课件32张PPT。光电效应 光子第二节(2课时)第1课时问题1：回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程？用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电 器张角增大到约为 30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。。一、光电效应现象表明锌板在射线照射下失去电子而带正电定义：在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。
发射出来的电子叫做光电子1.什么是光电效应 当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。 光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出----光电子。光电子在电场作用下形成光电流。2.光电效应的实验规律1. 光电效应实验 将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。 当 K、A 间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值 Uc 时，光电流恰为0。 Uc称遏止电压。遏止电压IUcOU光 强 较 弱光电效应伏安特性曲线光电效应实验装置遏
止
电
压 一、光电效应的实验规律IIsUaOU光 强 较 强光 强 较 弱光电效应伏安特性曲线光电效应实验装置遏
止
电
压饱
和
电
流
一、光电效应的实验规律2. 光电效应实验规律①.光电流与光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比。②.截止频率?c ----极限频率对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率?c 。 当入射光频率? > ?c 时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率? < ?c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。③光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间<10-9s。经典理论无法解释光电效应的实验结果。 经典认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。 光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。 光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。 为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。3.爱因斯坦的光量子假设1.内容 光不仅在发射和吸收时以能量为h?的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为? 的光是由大量能量为 ? =h? 光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。 在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek 。由能量守恒可得出：2.爱因斯坦光电效应方程 3. 从方程可以看出光电子初动能和照射
光的频率成线性关系
4.从光电效应方程中，当初动能为零时，
可得极极限频率： 爱因斯坦对光电效应的解释：
1. 光强大，光子数多，释放的光电子也
多，所以光电流也大。
2. 电子只要吸收一个光子就可以从金属
表面逸出，所以不需时间的累积。 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。4.光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。 可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。4.光电效应在近代技术中的应用1.光控继电器可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105~108 倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。2.光电倍增管应 用光电管
光电源电流计IAK 康普顿效应第2课时1.光的散射光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射2.康普顿效应 1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长 和散射物质都无关。一.康普顿散射的实验装置与规律：晶体 光阑探
测
器?0散射波长?康普顿正在测晶体对X 射线的散射 按经典电磁理论：
如果入射X光是某
种波长的电磁波，
散射光的波长是
不会改变的！康普顿散射曲线的特点： 1.除原波长?0外出现了移向长波方向的新的散射波长? 。 2.新波长? 随散射角的增大而增大。 散射中出现 ?≠?0 的现象，称为康普顿散射。波长的偏移为遇到的困难经典电磁理论在解释康普顿效应时2. 无法解释波长改变和散射角的关系。射光频率应等于入射光频率。其频率等于入射光频率，所以它所发射的散过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，1. 根据经典电磁波理论，当电磁波通光子理论对康普顿效应的解释 康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的子能量几乎不变，波长不变。小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，是散射光的波长大于入射光的波长。 部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于1. 若光子和外层电子相碰撞，光子有一结果，具体解释如下： 3. 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。光子理论对康普顿效应的解释三.康普顿散射实验的意义（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设； （2）首次在实验上证实了“光子具有动量”
的假设；（3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，
动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的
几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于
“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只
考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家19271925—1926年，吴有训用银的X射线(?0 =5.62nm)
为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质，四、吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了
重要贡献。光子的能量和动量动量能量是描述粒子的,
频率和波长则是用来描述波的称为电子的Compton波长只有当入射波长?0与?c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角? 有关，而与散射物质
种类及入射的X射线的波长?0 无关，?c = 0.0241?=2.41?10-3nm（实验值）课件12张PPT。第四节、概率波? 电子双缝衍射 1) 用足够强的电子束进行双缝衍射—— 出现了明暗相间的衍射条纹，体现电子的波动性—— 衍射条纹掩饰了电子的粒子性
未能体现电子在空间分布的概率性质 —— 得到的结果与光的双缝衍射结果一样 ? 物质波不是经典波 —— 经典的波是介质中质元共同振动的形成的
双缝衍射中体现为无论电子强度多么弱
屏幕上出现的是强弱连续分布的衍射条纹—— 实际上在电子强度弱的情形中
电子在屏幕上的分布是随机的，完全不确定的 ? 微观粒子不是经典粒子—— 经典粒子双缝衍射—— 子弹可以看作是经典粒子
假想用机关枪扫射双缝A和B，屏幕C收集子弹数目1) 将狭缝B挡住—— 子弹通过A在屏幕C上有一定的分布 —— 类似于单缝衍射的中央主极大
P1 —— 子弹落在中央主极大范围的概率分布2) 将狭缝A 挡住—— 子弹通过狭缝B在屏幕C上有一定的分布 —— 类似于单缝衍射的中央主极大
P2 —— 子弹落在中央主极大范围的概率分布3) A和B狭缝同时打开—— 子弹是经典粒子
原来通过A狭缝的子弹 —— 还是通过A
原来通过B狭缝的子弹 —— 还是通过B屏幕C上子弹的概率分布不因两个狭缝同时打开
每颗子弹会有新的选择！—— 电子双缝衍射—— 电子枪发射出的电子，在屏幕P上观察电子数目1) 将狭缝B挡住—— 电子通过狭缝A
在屏幕C有一定分布
—— 类似于单缝衍射
的中央主极大3）A和B狭缝同时打开—— 如果电子是经典粒子
原来通过A狭缝的电子 —— 还是通过A
原来通过B狭缝的电子 —— 还是通过B屏幕上电子的概率分布屏幕C —— 实际观察到类似光的双缝衍射条纹屏幕C上电子的概率分布—— 只开一个狭缝和同时开两个狭缝
电子运动的方向具有随机性—— A和B狭缝同时开时
电子似乎“知道”
两个狭缝都打开！ 双缝和屏幕之间 —— 到底发生了什么？
屏幕上电子的分布 —— 有了新的概率分布电子 —— 不是经典粒子 光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定I 大 光子出现概率大I小 光子出现概率小统一于概率波理论光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成正比课件32张PPT。1粒子的波动性1实物粒子的波粒二象性、不确定关系1 1923年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大胆地设想，对于光子的波粒二象性会不会也适用于实物粒子。1.物质波的引入光具有粒子性，又具有波动性。光子能量和动量为 上面两式左边是描写粒子性的 E、P；右边是描写波动性的 ?、?。 将光的粒子性与波动性联系起来。实物粒子：静止质量不为零的那些微观粒子。一切实物粒子都有具有波粒二象性。1实物粒子的波粒二象性的意思是：微观粒子既表现出粒子的特性，又表现出波动的特性。实物粒子的波称为德布罗意波或物质波，物质波的波长称为德布罗意波长。2.德布罗意关系式 德布罗意把爱因斯坦对光的波粒二象性描述应用到实物粒子，动量为 P 的粒子波长：德布罗意公式德布罗意是第一个由于博士论文（提出的物质波的假设）获得了诺贝尔奖。1例1：试计算动能分别为100eV、1MeV、1GeV的电子的德布罗意波长。解：由相对论公式：得：若：Ek<>m0c2 则：1则：以上结果与X射线的波长相当，（4）当EK= 1MeV 时，有：1例2：质量 m= 50Kg的人，以 v=15 m/s 的速度运动，试求人的德布罗意波波长。解：上面的结果说明宏观物体的波动性是不显著的，对宏观物体不必考虑其波动性，只考虑其粒子性即可。1 电子在轨道运动时，当电子轨道周长恰为物质波波长的整数倍时，可以形成稳定的驻波，这就对应于原子的定态。3.从德布罗意波导出玻尔角动量量子化条件电子波动反映到原子中，为驻波。1例：求静止电子经 15000V 电压加速后的德波波长。解：静止电子经电压U加速后的动能191 X 射线照在晶体上可以产生衍射，电子打在晶体上也能观察电子衍射。 1927年 C.J.戴维森与 G.P.革末作电子衍射实验，验证电子具有波动性。4.德布罗意波的实验验证1. 电子衍射实验1 戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单晶，电子束被散射。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释，从而验证了物质波的存在。1电流有一峰值，此实验验证了电子具有波动性，实验发现，电子束强度并不随加速电压而单调变化，而是出现一系列峰值。当 U=54V, θ=500 时电子加速电子束在两晶面反射加强条件：1镍单晶与实验值相差很小。这表明电子具有波动性，实物粒子具有波动性是正确的。再由：电子衍射掠射角：1 1927年 G.P.汤姆逊（J.J.汤姆逊之子） 也独立完成了电子衍射实验。与 C.J.戴维森共获 1937 年诺贝尔物理学奖。动画2. 电子衍射实验2电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象X射线一样产生衍射现象。此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都具有波动性。1315.德布罗意波的统计解释究竟怎样理解波和它所描写的粒子之间的关系?
对这个问题曾经有过各种不同的看法。例如，有人认为波是由它所描写的粒子组成的。这种看法与实验不符。我们知道，衍射现象是由波的干涉而产生的，如果波真是由它所描写的粒子所组成，则粒子流的衍射现象应当是由于组成波的这些粒子相互作用而形成的。但事实证明，在粒子流衍射实验中，照象片上所显示出来的衍射图样和入射粒子流强度无关，也就是说和单位体积中粒子的数目无关。如果减小入射粒子流强度，同时延长实验的时间，使投射到照象片上粒子的总数保持不变，则得到的衍射图样将完全相同。即使把粒子流强度减小到使得粒子一个一个地被衍射，照片上一次出现一个孤立的点，体现了电子的粒子性。只要经过足够长的时间，所得到的衍射图样也还是一样。这说明每一个粒子被衍射的现象和其他粒子无关，衍射图样不是由粒于之间的相互作用而产生的。11 物质波振幅的平方与粒子在该处邻近出现的概率成正比。粒子观点电子密处，概率大。电子疏处，概率小。波动观点电子密处，波强大。电子疏处，波强小。电子出现的概率反映该处的波强。波强振幅A2粒子密度概率 机械波是机械振动在空间传播，德布罗意波是对微观粒子运动的统计。1 经典力学中，物体初始位置、动量以及粒子所在力场的性质确定后，物体以后的运动位置就可确定。但对微观粒子，因具有的波动性，其坐标和动量不能同时确定。我们不能用经典的方法来描述它的粒子性。播放动画1.电子单缝衍射1入射前电子在 x 方向无动量，电子通过单缝时位置的不确定范围为：a=Dx，其第一级暗纹的衍射角满足：电子通过单缝后，由于衍射的作用，获得 x方向动量 Px，在x方向的动量的不确定量为：代入德布罗意关系：1式中：量子力学严格证明给出：推广到三维空间，则还应有：由于公式通常只用于数量级的估计，所以它又常简写为：即考虑到更高级的衍射图样，则应有：即1 海森伯不确定关系告诉我们：微观粒子坐标和动量不能同时确定。粒子位置若是测得极为准确，我们将无法知道它将要朝什么方向运动；若是动量测得极为准确，我们就不可能确切地测准此时此刻粒子究竟处于什么位置。 不确定关系是物质的波粒二象性引起的。 对于微观粒子，我们不能用经典的来描述。2.海森伯不确定关系 1927年海森伯提出：粒子在某方向上的坐标不确定量与该方向上的动量不确定量的乘积必不小于普朗克常数。1例1：若电子与质量 m = 0.01 Kg 的子弹，都以 200 m/s 的速度沿 x 方向运动，速率测量相对误差在 0.01% 内。求在测量二者速率的同时测量位置所能达到的最小不确定度 Dx 。解：（1）电子位置的不确定度电子动量不确定度1（2）子弹位置的不确定度子弹动量不确定度子弹很小，仪器测不出，用经典坐标、动量完全能精确描写。对微观粒子不能用经典力学来描写。13.能量和时间的不确定关系 在量子力学中，对能量和时间的同时测量也存在类似的不确定关系，即： ? E 表示粒子能量的不确定量，而?t可表示粒子处于该能态的平均时间。例1:某原子的第一激发态的能级宽度为? E=6 ?10-8电子伏，试估算原子处于第一激发态的寿命?t。解:根据时间与能量的不确定关系，有:1可以证明：凡是共轭的量都是满足不确定关系的。 定义：两个量的相乘积与h有相同量纲（J.S）的物理量称为共轭量。1例2:电子在原子大小范围(? x=10-10米)内运动，试求电子所能有的最小动能。解:根据时间与能量的不确定关系，有:1例3：电视机显像管中的电子枪的枪口约0.1mm，电子的加速电压为9kV，求电子束的纵向速度的不确定量。若电子枪到显示屏的距离为50cm,电子达到显示屏时的位置偏差为多少？解：电子沿y方向的速度由：电子到达荧光屏上时：1 不确定关系是建立在波粒二象性基础上的一条基本客观规律，它是波粒二象性的深刻反应，也是对波粒二象性的进一步描述。 不确定关系是由物质本身固有的特性所决定的，而不是由于仪器或测量方法的缺陷所造成的。不论测量仪器的精度有多高，我们认识一个物理体系的精确度也要受到限制。4. 不确定关系的物理意义 不确定关系说明经典描述手段对微观粒子不再适用。 不确定关系指明了宏观物理与微观物理的分界线。在某个具体问题中，粒子是否可作为经典粒子来处理，起关健作用的是普朗克恒量h的大小。1在原子尺度内，
是个良好的近似。?? 估算氢原子可能具有的最低能量当不计核的运动，氢原子的能量就是电子的能量：代入上式得：5. 不确定关系的应用1处于基态的原子能量是稳定的应满足：由此得出基态氢原子半径：基态氢原子的能量：与波尔理论结果一致。本例还说明：量子体系有所谓的零点能。因为若束缚态动能为零，即速度的不确定
范围为零，则粒子在空间范围趋于无穷大，
即不被束缚。这与事实相左。1?? 解释谱线的自然宽度普朗克
能量子假说不确定关系谱线的
自然宽度它能解释谱线的自然宽度课件16张PPT。无锡市第一中学 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！ 但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：不到一年量子论1905年相对论现象 通恒定电流,功率为3W的灯在正常发光问题 该光的波长约为多少纳米?把它视为点光源,你能估算出一秒内进入你眼睛的光能吗?说说你的方法.根据你的经验灯的亮度会变化吗?实验现象回顾但是，有人却认为灯的发光应该是：一闪一闪的 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。固体在温度升高时颜色的变化1. 热辐射现象黑体与 黑体辐射直觉:
低温物体发出的是红外光
炽热物体发出的是可见光
高温物体发出的是紫外光
注意：
热辐射与温度有关
激光 日光灯发光不是热辐射黑体辐射(一)1.热辐射: 一般物体辐射能量与T,λ有关;还与材料.表面积有关, 能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体 3.黑体辐射:实验结论:1.温度越高,辐射能越大;2.黑体:实验:加热铁2.与最大辐射能对应的波长向短波方向移动
空腔随温度的升高而向外辐射电磁波能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体2. 黑体辐射实验规律 不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。黑体模型 研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。黑体模型空腔上的小孔
炼钢炉上的小洞向远处观察打开的窗子平衡态时 黑体辐射只依赖于物体的温度,与构成黑体的材料 形状无关
维恩公式:短波适合;长波不符合瑞利公式:长波适合;短波荒唐普朗克理论 : 在发射和吸收能量的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。能量是h? 的整数倍。黑体辐射(二)两种经典的电磁理论黑体辐射实验是物理学晴朗天空中
一朵令人不安的乌云。问题: 既然灯向外辐射的光能是分立的，一份份的。 为何我们看不到灯的亮度发生变化？结论：
1。在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的,能量变化是连续的,不必考虑量子化2。在研究微观粒子时必需考虑能量量子化问题与结论 普朗克理论: 能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。能量是h? 的整数倍。每份能量为: E=hν看下列一组照片能否给你一点启发 1900年12月14日，普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文，宣告了量子的诞生。那一年他42岁。普朗克把能量子引入物理学,正确地破除了”能量连续变化”的传统观念,成为现代物理学思想的基石之一, 为我们打开了量子之门, 就在1900年，一个名叫爱因斯坦(Albert Einstein)的青年从苏黎世联邦工业大学(ETH)毕业，正在为将来的生活发愁。5年后他受量子化启发提出了光量子,成功的解释了光电效应.
能量量子化:物理学的新纪元 就在那一年,在丹麦，15岁的玻尔(Niels Bohr)正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动的性格。学习方面，他在数学和科学方面显示出了非凡的天才，但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全校有名。13年后他提出了原子轨道量子化.
德布罗意(Louis de Broglie)当时8岁，还正在家里接受良好的幼年教育。后来他提出了物质波.
再过12个月，维尔兹堡(Wurzberg)的一位著名希腊文学教授就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海森堡(Werner Karl Heisenberg)呱呱坠地。
以上人物都将在我们的课文中出现.请同学们记住他们的名字.
能量量子化:物理学的新纪元课堂练习3.在白天,对面楼房的窗户看上去是黑色的,而外墙面是亮的.为什么?1.请你填空:在做全国人口普查时我们关心的是:现在全国有几___人, 班级小组长在数人数时常用:一___,两___;等.4.光源发出的光能是一份一份的,那么每份光能是怎样传到你的眼睛里呢?是均匀分布在两只眼睛里？还是每份只传给一只眼睛上的某一处呢?
请你与同桌讨论一下,说说你的猜想.
2.灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍.那么红光的最小能量比紫光的最小能量大还是小? 本节课的主要知识: 微观粒子的运动是不连续的, 在发射和吸收能量的时候，不是连续的，而是一份一份的。能量是h? 的整数倍。
每份能量为: E=hν
