光与物质的相互作用

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1、第10章光与物质的相互作用普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858―1947)1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常数h。量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。普朗克是德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，被尊称

2、为“量子之父”1918年诺贝尔物理学奖金的获得者。他的伟大成就，就是创立了量子理论，这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。§10.1光的波粒二象性一、普朗克量子假设=h构成物体的分子、原子可视为在各自平衡位置附近振动的带电线性谐振子，这些振子既可以发射辐射能，也可以吸收辐射能。谐振子发射和吸收辐射能量是某些分立状态，是最小能量单

3、位h的整数倍，即发射或吸收电磁辐射只能以量子方式进行，每个能量子能量为其中h是普朗克常量，为谐振子的振动频率。讨论：一个频率为的谐振子的最小能量是h，它与周围的辐射场交换能量时，也只能整个地吸收或放出一个能量子。“量子”的概念量子（化）：微观世界的一个特殊概念，按某种规律取分立值的物理量。如：电荷量子（化）能量量子（化）普朗克公式：普朗克的量子假设：能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的！普朗克公式：能量经典光量子突破了经典物理学的能量连续的观念，在物理学史上第一次提出了微观粒子能量量子化的概念，这对量子物理学的诞生起了极大的推动作用。例：设有一音叉，其尖端的质量

4、为0.050kg，其频率被调到480Hz，振幅1.0mm。试求音叉尖端振动的量子数。解：由谐振子的能量公式知，谐振子的能量为代入已知条件：根据普朗克量子假设：，音叉尖端的振动量子数为讨论：宏观物体振动的量子数是非常大的，与很小的能量子相比，宏观物体的能量可以认为是连续分布的。二、爱因斯坦光量子学说光电效应当光照到某些金属的表面时，金属内部的自由电子会逸出金属表面，这种光致电子发射现象称为光电效应。（1887年德国物理学家赫兹首先发现光电发射现象，1888年又被俄国物理学家斯托列托夫用实验证明。）实验装置：光通过石英窗口照射阴极K，光电子从阴极表面逸出。光电子在电场加速下向阳极

5、A运动，形成光电流。I1I2I3UaUiI1>I2>I3Ua0遏止电压与频率关系曲线试验规律：遏止电势差：与入射光频率具有线性关系。截止频率：对某一种金属只有当入射光频率大于某一频率时，电子才能从金属表面逸出（红限）。和成线性关系遏止电压与频率关系曲线光电效应瞬时性：迟滞时间不超过10-9秒经典理论与实验规律的矛盾：无论何种频率的光，只要其强度足够大，电子就能获得足够的能量，从金属表面逸出；电子的动能取决于光的动能，而与频率无关；在光强很小时，即使光的频率大于截止频率，也不应有电子发射。爱因斯坦光量子学说（1905年）：光束可以看成由微粒（光子）构成的粒子流（光量子），在

6、真空中以　运动，频率为　的光子能量为。爱因斯坦光电效应方程：式　中为逸出功，　为电子从表面上逸出时初动能。讨论：光频率>A/h时，电子吸收一个光子即可克服逸出功A逸出光电子最大初动能和光频率成线性关系。单位时间到达单位垂直面积的光子数为N，则光强I=Nh。I越强,到阴极的光子越多,则逸出的光电子越多。电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。三、光的波粒二象性光具有波动性和粒子性两个侧面，是微观粒子的基本属性，在某些情况下突出显示某一个侧面。作为粒子：有　　　　　　　和能量由相对论知对于光　　　，则有　　　　或作为波：两者关系为：光子的波动性和粒子性是光子本性在

7、不同条件下表现出来的两个侧面：波动性突出呈现在其传播过程中，粒子性突出呈现在其与物质的相互作用中。光的波动性和粒子性随频率范围的不同而有不同的表现：在低频或长波区，光的波动性比较显著；而在高频或短波区，粒子性却比较突出。要对波粒二象性进行完善描述，必须采用量子力学方法（波函数）。普朗克常量把光的波动性　　　　和粒子性联系起来了。例：计算波长为600nm的红光与波长为0.1nm的X光的光子能量。解：红光光子能量为：X光光子能量为§10.2光的发射激光原理一、发光的物理机制发射光谱光源发射光波的物体。如太阳