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1、26.1 黑体辐射黑体辐射 26.2 光电效应光电效应 26.3 光的二象性光的二象性 光子光子 26.4 康普顿散射康普顿散射 第第26章章 波粒二象性波粒二象性 26.5 粒子的波动性粒子的波动性 26.6 概率波与概率幅概率波与概率幅 26.7 不确定关系不确定关系 1900年年 开尔文开尔文 “在已经基本建成的科学大厦中，在已经基本建成的科学大厦中， 后辈物理学家只要做一些零碎的修后辈物理学家只要做一些零碎的修 补工作就行了补工作就行了 但是，但是， 在物理学晴朗天空的远处，还有两在物理学晴朗天空的远处，还有两 朵小小的令人不安的乌云”朵小小的令人不安的乌云” Lord Kelvin
2、18241907 第第26章章 波粒二象性波粒二象性 26.1 黑体辐射黑体辐射 一一、基本概念基本概念 1 1、热辐射、热辐射 分子的热运动使物体辐射电磁波分子的热运动使物体辐射电磁波 基本性质基本性质 温度温度 例如：加热铁块例如：加热铁块 1400 K 800 K 1000 K 1200 K 发射的能量发射的能量 电磁波的短电磁波的短 波成分能量波成分能量 由于物体辐射总能量、能量按波长分布都决定由于物体辐射总能量、能量按波长分布都决定 于温度，故称为热辐射。于温度，故称为热辐射。 平衡热辐射平衡热辐射 物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量
3、 2 2、单色辐出度、单色辐出度M （辐射能量按波长的分布）（辐射能量按波长的分布） 温度温度T T下下，单位时间内单位时间内从物体从物体单位表面单位表面发出的波发出的波 长在长在 附近单位波长间隔内附近单位波长间隔内的电磁波的能量的电磁波的能量 3 3、总辐出度、总辐出度 M(T)(T) 0)()( dTMTM温度温度T T下下，单位时间内单位时间内从物体从物体单位表面单位表面发出的电磁发出的电磁 波的总能量波的总能量 ( )dEMTd 基本概念基本概念 二、黑体和黑体辐射的基本规律二、黑体和黑体辐射的基本规律 1 1、吸收比和反射比吸收比和反射比 吸收比吸收比 吸收能量吸收能量 入射总能量
4、入射总能量 = 反射比反射比 反射能量反射能量 入射总能量入射总能量 = 附近单位波长范围附近单位波长范围辐射能的吸收比辐射能的吸收比 ),(T 单色吸收比单色吸收比 附近单位波长范围附近单位波长范围辐射能的反射比辐射能的反射比 ),(T 单色反射比单色反射比 对不透明物体对不透明物体 1),(),( TT 基尔霍夫定律：基尔霍夫定律： 1212( )( )( )( , )( , )MTMTMTTT 恒量尽管各种材料的M和(,T)可以有很大的不 同，但在同样的温度下,两者的比值却相等,与 材料的种类无关，都等于该温度下黑体对同一 频率的光谱辐射出射度。 2 2、黑体（绝对黑体）、黑体（绝对黑体
5、） 能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体 绝对黑体的单色吸收比等于绝对黑体的单色吸收比等于1 1，即，即 ( (绝对绝对) )黑体模型黑体模型 由基尔霍夫定律：由基尔霍夫定律： ( )( , )BMTMT显然，显然，MB( ,T) )最大。且最大。且 和材料及表面状态无关和材料及表面状态无关 1),( TB 3 3、( (绝对绝对) )黑体的辐射定律黑体的辐射定律 实验装置实验装置 T 平行光管平行光管 绝对黑体绝对黑体 三棱镜三棱镜 (绝对绝对)黑体单色辐出度按波长分布实验黑体单色辐出度按波长分布实验 绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线绝对黑体的单色辐
6、出度按波长分布曲线 4 4、斯特藩、斯特藩- -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 M(T)= T 4 = 5.67 10-8 W/(m2K4) 5 5、维恩位移律、维恩位移律 mT= b b = 2.89775610-3 m K 特点：特点： 1）总辐出度随着温度）总辐出度随着温度 的升高而增加的升高而增加 2）峰值波长随着温度）峰值波长随着温度 的升高向短波移动的升高向短波移动 三、经典物理学遇到的困难三、经典物理学遇到的困难 o 实验值 /m )(0TM维恩线维恩线 热力学热力学+统计统计 瑞利瑞利-金斯线金斯线 热力学热力学+ +电磁学电磁学 紫紫 外外 灾灾 难难 普普 朗朗 克克 线线 1
7、2 3 4 5 6 7 8 四、普朗克的能量子假说和黑体辐射公式四、普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 辐射物质中具有带电的线性辐射物质中具有带电的线性谐振谐振 子子，谐振子可能具有的能量不是，谐振子可能具有的能量不是 连续的，只能取一些连续的，只能取一些离散离散的值的值 = n h h = 6.626069310-34 J s 普朗克公式普朗克公式 112)(/52 kThcehcTM “这一发现成为这一发现成为2020世纪整个物理研究的基础，从那时起，世纪整个物理研究的基础，从那时起， 几乎完全决定了物理学的发展几乎完全决定了物理学的发展”。 爱因斯坦爱因斯坦 1918 Nobel Priz
8、e 四、普朗克的能量子假说和黑体辐射公式四、普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 辐射物质中具有带电的线性谐振子，谐振子可能辐射物质中具有带电的线性谐振子，谐振子可能 具有的能量不是连续的，只能取一些离散的值具有的能量不是连续的，只能取一些离散的值 = n h h = 6.626075510-34 J s 量子量子 经典经典 对宇宙中其他发光星体的表面温 度，也可用这种方法进行推测。 26.2 光电效应光电效应 O O O O O O V G A K B O O m 一、光电效应的实验规律 1、光电效应现象 当波长较短的可见光或紫外当波长较短的可见光或紫外 光照射到某些金属表面上时光照射到某些金属
9、表面上时, , 金属中的电子就会从光中吸金属中的电子就会从光中吸 取能量而从金属表面逸出的取能量而从金属表面逸出的 现象现象。 光电子 光电流 2、实验装置 im1im2-Uc 饱和光电流强度饱和光电流强度 im 与入射光强与入射光强I成正比成正比 光电效应的实验规律光电效应的实验规律 截止电压截止电压Uc 与入射光强度无关,与入射光频率成正比 21 2mmuceU O O O O O O V G A K B O O m 光电效应是瞬时发生的，光电效应是瞬时发生的，驰豫时间不超过驰豫时间不超过1010- -9 9s 只有当入射光频率只有当入射光频率 v大大 于一定的频率于一定的频率v0时时，才
10、会才会 产生光电效应产生光电效应 0 :截止频率或红限频率截止频率或红限频率 21 2mmu0 )/(0KUKe )(0 Ke光电子的最大初动能：光电子的最大初动能： 21 2mmu 0UKe ceU 光电效应的实验规律光电效应的实验规律 U Uc c=K=K - -U U0 0 为为截止电压截止电压 正比于正比于 ，与入射光强无关与入射光强无关 4.0 6.0 8.0 10.0 (1014Hz) 0.0 1.0 2.0 Uc(V) Cs Na C a 0:红限波长红限波长 00/c二二、经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难 按照光的经典电磁理论：按照光的经典电磁理论： 光电效应的实验
11、规律光电效应的实验规律 光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与 频率无关，更不存在截止频率！ 只要光强足够大，就能产生光电效应。 光电子逸出金属表面所需的能量，是直接吸收 照射到金属表面上的光的能量。当入射光的强度 很微弱时，阴极电子需要一定的时间来积累能量 克服逸出功。光电效应不可能瞬时发生！ 光量子具有光量子具有“整体性整体性” 电磁辐射由以光速电磁辐射由以光速c c运动的局限于空间某一小范运动的局限于空间某一小范围的光量子围的光量子( (光子光子) )组成，组成，其能量其能量 = h 1 1、爱因斯坦光量子假设、爱因斯坦光量子假设(1905)(1905) 光强正比于穿过单位垂直截面的光
12、子数光强正比于穿过单位垂直截面的光子数 2、 对光电效应的解释对光电效应的解释 hAmum 2 21A为光电子克服表面束缚为光电子克服表面束缚 所作的功所作的功 ，称逸出功，称逸出功 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 26.3 光的二象性光的二象性 光子光子 光子将它的全部能量给予一个电子光子将它的全部能量给予一个电子 光电效应的意义：光电效应的意义： 发现光的粒子性发现光的粒子性 Aumhm 2 21 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 光电效应是瞬时发生的光电效应是瞬时发生的 存在红限频率：存在红限频率： 红限频率红限频率 hA 0 饱和光电流强度饱和光电流强度 im 与入射
13、光强与入射光强 I成正比成正比 当当 A/h 时时, ,不发生光电效应不发生光电效应 反向截止电压反向截止电压 12 2eUmucm()/hA e爱因斯坦的光量子论爱因斯坦的光量子论 12/2Umuecmim1im2-Uc(逸出功逸出功) ( (光量子的光量子的“整体性整体性”) I I光子数光子数 21 2mm uhA爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 12 02mueKeUm比较得： h = eK A = eU0 1921 Nobel Prize 光的波粒二象性光的波粒二象性 1 1、近代认为光具有波粒二象性近代认为光具有波粒二象性 光在传播时显示出波动性；光在传播时显示出波动性；
14、2 2、基本关系式基本关系式 h 1）光子的能量）光子的能量 能量能量 ，动量动量P 波长波长 ，频率频率 在与物质相互作用而转移能量时显示出粒子性在与物质相互作用而转移能量时显示出粒子性 nhp 2）光子的质量）光子的质量 2mc 2hmc ch 3）光子的动量）光子的动量 pmch 静止质量为零静止质量为零 )11()( hcUUecc解解: Ahmvm 2 21 ceUAcheUc AcheUc 11() . 1.30( )cchcUUVe用钠光灯的黄光用钠光灯的黄光(=5893)照射一光电池，为遏照射一光电池，为遏 止所有电子达到阳极，需止所有电子达到阳极，需0.30V的负电压。如果用的负电压。如果用 = 4000的光照射此光电池，需多大的遏止电压的光照射此光电池，需多大的遏止电压? 例例1 1 功率为功率为P朝各方向均匀发光的点光源，发出波长为朝各方向均匀发光的点光源，发出波长为 的单色光，在距光源为的单色光，在距光源为d 处，每秒钟落在垂直于光处，每秒钟落在垂直于光 线的单位面积上的光子数为多少？若线的单位面积上的光子数为多少？若 =6.63，则每，则每 个光子动量和质量
