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0量子1-热辐射光电效应康普顿 (1).ppt

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0量子1-热辐射光电效应康普顿 (1).ppt

1 热辐射 普朗克量子假设 一.热辐射 辐射出射度 二.黑体辐射定律 三.普朗克能量子假设 2 光电效应 爱因斯坦光子理论 一.光电效应 二.爱因斯坦光子假说 光电效应方程 三.光的波粒二象性 3 康普顿效应 一.康普顿效应 二.光子理论的解释 作业p40 1.2, 1.11,1.15,回顾光波,,,光粒子性,单位时间单位面积平均光子数,一个周期的光子数 n,波函数的统计解释,x、y、z 位置;t 时刻;dxdydz 范围粒子出现的概率,概率密度,概率波粒子出现的概率,归一化条件,波描述状态量 粒子描述状态量,实物粒子如电子,一个自由电子是否是一单色波,x、y、z 位置;t 时刻;dxdydz 范围粒子出现的概率,概率密度,x;t 时刻;dx范围粒子出现的概率。,粒子在某一范围内出现位置不确定,动量不确定,动量不确定,波长不确定,不确定性关系,位置、动量间的不确定性关系(或测不准关系),,1927年,海森伯,量子物理学基础,波动光学 电磁波 为什么是波光的传播 20世纪初,实验现象光与原子、电子相互作用 波解释不通 粒子,1 热辐射 普朗克能量子假设,我们都是发光(电磁波)体 各种波长 不同温度各种电磁波的能量按波长分布不同 具有不同的颜色(可见光) 热辐射,加热铁块 暗红、赤红、橙色、黄白,如果辐射源(等离子体、中性气体云等)处于热动平衡或局部热动平衡状态,即系统内质点(分子、原子、离子、电子等)的能量分布可以用一定温度下的玻耳兹曼分布律表示,则其辐射称为热辐射。 粒子数反转,分子的总能量 电子能量 分子转动能量 分子振动能量 分子质心在空间的平动能量 分子的核内能 分子基团间的内旋转能量,振荡频率,电磁波的辐射,振荡偶极子 电流在其中 往复振荡, 两端交替出现 等量异号电荷。,设振荡偶极子是由一对等量异号电荷组成, 其电矩为 Pe =ql , 电荷的距离随时间按余弦规律变化,,振荡偶极子,电矩的振幅,角频率,天线接受辐射为此过程的反过程 受迫振动。振动又导致辐射。(惠更斯原理中的子波源),一.热辐射,热辐射,分子、原子热运动 辐射→电磁波,温度 T  辐射能量 E  短波成分 ,热辐射能量按波长的分布 单色辐出度,1100K,1500K,1700K,,麦克斯韦速率分布曲线,,被激发的总分子数随T增多 被自发的高能态的分子数随T增多,单色辐出度 单位表面积,波长[λ ,λ+dλ] 辐射功率dMλ ,,单色辐出度,总辐射功率为 M(T),辐射出射度,吸收比和反射比,入射电磁波总能量 反射、吸收,吸收比,反射比,什么是黑体,绝对黑体,绝对黑体(黑体)任何波长,理想黑体 实际黑体模型,密闭空心容器,开一小孔,,,,,,,,基尔霍夫定律,1860年基尔霍夫 不同材料、不同表面结构 Mλ T、 αλ,T不同,基尔霍夫定律,M0λ T 任何物体、任何表面相同,黑体的单色辐出度,二.黑体辐射定律,实验装置,黑体辐射的实验结果,a. MBλTmax,黑体单色辐出度,1100K,1500K,1700K,b. MBλTmax T↑,λ↓,c. 曲线下的面积,3. 黑体辐射的实验定律,1100K,1500K,1700K,a. 斯特藩-玻耳兹曼定律, 5.6710-8 W/m2K4,b. 维恩位移律,b 5.098510-3 mK,黑体单色辐出度的数学表达式,可将星体视作绝对黑体,利用维恩位移定律测星体表面温度,现测的太阳lm0.55 mm ;北极星 lm0.35 mm ;天狼星 lm0.29 mm; 试求各星体的表面温度。 取 b2.910-3 mm ,两个相同的物体 A、B,温度相同,若A 的温度低于其环境温度,而 B 高于其环境温度,则 A、B 在 单位时间内辐射的能量满足,(D)不能确定。,(C),(B),(A),黑体辐射理论研究及困难,a. 维恩公式,麦克斯韦分子速率分布,经典物理学 黑体空腔壁 分子原子带电的线性谐振子,b. 瑞利金斯公式,能量按自由度均分定理,紫外灾难,c. 普朗克公式,c光速; k玻尔兹曼常量,h普朗克常量 h 6.626075510 -34 Js,内插法,1900年12月14日 普朗克划时代的假设 标志着量子物理的诞生 谐振子的能量取分立值,三.普朗克能量子假设,分子、原子谐振子 分立能级谐振子 谐振子的振动能量只能是 ε0,2ε0,3ε0 , nε0 ε0 =hν,谐振子频率ν ,普朗克常量h 原子振动发射、吸收能量(电磁波)一份一份(分立) nε0 =n hν ε0 =hν能量子 n 量子数,ε0 =hν,辐射吸收,2 光电效应 爱因斯坦光子理论,一.光电效应及实验规律,1. 光电效应,光 照射→ 金属 → 电子,1888 年赫兹,光电子(速度),2. 研究光电效应的实验装置,相同阴极 光电效应实验规律,,,,,a. 驰豫时间(与光强无关),10–9s,几乎同时发生,相同阴极 光电效应实验规律,,,,,b. 存在饱和电流 IS,同一频率入射时正比于光强 异频同光强低频电流大,相同阴极 光电效应实验规律,,,,,c. 存在遏止电压 Ua (与光强无关),电子有最大速度分量,不同阴极 光电效应实验规律,d. 存在遏止频率νa (又称红限),相同阴极 光电效应实验规律,,,,,c. 存在遏止电压 Ua (与光强无关),电子有最大速度分量,二.爱因斯坦光子假说 光电效应方程,1. 爱因斯坦光子假说,光发射、吸收、传播都是量子化的 一束光一粒粒以光速运动的粒子流 光量子(光子) ε =hν ν 光子频率;h 普朗克常量,2. 对光电效应的解释,光子能量hν 克服金属的束缚逸出功A 初动能,光电效应方程,3. 光电效应的应用,光电管,真空光电管记录、测量光的强度 自动控制,光电倍增管,光是什么 什么是光的本质,105 108,电视摄像管,三.光的波粒二象性,光传播干涉、衍射、偏振 波动性,光发射热辐射 吸收光电效应 粒子性,光 波粒二象性 波动性与粒子性的统一,波动性频率ν、波长λ,粒子性能量、动量、质量,已知某金属中电子的逸出功为 eU0,当用一种单色光照射该金属表面时,可产生光电效应,则该光的波长应满足,(C),(A),(D),(B),某金属的光电效应中,所发射的光电子的初动能 Ek 随入射光频率n 的变化关系如图所示,由图可知逸出功 A 和普朗克常数 h 为 AAOQ;hOR; BAOR; hPQ; CAOP; hOP/OQ ; DAQS; hQS/OS .,,,,,用频率为n 1 的单色光照射某种金属时,测的光电子的最大动能为 Ek1;用频率为n 2 的单色光照射另一种金属时,测的光电子的最大动能为 Ek2,若 Ek1 Ek2 则 (A) n 1 一定大于 n 2 ; (B) n 1 一定小于 n 2 ; (C) n 1 一定等于 n 2 ; (D) n 1 可能大于也可能小于 n 2 .,15.用波长 l 410 nm 的单色光照射某金属表面,若产生的光电子的最大动能Ek1.00eV,试求能使该金属发生光电效应的入射光的最大波长是多少,16.某点光源的功率为 P,发出的单色光波长为 l ,在距该光源为 d 的曲面上单位时间内接收的光子数 N 为多少单位面积上接收功率 e 为多少若l 663.0 nm 则光子的质量 m 是多少,关于光电效应,(A)任何波长的可见光照射到任何金属表面都能产生光电效应; (B)若入射光的频率均大于一给定金属的红限,则该金属分别受到不同频率,强度相等的光照射时,单位时间释放出的光电子数目一定相等; (C)若入射光的频率均大于一给定金属的红限,则该金属分别受到不同频率的光照射时,释放出的光电子的最大初动能也不同; (D)若入射光的频率均大于一给定金属的红限,则当入射光频率不变而强度增大一倍时,该金属的饱和光电流也增大一倍。,爱因斯坦光子理论光电效应 康普顿效应光子与微观粒子碰撞,3 康普顿效应,一.康普顿效应,1. 光的散射,初始电磁波带电粒子受迫振动 振动的带电粒子辐射电磁波(散射光) 散射光频率 受迫振动频率 初始电磁波频率,天空为什么是蓝色 飞鸟虽然比我们飞得高, 但它的天空没有我们蔚蓝 为什么城市的天空是灰色的 为什么红绿灯的红灯是红色,青色 (约8 公里) 暗青色(约11公里) 暗紫色(约13公里) 黑紫色(约21公里) 再往上,天空便为黑暗所湮没,惠更斯原理,2. X 射线散射实验及结果,a. 实验装置,,散射角,X 射线散射0.01nm ~10 nm,19221923年康普顿,b. 实验结果,正常散射λ λ0,反常散射λ> λ0,康普顿效应,c. 实验规律,K康普顿波长 φ=90波长改变量 K2.4110-3nm,原子量 ↓ 康普顿效应 ↑,散射光频率 受迫振动频率 初始电磁波频率,二.光子理论的解释,爱因斯坦光子论 康普顿 散射光子、电子(原子中的)弹性碰撞 动量守恒、能量守恒 相对论效应,定量分析,,电子 e 静止,,碰前光子能量、动量,碰后光子能量、动量,碰前电子能量、动量,碰后电子能量、动量,康普顿波长,解释,束缚较弱的电子 光子损失能量 频率↓ 波长↑,紫光,X 射线,主要光电效应光子能量≈电子束缚能同数量级 主要康普顿效应光子能量电子束缚能,光子和电子相互作用的微观机制不同。,能量子 粒子,3.康普顿效应说明在光和微观粒子的相互作用过程中,以下定律严格适用 (A)动量守恒、动能守恒; (B)牛顿定律、动能定律; (C)动能守恒、机械能守恒; (D)动量守恒、能量守恒。,

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