高中物理奥林匹克竞赛-光的量子性

第十六章（1）光的量子性教学基本要求

一了解热辐射实验以及经典物理理论在说明热辐射的能量按频率分布曲线时所遇到的困难.理解普朗克量子假设.二了解经典物理理论在说明光电效应的实验规律时所遇到的困难.理解爱因斯坦光子假设，掌握爱因斯坦方程.三了解光的波粒二象性.学习现代物理学发展史的重大意义：

1）科学家如何抓住机遇，克服困难，勇于突破传统观念束缚的创新思想和锲而不舍的探索精神，以及作为一个成功者所具有的高尚品德.

2）科学发展不是一帆风顺的，有成功也有失败，而且科学争论永远不断，正是不同学术观点之间的科学争论的不断产生和解决推动着人类科学认识的不断深入和发展.

科学对于人类事务的影响有两种方式：第一种方式是大家熟知的：科学直接的并在更大程度上间接地产生出完全改变人类生活的工具；第二种方式是教育的性质——它作用于心灵.——爱因斯坦第十六章（1）光的量子性二十世纪被称为物理学的世纪，是近代物理学发展的一个黄金时期，从二十世纪初开始，在一大批科学家的推动下，相继诞生了量子力学、相对论、原子物理、分子物理、固体物理、核物理、天体物理、粒子物理等。即从伽利略、牛顿到拉格朗日、哈密顿的经典力学，和从法拉第、麦克斯韦到赫兹建立的电动力学以前的物理学主要局限于经典物理学的范畴，主要研究两种基本的自然力——引力和电磁力。近代物理学的第一步发展，发生于科学家对黑体辐射和光电效应实验的量子化认识。引言

量子概念是1900年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到20世纪30年代，就建立了一套完整的量子力学理论.量子力学宏观领域经典力学现代物理的理论基础量子力学相对论量子力学微观世界的理论起源于对波粒二相性的认识第一节黑体辐射一黑体辐射（1）热辐射实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射.（2）辐射出射度（辐出度）单位时间，单位面积上所辐射出的各种频率的电磁波的能量总和.辐射出射度:单位：为单色光辐射出射度单位黑体黑体辐射热辐射任何物体在任何温度下都会发射不同频率的电磁波的现象为热辐射.物体在任何时候都存在发射和吸收电磁辐射的过程.实验证明热辐射具有如下规律:1.辐射能量按频率的分布随温度而不同.

2.不同物体在某一频率范围发射和吸收辐射的能力不同;同一物体在某一频率范围发射越强,吸收也越强.实验表明辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.黑体能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体.（黑体是理想模型）

1.单色辐射出射度

单位时间内从物体单位面积发出的频率在附近单位频率区间（或波长在附近单位波长区间）的电磁波的能量.单色辐射出射度单位：单色辐射出射度单位：定量研究热辐射的有关物理量2.辐射出射度（辐出度）单位时间，单位面积上所辐射出的各种频率（或各种波长）的电磁波的能量总和.实验表明辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.（3）黑体能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体.（黑体是理想模型）

会聚透镜空腔小孔平行光管棱镜热电偶测量黑体辐射出射度实验装置0100020001.00.5

可见光区3000K6000K黑体单色辐出度实验曲线可见光6000K3000K0.51.00.51.0黑体单色辐出度实验曲线二黑体辐射的瑞利—金斯公式（经典物理的困难）由瑞利—金斯1890年用经典电磁场理论导出0123612345瑞利-金斯公式实验曲线****************瑞利-金斯公式紫外灾难随后由维恩用热力学导出的公式在短波段相符三普朗克假设普朗克黑体辐射公式(1900年)普朗克常量

普朗克认为：空腔中振子的振动吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过去经典物理认为的那样可以连续的吸收或发射能量，而是以与振子的频率成正比的能量子为单元来吸收或发射能量.

普朗克黑体辐射公式空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为

01236瑞利-金斯公式12345普朗克公式的理论曲线实验值****************普朗克公式的理论曲线与实验结果相符

普朗克（MaxKarlErnstLudwigPlanck，1858–1947）德国理论物理学家，量子论的奠基人.1900年12月14日他宣读了以《关于正常光谱中能量分布定律的理论》为题的论文，提出能量量子化的假设，并导出黑体辐射能量分布公式.劳厄称这一天是“量子论的诞生日”.

1905年爱因斯坦在能量量子化的启发下提出了光量子的假设,并成功解释了光电效应.量子观念在“非难”中得到发展.普朗克晚年对自己工作的评论:“我徒劳无益的使基本量子论和经典理论一致的企图继续了许多年花了我极大的精力，我的同行中的许多人几乎把这看成悲剧，但我对他的看法是不同的，因为我从这工作中得到的对我的想法的深刻的澄清，对我有极大的价值.现在我的确知道，作用量子的基本意义比我原来所想象的的要大得多.”求实、严谨的科学态度第二节光电效应（1）实验装置（2）实验规律1.红限频率(截止频率),

仅当才发生光电效应，截止频率与材料有关与光强无关.即阈频率。金属及其化合物在光照射下发射电子的现象叫光电效应。发射的电子叫光电子。光电管中K为金属阴极，A为阳极，S为电压极性转换开关。光照到K即有光电子逸出飞向A。产生的电流叫光电流i。VAKAS光电效应实验的规律

几种纯金属的截止频率金属截止频率4.5455.508.06511.53铯钠锌铱铂19.29VAKAS电流饱和值为3.光电子的逸出具有瞬时性

当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出。（光强）大到一定值时与U无关，由I（光强）决定。2.饱和光电流与入射光强成正比(饱和光电流)遏止电压:使U<0,当反向电压大到一定值,使光电流降为零的电压。遏止电压与光强无关与光照频率成线性关系，且与材料有关。VAKAS4.遏止电压与光照频率成线性关系

按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止.与实验结果不符.（3）经典理论遇到的困难红限问题瞬时性问题

按经典理论,无论何种频率的入射光,只要其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属.与实验结果不符.

二光子爱因斯坦方程（1）“光量子”假设光子的能量为（2）解释实验几种金属的逸出功金属钠铝锌铜银铂2.284.084.314.704.736.35爱因斯坦方程逸出功与材料有关

对同一种金属，

一定，，与光强无关逸出功爱因斯坦方程产生光电效应条件（截止频率）

光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电子数目越多，光电流越大.（时）光子射至金属表面,一个光子携带的能量将一次性被一个电子吸收，若，电子立即逸出，无需时间积累（瞬时性）.（3）的测定爱因斯坦方程遏止电势差和入射光频率的关系爱因斯坦方程在其光子理论中还提出了质能关系式:m表示光子的质量，而光子的能量是E，所以：但光子没有静止质量光子还有动量：例1波长为450nm的单色光射到纯钠的表面上.

求(1)这种光的光子能量和动量；

(2)光电子逸出钠表面时的动能；(3)若光子的能量为2.40eV，其波长为多少？解（1）（2）（3）三光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.光电倍增管放大器接控件机构光光控继电器示意图四光的波粒二象性描述光的粒子性

描述光的波动性光子

相对论能量和动量关系（2）粒子性：（光电效应等）（1）波动性：

光的干涉和衍射3、人生就像一场马拉松，你的起点高也好，你的提速快也好，但结果比较的是谁能坚持到最远。9、每条路都很难走，但是一旦选择了，就一定要走下去。11、不要害怕你的生活将要结束，应该担心你的生活永远不会真正开始。4、谁说我不行，萤光都可以照亮一个人的行程。3、与其祈求生活平淡点，不如祈求自己强大点。19、当我们搬开别人脚下的绊脚石时，也许恰恰是在为自己铺路。6、春天不播种，夏天就不生长，秋天就不能收茯，冬天就不能品尝。2、一个人的出路，是在工作当中寻找的，而不是坐在那里想出来的。6、如果你曾经把失败当成清醒剂，就千万别让成功变成迷魂汤。9、要想成功就是不怕困难，宽心做人，舍得做事，将赢的是整个人生。16、错过的人与事，不必频频回首;结痂的疤痕，无须反复触摸。8、有了梦想，才有动力，有了动力，才能实现梦想。2、一个人的出路，是在工作当中寻找的，而不是坐在那里想出来的。9、真正的坚韧，应该是哭的时候要彻底，笑的时候要开怀，说的时候要淋漓尽致，做的时候不要犹豫。17、