chapter 18 quantum theory and nuclear physics 量子理论和核物理

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1、Chapter18quantumtheoryandnuclearphysics量子理论和核物理第一部分．量子理论一、光电效应p229（光具有粒子性）1．光电效应现象：在光（高频电磁波，不包括可见光）照射下金属发射出电子的现象叫光电效应现象；所发射的电子叫光电子；1900年，普朗克首次使用量子能量（物质发射和吸收电磁辐射时能量是一份一份地发射或吸收，称为量子；一个量子对应的能量，称为光量子）概念解释黑体辐射（黑体是最理想的光吸收体，只吸收能量不放出能量）；1905年，爱因斯坦运用光量子理论解释了光电效应，说明了光具有粒子性；光子的速度等于光速。2.、光子说[1]．经典的波动理论解释

2、不了光电效应规律中(1)极限频率、(2)最大初动能、(4)瞬时性(1)极限频率f0：光的强度由光波的振幅A决定，跟频率无关。只要入射光足够强(或照射时间足够长),就应该能发生光电效应．但事实并非如此．(2)光电子的最大初动能：只与光的频率有关而与光的强度无关．(3)解释不了光电效应发生的时间之短：10-9s；能量积累是需要时间的[2]．光子说能很好地解释光电效应．光子说认为：(1)空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子．光由能量子(光子)组成(2)光子的能量跟它的频率成正比，即光子的能量:E=hf(h叫做普朗克恒量，h＝6．63×10＿34J·s,f为光的频率

3、)爱因斯坦用光子说解释光电效应过程：(一个光子的能量只能被一个电子吸收，一对一关系)abcdefg①入射光照到金属上,有些光子被电子吸收,有些没有被电子吸收；吸收了光子的电子(a、b、c、e、g)动能变大,可能向各个方向运动；有些电子射出金属表面成为光电子(b、c、g)，有些没射出(a、e)；射出金属表面的电子克服金属中正电荷引力做的功也不相同；只有从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力做的功最少(g)，飞出时动能最大。解释了最大初动能.②如果入射光子的能量比这个功的最小值还小，那就不能发生光电效应。这就解释了极限频率的存在；③由于光电效应是由一个个光子单独引起的，因此从有光照

4、射到有光电子飞出的时间与照射光的强度无关，几乎是瞬时的。这就解释了光电效应的瞬时性。3．光电效应规律(1)任何一种金属都有一个极限频率（刚好发生光电效应的频率，不同材料，极限频率不同），入射光必须大于这个极限频率才能产生光电效应，才有光电子逸出．(2)只要入射光的频率大于极限频率，光电子的最大初动能与入射光的强度(数目)无关，与入射光的频率有关，随入射光的频率增大而增大．(3)当入射光的频率大于极限频率时，保持频率不变，则光电流的强度（单位时间内产生的光电子数）与入射光的强度（单位时间内入射到金属表面单位面积上的光子的总能量）成正比，增大光强，产生更多的光电子。(4)从光照射到产

5、生光电流的时间不超过10—9s（十亿分之一秒），几乎是瞬时的．4.爱因斯坦光电效应方程：EK=hf-ϕ(Ek是光电子的最大初动能；ϕ是逸出功：即刚好从金属表面飞出光电子克服正电荷引力所做的功,为极限频率f0对应的能量)EK-f图为一条直线，不同材料时，各直线互相平行。不同材料的逸出功不同，同一种材料，达到极限频率后，光子频率越大，光电子动能越大。ϕ=hf014(h叫做普朗克常量，h＝6.63×10＿34J·s,f0为极限频率)说明：(1)不要将光子和光电子看成同一粒子．(2)对一定的金属来说，逸出功是一定的．照射光的频率越大，光子的能量越大，从金属中逸出的光电子的初动能就越大．如

6、果入射粒子的频率较低，它的能量小于金属的逸出功，就不能产生光电效应，这就是存在极限频率的原因．在处理小的能量，例如电子，光子等的能量时，焦耳单位是个大的能量单位，我们常用eV单位。1eV=1.6×10-19J本节总结：要注意区分一些主要的概念：光的强度、光子的能量、光电子的最大初动能、光电流的强度、极限频率、逸出功．光子电子电子光子散射前散射后二．康普顿效应p233（光具有粒子性）光子在介质中和物质微粒相互作用，可能使得光的传播方向转向任何方向(不是反射），这种现象叫做光的散射。1923年，康普顿发现，用高能光子撞击碳靶时，会有与光电效应不同的效应。在研究高能X射线被靶原子中电子

7、散射时：有些散射X射线的波长比入射前的波长略大，X射线的频率比入射前降低。康普顿认为这是因为光子不仅有能量，也具有动量，每个光子动量为hfc,整个散射过程中能量、动量守恒。因此康普顿效应也证明了光具有粒子性。按照经典电磁理论推理光波在散射前后波长应该不变，事实上变了。经典理论与实验事实又出现了矛盾。光的电磁理论再次遇到困难。康普顿用光子的概念解释康普顿效应，再次证明了爱因斯坦光子学说的正确性。X射线光子与晶体中的电子碰撞时：X光子要把一部分动量转移给了电子，光子的动量变小，所以波