《大学物理第14章光的粒子性-2011新版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理第14章光的粒子性-2011新版（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,大 学 物 理 学 College Physics,陈 曙 韩永胜 杜锦丽 何正大 蒋岩玲 李亚玲 马 军 杨宏新 杨闽南,2011年02月,第 十四 章 光的粒子性,光一个一个无尽的话题！,19世纪末，物理学理论已发展到“相当完善”的阶段，几乎一切低速宏观物理现象都可以得到圆满的解释。正当物理学家们为经典物理学所取得的辉煌成就而踌躇满志之际，人们又发现了一些新的物理现象，这些现象涉及物质内部的微观过程，如黑体辐射、光电效应等。 在解释这些新的物理现象时，经典物理遇到了不可克服的困难，因此迫使人们去探索新的物理概念、理论。正是这些新的概念和理论，构成了现代物理学的基石。,1900年普朗克提出
2、能量量子化的假说，揭开了本世纪物理学革命的序幕，为物理学找到了一个新的概念基础。 1905年爱因斯坦提出了光量子假说，进一步发展了能量量子化的思想。 1913年玻尔创造性地把量子概念应用到原子模型。,第十四章 光的粒子性,第十四章 光的粒子性, 热辐射现象，黑体辐射规律：斯特藩-波尔兹曼定律，维恩位移定律。, 光电效应、康普顿效应。, 光的波粒二象性。,第一节 热辐射,一切物体都以电磁波的形式向外辐射能量，这样的能量叫做辐射能（radiation energy）。,辐射能的大小及能量按波长的分布与物体温度有关，故将这种辐射称为 热辐射(thermal radiation ) 。,物体在辐射能量
3、的同时，也从外界吸收辐射能。在某恒定温度下吸收的能量等于辐射的能量，达到平衡，形成平衡热辐射。,一、热辐射现象,单色辐出度,在单位时间内从物体表面单位面积上辐射的、波长在 +d 内的能量为 dM ，单色辐出度M定义为：,辐射出射度,在一定温度下，物体在单位时间、单位面积上辐射的各种波长的辐射能之和称辐射出射度：,M(T)值随不同物体而不同，与物体的表面情况也有关。,二、基尔霍夫定律,第一节 热辐射,一个好的吸收体，也一定是一个好的辐射体。,绝对黑体,空腔小孔的黑体模型,能全部吸收所有波长的入射辐射能，即无反射，吸收率为 1的物体叫黑体 (black body; ideal radiator)
4、。,单色吸收率 a(,T),投射到物体上的辐射能，部分被反射，部分被吸收。吸收的能量和入射的总能量之比为吸收率(absorptivity)。 a(,T)表示物体温度为T时对波长在+d内的辐射的吸收率，叫单色吸收率。,第一节 热辐射,绝对黑体,第一节 热辐射,基尔霍夫定律（Kirchhoff law）,设将温度不同的物体A1、A2、A3及绝对黑体B 放置于一绝热的真空容器中，达到热平衡后， 不管系统内的物体是什么物质 组成，也不管其形状如何，每 一物体的辐射能量必定恒等于 它所吸收的能量。即：,物体辐射本领和吸收本领的比值， 与物体的性质无关，对于任何物 体，这个比值是波长和温度的普适函数 (,
5、T)。,第一节 热辐射,对绝对黑体， a(,T)=1，它的辐出度用M0(T)表示。 知道了M0(T)也就知道了一般物体的辐射性质。因此，黑体辐射是研究辐射问题的中心。,基尔霍夫定律,第一节 热辐射,测定绝对黑体辐出度,从实验测定黑体单色辐出度与波长的关系，作出实验曲线。,三、黑体辐射定律,第一节 热辐射,从实验曲线可求出总辐出度：即T 温度时曲线下的面积：,第一节 热辐射,1、斯特藩-波尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law),黑体的辐出度与温度的四次方成正比。,其中为斯特藩常量： =5.6710-8 Wm-2K-4,2、维恩位移定律(Wien displacement law)
6、,其中b为维恩常量：b=2.89810-3 mK,维恩位移定律指出: 当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值向短波方向移动。它是红外遥感、红外热像、光测高温、天文测量等技术的物理基础。,第一节 热辐射,例 实验测得太阳辐射谱的峰值为 490nm ，将太阳视为黑体，试计算太阳的辐射功率和地球每秒内接收到的太阳能。（已知太阳半径 R = 6.96108 m ，地球半径 r = 6.37106 m ，日地距离 d = 1.4961011 m ）,由维恩位移定律计算太阳表面温度：,由斯特藩-波尔兹曼定律得：,太阳的辐射总功率为：,第一节 热辐射,太阳发出的功率分布在以太阳为中心、以日地距离 d 为半
7、径的球面上，故地球表面单位面积接收到的辐射功率:,地球接收到的辐射功率：,同样，大地也近似可看为黑体，向外辐射能量。利用遥感技术成象可以反映地表温度（右图） 。,第一节 热辐射,19世纪末，许多物理学家从经典物理出发，利用数学推导，试图对上述实验曲线进行解释。当时的基本观点是：1、电磁辐射来源于带电粒子的振动，电磁波的频率与振动频率相同。 2、振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续的，辐射能量也是连续的。 3、温度升高，振子振动加强，辐射能增大。 其中维恩公式和瑞利-金斯(Rayleigh-Jeans)公式，都是较为著 名的工作。但是与实验结果都符合得不好！ 如何办？,四、普朗克量子假设,第一节
8、 热辐射,维恩公式：,瑞利-金斯公式：,维恩线,实验点,第一节 热辐射,“Beauty and clearness of theory. Overshadowed by two clouds.“ -Lord Kelvin in 1900,第一节 热辐射,普朗克(Planck)公式:,1900年，普朗克提出一个和实验完全相符的理论公式:,其中c是光速，k是玻尔兹曼常数，e是自然对数底，h是普适恒量，称普朗克常量： h=6.6310-34 Js。 导出上述公式时，普朗克提出了与经典物理格格不入的假设，称普朗克能量子假设。,第一节 热辐射,普朗克量子假设,辐射体由带电谐振子组成，它们振动时向外辐射电
9、磁波并与周围电磁场交换能量； 谐振子的能量只能处于某些特殊状态，它们的能量是某一最小能量的整数倍，即，2，3，n ； 称能量子(energy quantum)，与振子频率成正比：=h,由普朗克假设，再利用玻耳兹曼统计分布率求平均能量，即可导出前述普朗克公式：,在长波情况下从上式可以导出瑞利-金斯公式：,第一节 热辐射,在短波情况下从上式可以导出维恩公式：,普朗克公式对波长积分可得斯特藩-玻尔兹曼定律：,对普朗克公式求极值，可得维恩位移定律,第一节 热辐射,普朗克于1900年12月14日在柏林科学 院提交的论文正常光谱中能量分布 律的理论中提出了能量量子观点。 后来，他曾讲到： “我当时打算将基
10、 本作用量子 h 归并到经典理论范畴中 去，但这个常数对所有这种企图的回 答都是无情的”。 他的量子观点对近代物理的发展产生 了深远的影响，普朗克常量是物理学 基本常量之一。这一年被认为是量子物理的开端。 1918年普朗克获诺贝尔物理学奖。,Max Planck,第一节 热辐射,第二节 光电效应,光电效应(photoelectric effect)首先由赫兹发现。 光电效应的实验装置如右图： 在高真空管内封装入金属靶极（阴极）和阳极。单色光照射到靶金属上，靶可释放出电子来，称光电子(photoelectron)。,一、光电效应的基本规律,研究光电效应,阴极K为靶金属，阳极A，收集光电子e，入射
11、单色光频率为。光电流和K、A间电压可由电表测量，电路中双向双刀开关起换向作用。 研究发现了如下一些规律：,第二节 光电效应,1、光电流与入射光强的关系,入射光频率一定时，存在饱和光电流，不同光强对应不同的饱和光电流；并且饱和光电流与入射光光强成正比，但反向截止电压与入射光光强无关。,入射光较弱,入射光较强,饱和光电流时，光电子全部被阳极收集。注意到，在正向电压为零时，光电流不为零，表示出射的光电子有一定的初动能。,第二节 光电效应,2、光电子初动能与入射光频率的关系,当电势差U减小为零并变为负值，直至某一值Ua时，光电流才降至零。 Ua叫做遏制电势差。,光电子从阴极逸出时的最大初动能应等于光电
12、子反抗遏止电场力所做的功：,如图，实验表明，Ua的绝对值与入射光的频率有如下关系：,第二节 光电效应,上式中U0与K都是正数，不同金属有不同的U0。而K为普适常数。因此，上式也为：,式中m、e、v分别为电子质量、电子电量和光电子的初速度。它表明：光电子的初动能随入射光的频率线性地改变，而与入射的光强无关。,第二节 光电效应,3、红限频率,实验发现，改变入射光的频率，遏制电势差Ua也随之改变。当入射光频率小于某一频率0时，无论光强多大，也不会产生光电效应。 0称红限频率 (threshold frequency)。,由于初动能必须为正值，即：,上式为零时，可得红限频率：,4、光电效应与时间的关系
13、,只要入射光的频率超过红限，无论光的强弱，便立即发生光电效应。光电效应是瞬时发生的，驰豫时间不超过10-9 s，几乎没有“积累时间”。,第二节 光电效应,1、光的波动说的缺陷,光波动说认为，光强越大，电子吸收的能量就越多，光电子的初动能就越大，因此初动能决定于光的强度，与频率无关。并且不应具有红限。从时间上看，波动说需要一个“积累时间”，光强愈弱，积累时间就愈长。波动说无法解释光电效应！,二、爱因斯坦的光子学说,第二节 光电效应,2、爱因斯坦光电效应方程,爱因斯坦接受了普朗克量子假设，于1905年提出光是一种在真空中以速度c传播的粒子流，称“光子(photon)”，一个光子的能量为：,爱因斯坦
14、认为：光电效应是光子与金属中的自 由电子碰撞而交换能量，金属中的自由电子吸 收一个光子的能量h，要从金属表面逸出需克 服逸出功A，同时电子逸出后还具有初动能。根据能量守恒可得出爱因斯坦光电效应方程：,A. Einstein,第二节 光电效应,对光电效应实验规律的解释,电子只要吸收一个光子就可以从金属表面 逸出，所以无须时间上的累积过程。,光强大光子数多，释放的光电子也多，所以饱和光电流也大。,入射光子能量 = 光电子初动能 + 能逸出功。因而光电子初动能和入射光的频率成线性关系：,红限频率对应光电子初动能等于0：,比较前述实验规律，可得：,第二节 光电效应,例 钾的光电效应的红限波长为 o=
15、620 nm ，求（1）钾电子的逸出功；（2）在 = 300 nm 的紫外线照射下，钾的截止电压为多少？,从红限波长求逸出功：,由光电效应方程可求出截止电压：,第二节 光电效应,1921年，爱因斯坦因为光电效应获得了诺贝尔物理学奖。 光电效应不仅在理论研究上有重大意义，而且在工程技术的许多领域中得到了广泛的应用。,利用光电效应原理可实现光控继电、自动控制、自动计数、自动报警等。,三、光电效应的应用,第二节 光电效应,光电倍增管，可用于光功率测量，用于光信号、电视、电影、光测量等许多方面。,光电倍增管,硒光电池,硒光电池、光电二极管等可用于光电比色、CT图像检测等等许多方面。,第二节 光电效应,
16、第三节 康普顿效应,康普顿效应(Compton effect)：19221923年间，美国物理学家康普顿(A. H. Compton)观察到X射线被物质散射后，散射光中除了有与入射光波长相同的成分外，还有波长变长的部分出现。康普顿对此作了理论解释，并因此工作获得1927年诺贝尔物理奖。,一、康普顿散射实验,随散射角的增大而增大, 随散射角 的增大而增加，且新谱线的相对强度也增大。 与散射物质、原波长0均无关。 原子量越小的物质，康普顿效应越显著。,第三节 康普顿效应,经典理论无法解释康普顿效应,根据经典电磁波理论，散射物质中的自由电子受到频率为 的入射光作用后作受迫振动，而向四周辐射的电磁波频率应等于入射光的频率 ，即散射光的频率或波长应与入射X射线的相等，且因电磁波是横波，在 = 90的方向应无散射。,
