大学物理-物理与文化：第四章 光的本性

2022-6-141第四章第四章 光的本性是什么？光的本性是什么？2022-6-1421 1、光的微粒说、光的微粒说2 2、光的波动性、光的波动性惠更斯原理惠更斯原理 杨氏双缝干涉和薄膜干涉杨氏双缝干涉和薄膜干涉 单缝衍射、圆孔衍射单缝衍射、圆孔衍射3 3、光的波粒二象性、光的波粒二象性4 4、多普勒效应、多普勒效应5 5、波尔公式、波尔公式 光的共振吸收光的共振吸收 激光原理激光原理2022-6-143光的微粒说（牛顿的微粒说）光的微粒说（牛顿的微粒说） 17 17世纪下半叶，牛顿提出了光的世纪下半叶，牛顿提出了光的“”（认为光是按照惯（认为光是按照惯性定律沿直线传播的微粒流）性定律沿直线传播的微粒流）。与牛顿同一时代的惠更斯则提出了。与牛顿同一时代的惠更斯则提出了光的光的“”（认为光是在一种特殊弹性介质中传播的机械波）（认为光是在一种特殊弹性介质中传播的机械波）。由于牛顿在科学界的权威性，以及早期波动学说缺乏数学和实验。由于牛顿在科学界的权威性，以及早期波动学说缺乏数学和实验基础，还很不完善，占统治地位的仍然是光的微粒说。基础，还很不完善，占统治地位的仍然是光的微粒说。 三棱镜折射三棱镜折射2022-6-144 牛顿认为：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子牛顿认为：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流。牛顿的微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。流。牛顿的微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，所以很快获由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持。得了人们的承认和支持。 但是，微粒说并不是但是，微粒说并不是“万能万能”的，比如，它无法解释为什么几束的，比如，它无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时，为什么光线并不是在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时，为什么光线并不是永远走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。永远走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。2022-6-145 惠更斯认为光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊惠更斯认为光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊的叫做的叫做“以太以太”的弹性媒质来传播的现象。波动说不但解释了几束光的弹性媒质来传播的现象。波动说不但解释了几束光线在空间相遇不发生干扰而独立传播，而且解释了光的反射和折射现线在空间相遇不发生干扰而独立传播，而且解释了光的反射和折射现象，不过在解释折射现象时，惠更斯假设光在水中的速度小于在空气象，不过在解释折射现象时，惠更斯假设光在水中的速度小于在空气中的速度，这与牛顿的解释正好相反。中的速度，这与牛顿的解释正好相反。 尽管波动说可以解释不少光学现象，但由于它很不完善，解释不了尽管波动说可以解释不少光学现象，但由于它很不完善，解释不了人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题，所以没有得到广泛的支人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题，所以没有得到广泛的支持。再加上当时受实验条件的限制，还无法测出水中的光速，便无法持。再加上当时受实验条件的限制，还无法测出水中的光速，便无法判断牛顿和惠更斯关于折射现象的假设谁对谁错。尤其是牛顿在学术判断牛顿和惠更斯关于折射现象的假设谁对谁错。尤其是牛顿在学术界久负盛名，他的拥护者对波动说横加指责，全盘否定，终于把波动界久负盛名，他的拥护者对波动说横加指责，全盘否定，终于把波动说压了下去，致使它在很长时间内几乎销声匿迹。而微粒说盛极一时，说压了下去，致使它在很长时间内几乎销声匿迹。而微粒说盛极一时，居然在光学界称雄整个居然在光学界称雄整个1818世纪。世纪。 2022-6-146（机械振动在弹性媒质中的传播（机械振动在弹性媒质中的传播过程，称为机械波），如：水波、声波、过程，称为机械波），如：水波、声波、绳索上的波、地震波等；绳索上的波、地震波等；（交变的电场、磁场在空间的传（交变的电场、磁场在空间的传播过程，称为电磁波），如：无线电波、播过程，称为电磁波），如：无线电波、光波、微波等等；光波、微波等等；乃至乃至 上述种种波动，虽然产生的机制、物理本质不尽相上述种种波动，虽然产生的机制、物理本质不尽相同，但是它们却有共同的波动规律，都同，但是它们却有共同的波动规律，都能产生反射、折能产生反射、折射、干涉和衍射等现象，射、干涉和衍射等现象，并有共同的数学表达式。并有共同的数学表达式。http:/ ( (质点质点) )振动方向与波的传播方向垂直振动方向与波的传播方向垂直( (如：细绳波、电磁波如：细绳波、电磁波) ) （特点：波峰和波谷）（特点：波峰和波谷）纵波纵波 ( (质点质点) )振动方向与波的传播方向一致振动方向与波的传播方向一致( (如：声波、疏密波如：声波、疏密波) )（特点：疏和密）（特点：疏和密）基本波型基本波型: : 横波、纵波横波、纵波 复杂波型复杂波型: : 水波、地震波水波、地震波2022-6-148机械波的形成机械波的形成 ) ( ) ( 传播振动的物质最初振动的物体弹弹性性媒媒质质振振源源波波源源二二个个必必要要条条件件机机械械波波2022-6-149下面我们以弹性绳索中传播的横波为例来说明波的产生与传播：下面我们以弹性绳索中传播的横波为例来说明波的产生与传播： 2313,2310,43237,2234,4231, 0质元质元质元质元质元质元质元质元质元质元TtTtTtTtt决定了机械波的产生和传播过程的两个因素：决定了机械波的产生和传播过程的两个因素：弹性媒质的弹性媒质的弹性弹性和和惯性惯性。2022-6-1410 波长、频率、波速波长、频率、波速波长波长 ( (波的传播方向上波的传播方向上) )具有具有相同振动状态相同振动状态的任意两相邻质点的任意两相邻质点 的距离。的距离。波的频率波的频率 单位时间内振动传播出去的波长数。单位时间内振动传播出去的波长数。波速波速 u u 单位时间内振动传播的距离，即位相传播的速度单位时间内振动传播的距离，即位相传播的速度( (相速相速度度) )。uT 2022-6-1411惠更斯原理惠更斯原理在波的传播过程中，总可以找到同位相各点的几在波的传播过程中，总可以找到同位相各点的几何位置，这些点的轨迹是一个等位相面，叫做波面。惠何位置，这些点的轨迹是一个等位相面，叫做波面。惠更斯曾提出次波的假设来阐述波的传播现象，建立了惠更斯曾提出次波的假设来阐述波的传播现象，建立了惠更斯原理惠更斯原理可表述如下：更斯原理惠更斯原理可表述如下：任何时刻波面上的任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源，各自发出球面次波；在以每一点都可作为次波的波源，各自发出球面次波；在以后的任何时刻，所有这些次波面的包络面形成整个波在后的任何时刻，所有这些次波面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。该时刻的新波面。5 5 2022-6-1412波的反射、折射、干涉、衍射波的反射、折射、干涉、衍射（以光波为例）（以光波为例）光的反射光的反射：光到达两种物质分：光到达两种物质分界面上改变传播方向返回原界面上改变传播方向返回原物质中的现象。物质中的现象。光的折射光的折射：光在两种物质分界：光在两种物质分界面上传播方向发生改变进入另面上传播方向发生改变进入另一种物质中的现象。一种物质中的现象。2022-6-1413干涉、衍射干涉、衍射波的独立传播原理：波的独立传播原理：几列波可以保持各自的特点（频率、几列波可以保持各自的特点（频率、波长、振动、振动方向等）同时通过同一介质，好像在波长、振动、振动方向等）同时通过同一介质，好像在各自的传播过程中没有遇到其它波一样。各自的传播过程中没有遇到其它波一样。2波的叠加原理：波的叠加原理：波的这种独立性，使得当几列波在空间波的这种独立性，使得当几列波在空间的某一点相遇时，每列波都单独引起介质中该处质元的的某一点相遇时，每列波都单独引起介质中该处质元的振动，并不因其他波的存在而有所改变，因此该质元实振动，并不因其他波的存在而有所改变，因此该质元实际的振动就是各列波单独存在时所引起该质元的各个振际的振动就是各列波单独存在时所引起该质元的各个振动的叠加。动的叠加。1、22022-6-1414 波的干涉波的干涉：满足一定条件的：满足一定条件的两列波叠加时，在叠加区域两列波叠加时，在叠加区域某些地方强度始终增强，某某些地方强度始终增强，某些地方强度始终减弱的现象。些地方强度始终减弱的现象。（相干条件（相干条件:振动方向相同，振动方向相同，频频 率相同，相位差恒定）率相同，相位差恒定）32022-6-1415相干光的获得方法相干光的获得方法 用单色性好的点光源，把光线分成两部分，然后再用单色性好的点光源，把光线分成两部分，然后再叠加。（取自同一原子的同一次发光）叠加。（取自同一原子的同一次发光）1.分波前法分波前法（杨氏双缝干涉）（杨氏双缝干涉）2.分振幅法分振幅法（薄膜干涉）（薄膜干涉）2022-6-1416杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 1801年英国医生兼物理学家托马年英国医生兼物理学家托马斯斯.杨（杨（T. Young，1773-1829）做了一）做了一个实验，奠定了光的波动说的实验基个实验，奠定了光的波动说的实验基础，这就是光学发展史上著名的杨氏础，这就是光学发展史上著名的杨氏双缝干涉实验。双缝干涉实验。2022-6-14172022-6-1418Interference in Thin Films2022-6-14192022-6-1420Interference in soap bubble / A thin film of oil floating on water2022-6-14212022-6-1422 波的衍射：波的衍射：波在传播过程中遇到障碍物偏离直线传播，波在传播过程中遇到障碍物偏离直线传播，绕到障碍物后面去的现象。绕到障碍物后面去的现象。（ 衍射条件：衍射条件：入射波波长入射波波长大于或等于大于或等于障碍物、孔或缝的大小）障碍物、孔或缝的大小）42022-6-1423课堂作业课堂作业1. 电磁波主要成员包括哪些？电磁波主要成员包括哪些？ 2. 几列波相遇会发生几列波相遇会发生 ，其中满，其中满足足 , ， ，三个条件的两列波会发生，三个条件的两列波会发生 。两列相干光产生的图像是两列相干光产生的图像是 。3. 在日常经验中，为什么声波的衍射比光波的衍射更加显在日常经验中，为什么声波的衍射比光波的衍射更加显著？著？2022-6-14241. 电磁波主要成员包括哪些？电磁波主要成员包括哪些？无线电波、红外线、可见光、紫外线、无线电波、红外线、可见光、紫外线、 X X射线、射线、 射线射线课堂作业订正课堂作业订正2、几列波相遇会发生、几列波相遇会发生 波的叠加波的叠加 ，其中满足，其中满足 频率相频率相同同 ， 振动方向相同振动方向相同 ， 相位差恒定相位差恒定 三个条件的两三个条件的两列波会发生列波会发生 波的干涉波的干涉 。两列相干光产生的图像是。两列相干光产生的图像是 明暗相间的等间距条纹明暗相间的等间距条纹 。2022-6-1425课堂作业课堂作业订正订正3. 在日常经验中，为什么声波的衍射比光波的衍射更加显在日常经验中，为什么声波的衍射比光波的衍射更加显著？著？ 答：答： 波的衍射是指波在传播过程中遇到障碍物偏离直波的衍射是指波在传播过程中遇到障碍物偏离直线传播，绕到障碍物后面去的现象。线传播，绕到障碍物后面去的现象。 衍射条件是障碍衍射条件是障碍物、孔或缝的大小与波长接近或更小。光波波长是物、孔或缝的大小与波长接近或更小。光波波长是0.40.80.40.8微米之间，而声波波长是几米微米之间，而声波波长是几米几十米，比光几十米，比光波波长大得多，且与日常生活物体尺寸接近，所以很波波长大得多，且与日常生活物体尺寸接近，所以很容易发生衍射。容易发生衍射。2022-6-14261 1、光的微粒说、光的微粒说2 2、光的波动性、光的波动性3 3、光的波粒二象性、光的波粒二象性光电效应光电效应历史背景历史背景辐射：是波还是粒子？辐射：是波还是粒子？4 4、波尔公式、波尔公式 光的共振吸收光的共振吸收 激光原理激光原理5 5、多普勒效应、多普勒效应2022-6-142718901890年前后，科学年前后，科学家们开始注意到：家们开始注意到：当可见光和其当可见光和其它电磁辐射照在一块金属表面上它电磁辐射照在一块金属表面上时，这些辐射能够从金属表面打时，这些辐射能够从金属表面打出电子，这就是光电效应。出电子，这就是光电效应。6 62022-6-1428电磁波辐射理论对光电效电磁波辐射理论对光电效应的定性解释是：应的定性解释是：振动的振动的电磁场对金属表面的带电粒子电磁场对金属表面的带电粒子施加一个振动力。电磁场越来施加一个振动力。电磁场越来越厉害地摇晃这些粒子直到结越厉害地摇晃这些粒子直到结合最松散的电子被摇下来。合最松散的电子被摇下来。2022-6-1429经典理论的这种解释遇到的两点麻烦：经典理论的这种解释遇到的两点麻烦：1、 实验上没有观察到辐射抵达金属表面与首批电子发射实验上没有观察到辐射抵达金属表面与首批电子发射之间的之间的时间延迟时间延迟。即使光很弱，电子仍然在光照到金属表。即使光很弱，电子仍然在光照到金属表面的瞬间就打出电子来。面的瞬间就打出电子来。2、 只有在光的频率高于某一只有在光的频率高于某一截止频率截止频率（红限频率红限频率）时才）时才有电子发射。频率低于截止频率的光打不出电子来，不论有电子发射。频率低于截止频率的光打不出电子来，不论光的强度有多强，也不论照射多长时间。但是频率高于截光的强度有多强，也不论照射多长时间。但是频率高于截止频率的光，即使光很弱，也能打出电子。此时增加光强，止频率的光，即使光很弱，也能打出电子。此时增加光强，能打出更多的电子。能打出更多的电子。2022-6-14301.1.实验证明光电效应瞬时发生实验证明光电效应瞬时发生 2.2.只有当照射光频率大于极限频率（或叫阈值频率）只有当照射光频率大于极限频率（或叫阈值频率） 时，才会产生光电流时，才会产生光电流3.3.光电子有初动能，其大小与入射光频率成正比光电子有初动能，其大小与入射光频率成正比. .2022-6-1431爱因斯坦用爱因斯坦用“能量子能量子”理论的解释理论的解释 1 1、电磁辐射能量是量子化的，它由能量子（光子）、电磁辐射能量是量子化的，它由能量子（光子）组成，量子化的能量正比于频率组成，量子化的能量正比于频率Eh普朗克常数普朗克常数346.62610h焦耳 秒2 2、爱因斯坦的光电效应方程、爱因斯坦的光电效应方程2mVmhW12阈值频率：使电子刚能逸出金属表面的光子频率有一阈值频率：使电子刚能逸出金属表面的光子频率有一个下限，对应于此时电子速度为零。个下限，对应于此时电子速度为零。minhW2022-6-1432金属金属逸出功逸出功WW（电子伏特）（电子伏特）极限波长极限波长 maxmax（微米）（微米）原子电离能原子电离能（电子伏特）（电子伏特）钾钾 K K2.252.250.5510.5514.3184.318钠钠 NaNa2.292.290.5410.5415.125.12锂锂 LiLi2.692.690.4610.4615.3635.363钙钙 CaCa3.203.200.3870.3876.096.09镁镁 MgMg3.673.670.3380.3387.617.61铬铬 CrCr4.374.370.2840.2846.746.74钨钨 WW4.544.540.2740.2748.18.1铜铜 CuCu4.364.360.2840.2847.687.68银银 AgAg4.634.630.2680.2687.5427.542金金 AuAu4.804.800.2580.2589.189.18若干金属的逸出功若干金属的逸出功WW、 maxmax和原子电离能和原子电离能2022-6-143319141914年，美国物理学家密立根研究发现遏止电压确年，美国物理学家密立根研究发现遏止电压确实与频率成正比，有线性关系。实与频率成正比，有线性关系。2200Vmv VmvmmekbhWe11222022-6-1434 光不但有波性，也有粒子性，光在传播时显出波光不但有波性，也有粒子性，光在传播时显出波性，在与物质相互作用而转移能量时表现出粒子性，性，在与物质相互作用而转移能量时表现出粒子性，两者不会同时显现出来两者不会同时显现出来2022-6-14352022-6-14362022-6-14372mmvhW12minhWmaxchWmax931.242.251.2410100.552.25hcnm keVWeVm eVumeV814min6max3.0 10/5.4 100.55 10cm sHzm 解：【例题例题1】试计算能通过光电效应从金属钾中打出电子所需试计算能通过光电效应从金属钾中打出电子所需的光子最小能量及其相应的最小频率（阈值频率）和最大波的光子最小能量及其相应的最小频率（阈值频率）和最大波长。长。已知金属钾的逸出功为已知金属钾的逸出功为2.25电子伏特，电子伏特，hc1.24纳米纳米.千电子伏特。千电子伏特。2022-6-1438方法二：8max14min3.0 10/0.555.4 10cm sumHz2mmvhW12min342.25h6.624 10WeVJ s所以1914342.25 1.6 105.4 106.624 10JHzJ sminhW2022-6-1439【例题例题2】已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是大动能是 1.2 eV，而钠的红限波长是，而钠的红限波长是 540 nm，那么入射光，那么入射光的波长是的波长是 nm。 hc1.24纳米纳米.千电子伏特千电子伏特 eVnmhcnmhcEhcWhchWEhchkmkm 1240355105401031063. 6106 . 12 . 11031063. 6983419834000注：注： 2022-6-1440思考题思考题某金属表面被蓝光照射时有电子逸出，若增某金属表面被蓝光照射时有电子逸出，若增加蓝光的强度，则加蓝光的强度，则（A）单位时间内逸出的光电子数增加。（）单位时间内逸出的光电子数增加。（B）逸出的电子的初动能增加。（逸出的电子的初动能增加。（C）光电效应的）光电效应的红限频率变小。（红限频率变小。（D）打出电子所需的）打出电子所需的 时间缩短。时间缩短。黄光的波长为黄光的波长为570nm，试计算它的频率和组成，试计算它的频率和组成它的光子能量。它的光子能量。 （5.26x1014Hz, 3.49x10-19J)2022-6-1441课堂作业课堂作业某金属表面被蓝光照射时有电子逸出，若增加蓝光的强度，某金属表面被蓝光照射时有电子逸出，若增加蓝光的强度，则则（A）单位时间内逸出的光电子数增加。）单位时间内逸出的光电子数增加。（B）逸出的电子的初动能增加。）逸出的电子的初动能增加。（C）光电效应的红限频率变小。）光电效应的红限频率变小。（D）打出电子所需的时间缩短。）打出电子所需的时间缩短。2022-6-1442黄光的波长为黄光的波长为570nm，试计算它的频率和组成它的光子，试计算它的频率和组成它的光子能量。能量。 （5.26x1014Hz, 3.49x10-19J)课堂作业课堂作业81493.0 10/5.26 10570 10cm sHzm解：解：3414196.626 105.26 103.49 10EhJ SHzJ2022-6-1443课堂作业课堂作业6、试计算能通过光电效应从金属钾中打出、试计算能通过光电效应从金属钾中打出0.25电子伏电子伏特的电子，必须使用多少波长的电磁波辐射？特的电子，必须使用多少波长的电磁波辐射？(已知金已知金属钾的逸出功为属钾的逸出功为2.25电子伏特，电子伏特，hc1.24纳米纳米.千电子千电子伏特。伏特。)4、为什么紫外线能杀伤你的皮肤中的细胞而可见光却、为什么紫外线能杀伤你的皮肤中的细胞而可见光却不会？不会？5、当波长为、当波长为450nm的蓝光射到金属钠上时，从金属钠的蓝光射到金属钠上时，从金属钠上打出的光电子动能是多少？上打出的光电子动能是多少？ （已知金属钠的逸出功（已知金属钠的逸出功为为2.29电子伏特，电子伏特，hc1.24纳米纳米.千电子伏特。千电子伏特。 ）2022-6-1444课堂作业课堂作业4、为什么紫外线能杀伤你的皮肤中的细胞而可见光却不、为什么紫外线能杀伤你的皮肤中的细胞而可见光却不会？会？答：光子的能量为答：光子的能量为 ，紫外线频率较可见光大，紫外线频率较可见光大，相应组成它的光子的能量高，且刚好能杀伤生命细胞。相应组成它的光子的能量高，且刚好能杀伤生命细胞。Eh2022-6-14455 5、当波长为当波长为450nm的蓝光射到金属钠上时，从金属钠上的蓝光射到金属钠上时，从金属钠上打出的光电子动能是多少？（已知金属钠的逸出功为打出的光电子动能是多少？（已知金属钠的逸出功为2.29电子伏特，电子伏特，hc1.24纳米纳米.千电子伏特。千电子伏特。 ）课堂作业课堂作业解：解：2mmvhW122mhcvW121.242.294500.47nmkeVeVnmeV2022-6-14466 6、试计算能通过光电效应从金属钾中打出试计算能通过光电效应从金属钾中打出0.250.25电子伏特电子伏特的电子，必须使用多少波长的电磁波辐射？的电子，必须使用多少波长的电磁波辐射？( (已知金属已知金属钾的逸出功为钾的逸出功为2.25电子伏特，电子伏特，hc1.24纳米纳米.千电子伏千电子伏特。特。)2mmvhW122mhcvW122931.240.252.25m1.2410100.4962.5hcnm keVeVeVvWm eVumeV12 解：解：2022-6-1447 爱因斯坦认为，辐射永远以一爱因斯坦认为，辐射永远以一个个小包、小粒子的形式出现。他个个小包、小粒子的形式出现。他把这些辐射粒子称为光子。把这些辐射粒子称为光子。 光子和实物粒子不同：它们携光子和实物粒子不同：它们携带一份能量以光速运动；它们的静带一份能量以光速运动；它们的静止质量为零；振动的带电粒子产生止质量为零；振动的带电粒子产生光子。光子。 光子像下雨一样落在金属表面上，打出电子，就像光子像下雨一样落在金属表面上，打出电子，就像机关枪的子弹从混凝土墙上打下混凝土块一样。按照这机关枪的子弹从混凝土墙上打下混凝土块一样。按照这种观点，我们预料当首批光子打到金属表面时就立刻有种观点，我们预料当首批光子打到金属表面时就立刻有电子飞出来。电子飞出来。2022-6-1448光子携带能量的允许值：光子携带能量的允许值： E = h入射光子能量入射光子能量 = 逸出功逸出功 +逸出电子初动能逸出电子初动能212hWmv红限频率对应光电子初动能等于红限频率对应光电子初动能等于 0 ，所以，所以0Whhhh2022-6-1449用光电效应方程解释实验结论：1、当电子逸出金属表面的速度为0时，有 hv=w，电子吸收的能量hv刚好克服金属表面的束缚w，若 ，电子吸收的能量不够大，电子就跑不出来，所以有一个下限 。2、因为光是量子的，电子吸收光子能量的过程，可看成是发生一个弹性碰撞，所以打出电子的时间极短（无能量积累的过程）2m in1()2mVhv v3、由方程 知， 光电子动能大小与两频率之差成正比的，与光强无关。 4、入射光强的大小由两个因素决定： a.光频率：b.光子数目。当hv大于w，即确定的v光照射，光强越大，出射的光电子数越多。2min1()2mVvvminhvhvminv2022-6-1450n对某种金属，电子逸出金属表面所需的能量称为“逸出功”，用W表示，单位是电子伏特ev, 表示一个电子在1伏电压下加速所获得的能量，所以是能量单位，能量的国际单位是？n注：每种金属的逸出功W是不一样的。1911.6 10evJn通过一个光电方程就把光电效应所有的实验规律解释清楚了，突破点在于假设光的量子性。n爱因斯坦因为发现光电效应的规律，获得了1921年的物理诺贝尔奖。连续的光波由一粒粒的光子组成连续的光波由一粒粒的光子组成2022-6-1451 1015 Hz每个光子的能量：每个光子的能量： E = h= 6.61034 Js 1015 s1= 6.61019 JN = 1000J / 6.61019J 1021 约有约有10万亿亿个光子。万亿亿个光子。【例题例题】在晴朗的白天，照射每平方米地球表面的太阳光每在晴朗的白天，照射每平方米地球表面的太阳光每秒钟携带的能量有秒钟携带的能量有 1000 J . 估计估计 1 s 内撞击内撞击 1 m2 地球表面地球表面的光子数目。的光子数目。2022-6-1452【例例】已知金属铯的逸出功为已知金属铯的逸出功为1.91.9电子伏特（电子伏特（hchc1.241.24纳米纳米. .千电子伏特），试问千电子伏特），试问（1 1）金属铯的光）金属铯的光电效应阈频率及其相应波长为多少？并指出是电效应阈频率及其相应波长为多少？并指出是什么电磁辐射。（什么电磁辐射。（2 2）如果要得到能量为）如果要得到能量为2.12.1电电子伏的光电子，必须使用多少波长的光照射？子伏的光电子，必须使用多少波长的光照射？并指出这种波长属于什么电磁辐射。并指出这种波长属于什么电磁辐射。2022-6-1453max1.240.653um1.9hcnm keVWeV814min6max3.0 10/4.6 100.653 10cm sHzm 解：解：【例例】已知金属铯的逸出功为已知金属铯的逸出功为1.91.9电子伏特（电子伏特（hchc1.241.24纳米纳米. .千电子伏特），试问千电子伏特），试问（1 1）金属铯的光电效应阈频率及其）金属铯的光电效应阈频率及其相应波长为多少？并指出是什么颜色的光。（相应波长为多少？并指出是什么颜色的光。（2 2）如果要）如果要得到能量为得到能量为2.12.1电子伏的光电子，必须使用多少波长的光电子伏的光电子，必须使用多少波长的光照射？并指出这种波长属于什么颜色的光。照射？并指出这种波长属于什么颜色的光。红光红光2022-6-1454（2）2mmvhW122mhcvW1221.240.31um2.11.9mhcnm keVeVeVvW12紫外线紫外线【思考题思考题】已知金属铯的逸出功为已知金属铯的逸出功为1.91.9电子伏特（电子伏特（hchc1.241.24纳米纳米. .千电子伏特），试问千电子伏特），试问（1 1）金属铯的光电效应阈频率）金属铯的光电效应阈频率及其相应波长为多少？并指出是什么颜色的光。（及其相应波长为多少？并指出是什么颜色的光。（2 2）如）如果要得到能量为果要得到能量为2.12.1电子伏的光电子，必须使用多少波长电子伏的光电子，必须使用多少波长的光照射？并指出这种波长属于什么颜色的光。的光照射？并指出这种波长属于什么颜色的光。2022-6-1455例：光电效应中，某金属的逸出功为2ev，入射光波长为 厘米，求打出的光电子的动能？84200 102022-6-145681500 10例：光电效应中，波长为 厘米的光照在某一金属上，能得到动能为5ev的光电子，问此金属的逸出功应为多少？2022-6-1457例：假设某种金属的光电效应阈值频率在光谱的黄光区域。红外线和紫外线都射到这块金属的表面上，其中什么颜色的光将把电子从这个表面打出？2022-6-1458历史背景历史背景量子理论创立于量子理论创立于2020世纪初至世纪初至3030年代。年代。量子理论是对辐射和实物的行为、特别是微观层量子理论是对辐射和实物的行为、特别是微观层次上的行为的详尽描述。次上的行为的详尽描述。其核心观念是：其核心观念是：大自然在微观层次上是不连续的或大自然在微观层次上是不连续的或“量子化量子化”的，这同大自然在一切层次上都是光滑的的，这同大自然在一切层次上都是光滑的或连续的牛顿式假设相反。或连续的牛顿式假设相反。2022-6-1459 普朗克（普朗克（M. Planck, 1858-M. Planck, 1858-19471947）德国理论物理学家，量子论的德国理论物理学家，量子论的奠基人，被德国科学界誉为奠基人，被德国科学界誉为“帝国的帝国的科学首相科学首相”。早在。早在18991899年，普朗克在年，普朗克在研究辐射热力动力学时，就提出了一研究辐射热力动力学时，就提出了一个新的普适常数个新的普适常数h h，该常数后来称为，该常数后来称为基本作用量子，现称普朗克常数。基本作用量子，现称普朗克常数。2022-6-1460 普朗克于普朗克于18581858年年4 4月月2323日出生于德国日出生于德国基尔。从小就在音乐、文学及数学等方基尔。从小就在音乐、文学及数学等方面显露了才华，但最终选择了科学。面显露了才华，但最终选择了科学。 18771877年在柏林大学获得博士学位，先后年在柏林大学获得博士学位，先后在多座大学任教。在多座大学任教。18891889年接替导师基尔年接替导师基尔霍夫继任柏林大学科学讲座教授，直到霍夫继任柏林大学科学讲座教授，直到19261926年退休。年退休。2022-6-1461 1900 1900年年1212月月1414日普朗克在德国物理日普朗克在德国物理学会年会上做了一个有历史意义的报告，学会年会上做了一个有历史意义的报告，题目是题目是正常光谱辐射能的分布理论正常光谱辐射能的分布理论，提出了量子论。这一天就成了提出了量子论。这一天就成了量子物理的诞生日。普朗克提出的能量子概念是非常新奇的，量子物理的诞生日。普朗克提出的能量子概念是非常新奇的，它揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全它揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。假设具有划时代的意义，于新领域。假设具有划时代的意义，于19181918年被授予年被授予NobelNobel物物理学奖，从而肯定了他对物理学发展的不朽贡献。理学奖，从而肯定了他对物理学发展的不朽贡献。2022-6-1462普朗克的一生与音乐结下了不解之缘，普朗克的一生与音乐结下了不解之缘，他是钢琴家、风琴手，又是音乐指挥家。他是钢琴家、风琴手，又是音乐指挥家。直到他逝世的当天，仍像平时那样每天直到他逝世的当天，仍像平时那样每天弹一小时钢琴。音乐促进了他的创造性弹一小时钢琴。音乐促进了他的创造性思维的发展。思维的发展。 19471947年年1010月月4 4日普朗克在哥廷根逝世，享年日普朗克在哥廷根逝世，享年8989岁。他的坟岁。他的坟墓上只有一块长方形条石，上部刻了他的名字，下部刻了墓上只有一块长方形条石，上部刻了他的名字，下部刻了“ h=6.62h=6.62 10-27erg.s10-27erg.s”的字样。的字样。2022-6-14632022-6-1464热辐射热辐射 任何物体都具有不断任何物体都具有不断辐射、吸辐射、吸收收电磁波的本领。辐射出去的电磁电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而体本身的特性及其温度有关，因而这种辐射就称之为这种辐射就称之为热辐射热辐射。另外，。另外，一切物体在向外界发射辐射能的同一切物体在向外界发射辐射能的同时也吸收周围物体发出的辐射能。时也吸收周围物体发出的辐射能。2022-6-1465 以白炽灯为例，灯丝通以电流后，当温度以白炽灯为例，灯丝通以电流后，当温度 T 800 KT 800 KT800 K时，灯丝微微发红，继续升高温度，灯时，灯丝微微发红，继续升高温度，灯丝由暗红变橙黄，再变白，当温度极高时，灯丝呈青白色丝由暗红变橙黄，再变白，当温度极高时，灯丝呈青白色，即达到所谓的，即达到所谓的“白炽化白炽化”，同时我们感到灯丝灼热逼人，同时我们感到灯丝灼热逼人。以上事例说明：。以上事例说明： 温度升高，辐射的总能量增加。温度升高，辐射的总能量增加。 温度升高，辐射能量更多地向短波部分分布。温度升高，辐射能量更多地向短波部分分布。2022-6-1466为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。-一个物体如果能完全吸收投射到其表面的任一个物体如果能完全吸收投射到其表面的任何波长的辐射能，既不反射，也不透射，我们称这种物体为何波长的辐射能，既不反射，也不透射，我们称这种物体为，简称，简称。绝对黑体是一种理想化的模型，用不绝对黑体是一种理想化的模型，用不透明的材料制成的一个有小孔的空腔，可以视为绝对黑体。透明的材料制成的一个有小孔的空腔，可以视为绝对黑体。如：山洞、窗口、炉膛等。如：山洞、窗口、炉膛等。2022-6-14672022-6-1468如下图所示，太阳辐射谱如下图所示，太阳辐射谱-大气层外的太阳辐射曲线同大气层外的太阳辐射曲线同5900K5900K的黑体辐射曲线类似。太阳光穿入大气层时被大气吸的黑体辐射曲线类似。太阳光穿入大气层时被大气吸收，水汽和二氧化碳在红外区强烈吸收太阳辐射，臭氧在紫收，水汽和二氧化碳在红外区强烈吸收太阳辐射，臭氧在紫外区强烈吸收太阳辐射。外区强烈吸收太阳辐射。 2022-6-14694-2-840KmW1067. 5 ),()( TdTMTMBBKm10898. 2 3m bbT 单色辐出度单色辐出度辐射出射度辐射出射度2022-6-1470 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律是黑体辐射玻耳兹曼定律和维恩位移定律是黑体辐射的基本定律，它们在现代科学技术上具有极广泛的应用的基本定律，它们在现代科学技术上具有极广泛的应用，是测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。，是测量高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。如：太阳单色辐出度最大处波长如：太阳单色辐出度最大处波长 m m 0.490.49 m m T=5900KT=5900K宇宙背景辐射宇宙背景辐射 m m0.1cm T =2.7K0.1cm T =2.7K“辐射高温计辐射高温计”，“炉火纯青炉火纯青”等等等等2022-6-1471能量子假说：能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只谐振子只能处于某些分立的能量状态能处于某些分立的能量状态，在这些状态中，谐振子的，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：（称为能量子）的整数倍，即：, 1, 2, 3, . n. n, 1, 2, 3, . n. n为正整数，称为量子数。为正整数，称为量子数。2022-6-1472 在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体的单色辐出度，即普朗克公式。电动力学理论，得到黑体的单色辐出度，即普朗克公式。能量能量量子量子经典经典称称为为量量子子数数为为正正整整数数 ,.,2,1,0 nnnhn 2022-6-1473 一个振动物体的能量由于某种原因只能取特一个振动物体的能量由于某种原因只能取特定的一组允许值，这是牛顿物理学无法解释的一定的一组允许值，这是牛顿物理学无法解释的一种限制。今天我们仍然不知道其原因。种限制。今天我们仍然不知道其原因。 在物理学中，一个普适常数的发现往往要引出在物理学中，一个普适常数的发现往往要引出整套的理论。整套的理论。如果说普适的光速如果说普适的光速 c 引出了狭义相对引出了狭义相对论，那么普朗克常数论，那么普朗克常数 h 则引出了量子论。则引出了量子论。牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观决定论的宇宙观决定论的宇宙观 相对论的时空观相对论的时空观 量子论的宇宙观量子论的宇宙观2022-6-14741 1、光的微粒说、光的微粒说2 2、光的波动性、光的波动性3 3、光的波粒二象性、光的波粒二象性4 4、波尔公式、波尔公式 光的共振吸收光的共振吸收 激光原理激光原理波尔公式波尔公式激光原理激光原理5 5、多普勒效应、多普勒效应2022-6-14754、1） 1E2E3EE原子定态能级示意图原子定态原子定态：一个远离其：一个远离其它物质的分子或原子，它物质的分子或原子，都处在一系列不连续的都处在一系列不连续的（分立的或离散的）稳（分立的或离散的）稳定的能量状态。定的能量状态。2022-6-14761n2n3n4n5n58.1340. 351. 185. 054. 02022-6-1477hh受激吸收自发辐射h21波尔公式 E E 1E2E2022-6-1478【例题例题】 已知氢原子两个能级为已知氢原子两个能级为-13.58eV-13.58eV和和-3.4eV-3.4eV，氢，氢原子从基态受激吸收到高能级，所吸收光子的波长应该原子从基态受激吸收到高能级，所吸收光子的波长应该是多少？（组合常数：是多少？（组合常数：hchc1.241.24纳米纳米. .千电子伏特）千电子伏特） 解：h21波尔公式 E Ech21 E E931.23.4( 13.58)1.2410100.11( 3.413.58)hcnm keVeVeVm eVumeV 21E E2022-6-14799 9、已知某原子两个能级为、已知某原子两个能级为-1.51eV-1.51eV和和-0.54eV-0.54eV，求该原，求该原子从高能级自发辐射到低能级放出光子的能量、频率、子从高能级自发辐射到低能级放出光子的能量、频率、波长。（组合常数：波长。（组合常数：hchc1.241.24纳米纳米. .千电子伏特）千电子伏特）课堂作业课堂作业2022-6-14809 9、已知某原子两个能级为、已知某原子两个能级为-1.51eV-1.51eV和和-0.54eV-0.54eV，求该原子，求该原子从高能级自发辐射到低能级放出光子的能量、频率、从高能级自发辐射到低能级放出光子的能量、频率、波长。（组合常数：波长。（组合常数：hchc1.241.24纳米纳米. .千电子伏特）千电子伏特）课堂作业解答课堂作业解答h21波尔公式 E E解：解：0.54( 1.51)0.97heVeVeV 21E=E E193434140.970.97 1.6 106.626 106.626 102.3 10EeVJhJ SJ SHz86143.0 10/1.30 102.3 10cm smHz2022-6-1481辐射：是波还是粒子？辐射：是波还是粒子？我们应该放弃光的波动理论吗？我们应该放弃光的波动理论吗？光的干涉图样光的干涉图样是光波的直接证据，它要求用波动理是光波的直接证据，它要求用波动理论来解释。论来解释。但但光电效应光电效应又需要一个粒子理论。又需要一个粒子理论。 辐射的这种相互矛盾的波粒二象性，爱因斯坦提出辐射的这种相互矛盾的波粒二象性，爱因斯坦提出的光是由光子组成、光子能量为的光是由光子组成、光子能量为E = h2022-6-1482光的双缝实验：光的双缝实验：单个光源发出的光经过两个狭缝，在屏单个光源发出的光经过两个狭缝，在屏幕上生成亮纹与暗纹相间的干涉图样。幕上生成亮纹与暗纹相间的干涉图样。2022-6-1483如果我们用非常弱的光做实验，并选择不同的曝光时间，如果我们用非常弱的光做实验，并选择不同的曝光时间，感光底片上的记录显示：一幅干涉图样是由大量的单个光感光底片上的记录显示：一幅干涉图样是由大量的单个光子撞击底片形成的。子撞击底片形成的。曝光时间很短，底片曝光时间很短，底片上显示了上显示了14个光子的个光子的撞击。光点不能用波撞击。光点不能用波动理论解释，而是光动理论解释，而是光由光子构成的证据。由光子构成的证据。单个光子撞击底片的地点是随单个光子撞击底片的地点是随机的，光子决不会打到干涉图机的，光子决不会打到干涉图样的暗区，而是优先选择打在样的暗区，而是优先选择打在干涉图样未来的亮纹上。一幅干涉图样未来的亮纹上。一幅干涉图样是由大量的单次撞击干涉图样是由大量的单次撞击生成的统计图样。生成的统计图样。2022-6-1484爱因斯坦提出光子具有能量后，于1917年又进一步提出了光子也应该具有动量 P。 是波动性的一种量度，E,P 是粒子性的一种量度。Ehhp. 光在传播过程中显波动性（干涉和衍射特性），而在与物质相互作用时显粒子性（光电效应和康普顿效应），即光具有波粒二象性。2022-6-1485n试求对应于波长为1nm的光子的能量和动量。2022-6-1486 爱因斯坦指出，对于统计的平均现象，光表现为波动；对于瞬时爱因斯坦指出，对于统计的平均现象，光表现为波动；对于瞬时的涨落现象，光则表现为粒子。即光在传播过程中主要表现为的涨落现象，光则表现为粒子。即光在传播过程中主要表现为，光在与物质相互作用时主要表现为，光在与物质相互作用时主要表现为。光具有波粒二象性。光具有波粒二象性。 在任何一次实验中，光的波动性和粒子性都不会同时出现，产生在任何一次实验中，光的波动性和粒子性都不会同时出现，产生矛盾，发生直接冲突。但波动和粒子两种特性都是光的固有属性，矛盾，发生直接冲突。但波动和粒子两种特性都是光的固有属性，对光的这两种描述是互补的，缺一不可。对光的这两种描述是互补的，缺一不可。众所周知，物体的形象与观察的角度有关。众所周知，物体的形象与观察的角度有关。对几何光学适用的宏观系统对几何光学适用的宏观系统 粒子性粒子性在波动光学尺度，即约在在波动光学尺度，即约在1010-6 -6米尺度米尺度 波动性波动性进入微观领域，尺度小于进入微观领域，尺度小于1010-7 -7米米 波粒二象性波粒二象性2022-6-14872022-6-1488康普顿效应康普顿效应 当光束通过光学性质不均匀的介质（如：雾、含有悬浮微粒当光束通过光学性质不均匀的介质（如：雾、含有悬浮微粒的液体等）时，会发生部分光线偏离原来传播方向的现象，从而的液体等）时，会发生部分光线偏离原来传播方向的现象，从而从侧面可以看到光的现象，称为从侧面可以看到光的现象，称为。光的颜色偏红光的颜色偏红白光白光光的颜色偏蓝光的颜色偏蓝悬浊液（微粒线度小悬浊液（微粒线度小于波长）如：在清水于波长）如：在清水中加入少量牛奶中加入少量牛奶2022-6-1489 根据经典电磁理论，当频率为根据经典电磁理论，当频率为 的的电磁波通过物质时，将引起物质内部带电磁波通过物质时，将引起物质内部带电粒子作同频率的受迫振动，即：受迫电粒子作同频率的受迫振动，即：受迫振动的频率等于入射光的频率，并向四振动的频率等于入射光的频率，并向四周发出辐射，形成散射光，因此，散射周发出辐射，形成散射光，因此，散射光的波长应与入射光的波长相同。光的波长应与入射光的波长相同。瑞利曾对光的散射现象进行了较系统的研究，发现：瑞利曾对光的散射现象进行了较系统的研究，发现： 波长较短的蓝光散射较强，而波长较长的红色光穿透力较强，波长较短的蓝光散射较强，而波长较长的红色光穿透力较强，例如：例如：“红日、朝阳、夕阳红日、朝阳、夕阳”（长波部分穿透大气层，呈红色）；（长波部分穿透大气层，呈红色）；“蓝色的天空蓝色的天空”（短波部分被散射到人眼，呈蓝色）；（短波部分被散射到人眼，呈蓝色）；“红外线更适合于远距离摄影和遥感技术红外线更适合于远距离摄影和遥感技术”； 若用单色光照射，散射光波长与入射光波长几乎相同。若用单色光照射，散射光波长与入射光波长几乎相同。夕 阳 无 限 好2022-6-1490蔚蓝的海水蔚蓝的海水 人们常说，蔚蓝色的大海，而实际上海水大体上是人们常说，蔚蓝色的大海，而实际上海水大体上是无色透明的，人们看到的颜色都是太阳光作用的结果。无色透明的，人们看到的颜色都是太阳光作用的结果。 当阳光照射到大海上，红光等波长较长的光能穿透当阳光照射到大海上，红光等波长较长的光能穿透海水射向海底，但在前进中不断被海水和海里的生物所吸海水射向海底，但在前进中不断被海水和海里的生物所吸收；而蓝光等波长较短的光，虽有一部分被吸收，但大部收；而蓝光等波长较短的光，虽有一部分被吸收，但大部分遇到海水的阻碍就被散射到周围或者干脆被反射回来，分遇到海水的阻碍就被散射到周围或者干脆被反射回来，所以海水是蓝色的。所以海水是蓝色的。2022-6-1491在在1922192319221923年间，美国科学家康普顿研究了年间，美国科学家康普顿研究了X X 射线射线射经过石墨等物质的散射现象射经过石墨等物质的散射现象，发现：，发现：X X 射线被散射射线被散射后，除部分波长没有改变外，还有部分波长变长，这后，除部分波长没有改变外，还有部分波长变长，这种现象称为种现象称为。康普顿因此。康普顿因此荣获了荣获了19271927年年NobelNobel物理学奖。物理学奖。2022-6-1492 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪晶体晶体 0散射波长散射波长 , , 0 0 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j j 0康普顿散射实验装置康普顿散射实验装置2022-6-14932022-6-14942022-6-1495 j j j j cYmVchXmVchchhmchcm 且且方方向向动动量量守守恒恒方方向向动动量量守守恒恒能能量量守守恒恒)(sinsin0)(coscos)(02020入射光子入射光子反冲电子反冲电子散射光子散射光子jchh00 chh vmmc22022-6-1496 在康普顿散射中，当光子与自由电子或束缚较弱的电子碰撞后，波在康普顿散射中，当光子与自由电子或束缚较弱的电子碰撞后，波长由长由 + +；当光子与内层电子或束缚较强的电子碰撞后，可以认；当光子与内层电子或束缚较强的电子碰撞后，可以认为光子是与整个原子发生碰撞，计算式中电子的质量为光子是与整个原子发生碰撞，计算式中电子的质量m m0 0要换为原子的要换为原子的质量质量MM， 0 0，入射光波长保持不变。入射光波长保持不变。 j j j jj j 0002028313402000110024. 0103101 . 91063. 6cos12sin2cos1 hchchhcmmcEnmcmhcmhcmhkcc反反冲冲电电子子动动能能为为电电子子的的康康普普顿顿波波长长其其中中：2022-6-1497 （1）入射光子的波长不同。入射光子的波长不同。 在光电效应中，入射光子的波长处于可见光到紫外光这一波段，在光电效应中，入射光子的波长处于可见光到紫外光这一波段，其光子能量与原子中束缚电子的束缚能非常接近。而在康普顿散射中，其光子能量与原子中束缚电子的束缚能非常接近。而在康普顿散射中，入射光子是入射光子是X射线，其能量远大于电子的束缚能。所以，光电效应是射线，其能量远大于电子的束缚能。所以，光电效应是的相互作用；而康普顿的相互作用；而康普顿效应是效应是的相互作用。的相互作用。 波长波长1的的X射线射线 ，其光子能量，其光子能量 104 eV，外层电子束缚能外层电子束缚能 eV,室温下室温下 kT10-2eV 和和在物理本质上是相同的，都是光子与在物理本质上是相同的，都是光子与电子之间的相互作用。所不同的是：电子之间的相互作用。所不同的是：2022-6-1498 （2 2）在光电效应中，电子吸收光子的全部能量，满足能量守恒）在光电效应中，电子吸收光子的全部能量，满足能量守恒定律，但因为电子受原子核的作用力，并不满足动量守恒定律；在康定律，但因为电子受原子核的作用力，并不满足动量守恒定律；在康普顿散射中既满足能量守恒定律，也满足动量守恒定律。普顿散射中既满足能量守恒定律，也满足动量守恒定律。 （3 3）在光电效应中也会发生康普顿效应，但）在光电效应中也会发生康普顿效应，但太小，不易观察太小，不易观察到。如：到。如： =400 nm=400 nm（紫光），（紫光），j j= =