力地证实了光子假设正确性,而且证实了微观粒子相互作用过程中,也严格恪守能量守恒定律和动量守恒定律。第28页1某种金属在一束绿光下刚能产生光电效应，现用紫光和红光照射能否产生光电效应？产生条件：入射光频率金属红限频率0

c=紫>绿>红

所以紫光能产生而红光不能2设一束红光照射下某金属不能产生光电效应,假如用透镜聚焦在金属上,并经历一段时间能否产生光电效应?

不能产生,因为聚焦不能改变频率,能否产生光电效应取决于于入射光频率.第29页OPQ

3、在图中,PQ表示光电子初动能与入射光频率关系,问(1)P点频率表示什么?(2)不一样金属直线PQ斜率是否相同?(1)P点频率表示该金属红限频率.(2)由知PQ斜率就是普朗克常数,故斜率相同.第30页4、要使金属发生光电效应,则(1)尽可能增大入射光强度(2)选取波长较红限更短光波为入射光(3)选取波长较红限更长光波为入射光,哪一个正确?(2)正确5、当单色光照射到金属表面产生光电效应时,已知该金属逸出电位为u0,则这种单色光波长一定要满足:(1)对第31页6频率为光子,它静止质量、质量、能量、动量各为多大？7一个光子能量为E、动量为P，波长为，该光子速度为：第32页8、用频率为

1和2两束单色光分别照射在金属A、B上，假如从A中逸出电子初动能比较大，问频率1是否大于2？

不一定，因为光电子初动能不但与入射光频率相关，且与材料种类相关。9两块相同金属被光照射产生光电效应，设入射光相同，但入射角不一样，问金属中逸出电子数是否相同？

入射光强相同，但入射角不一样，在相同时间内射至金属上光子数目不一样所以金属板上逸出电子数目不一样。第33页10、在某一地点，测得紫光和红光强度相同，部在该处两种光在单位时间内经过垂直于传输方向单位面积光子数是否相同？不相同，光强度——光能流密度S，S=Nh

第34页11某种金属在一束绿光照射下有电子逸出，在下述情况下，逸出电子会怎样改变？（1）再多加一束绿光。（2）用强度相同一束紫光。（1）入射光频率不变强度增强，则逸出初动能不变，但光子数增多。（2）用紫光照射

紫>绿，由爱因斯坦方程，

可知初动能增大。另外，因为强度相同(S紫=S绿)，但

紫>绿,N紫<N绿,因为光子数降低,所以逸出电子降低.第35页[1]首先入射光波长不一样,当入射光是可见光或紫外光时,光子能量与电子束缚能同数量级,此时表现为光电效应.当入射光波长很短时,光子能量远大于电子束缚能,主要表现为康普顿效应.[2]相互作用微观机制不一样,光电效应中,电子吸收光子全部能量,在这过程中能量守恒.而康普顿散射是光子与电子作弹性碰撞,此时不但能量守恒,且动量也守恒.12、光电效应和康普顿效应所研究都是个别光子与电子相互作用过程,它们有何区分?第36页1把太阳看成黑体，测得太阳最大单色辐出度对应波长是0.49

m，求太阳表面温度。假如太阳平均直径为1.39

109m，太阳到地球距离是1.49

1011m，求太阳等于垂直照射地球表面单位面积上接收辐射功率。解：依据维思位移定律得太阳表面温度为设日地距离为d，太阳半径为RS，地球表面单位面积上接收辐射功率为W。太阳单位面积辐射功率即为其辐出度M。第37页在以RS和d为半径两个圆球面上，能量是相等，于是有：第38页2

在离金属板R=100m处放置一个小灯光其功率P=1W，为简单起见，设发出光波波长为5890Å，而且灯泡功率均匀地向四面辐射，求每秒