第16章早期的量子论

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1、第16章早期的量子论1从经典物理到现代物理概述物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学经典物理现代物理力学热学电磁学光学相对论量子论非线性时间t关键概念的发展力学电磁学热学相对论量子论16001700180019002近年来的发展：*粒子物理高能加速器产生新粒子，已发现300种。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。*天体物理运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。**太阳中微子短缺问题**引力波存在的问题**物体的速度能否超过光速的问题*

2、生物物理有机体遗传程序的研究**有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计物理、X射线、电子能谱和核磁共振技术等）。**非平衡热力学及统计物理3§16-1量子论的提出16.1.2经典理论对黑体辐射的解释（P249-—251）不要求16.1.1黑体辐射16.1.3普朗克量子假设4§16-2爱因斯坦的光量子论1光电效应的实验规律及经典理论的困难饱和光电流强度与入射光强度成正比。或者说：单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光强成正比相同频率，不同入射光强度312UIIS0UGR但实际不一定!5U03U02U01312UIS0相同入射光

3、强度，不同频率光电子的初动能与入射光强度无关，而与入射光的频率有关。截止电压的大小反映光电子初动能的大小截止电压与入射光频率有线性关系K为对各种金属普适的恒量，U0与金属种类有关的恒量红限频率CsNa6光电效应具有瞬时性，或说响应速度很快，10-9秒。第三个实验事实：*经典认为光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动能也该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能只与频率有关。经典理论的困难：*只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为有无光电效应不应与频率有关。

4、*瞬时性。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。72爱因斯坦的光子学说爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论：认为光不仅在与物质相互作用时（发射和吸收），具有粒子性，而且在传播过程中也有粒子性。一个频率为的光子具有能量它的能流密度：不仅取决于单位时间单位面积上的光子数n，还决定于频率。由能量守恒可得出：一个电子逸出金属表面后的最大动能：只与金属性质有关与光的频率关。A称为逸出功。8由此，可解释饱和光电流强度与光强成正比；可以解释截止电压与频率成线性关系以及红限频率的存在。9光子的能量、动量和质量密立根19

5、16年的实验，证实了光子论的正确性，并求得h=6.5710-34焦耳•秒。光的波动性（）和粒子性（p）是通过普朗克常数联系在一起的。相对论质能关系：光子的质量：所以，光子的静止质量为零。因为：光子的动量：10例1波长为450nm的单色光射到纯纳的表面上。求（1）这种光的光子能量和动量；（2）光电子逸出纳表面时的动能；（3）若光子的能量为2.40eV，其波长为多少？将已知数据代入上式，有解（1）已知光的频率与波长的关系为v=c/，所以可得光子的能量(钠的逸出功W=2.28eV)11如以电子伏特为能量单位，则光子的动量12钠的逸出功W=2

6、.28eV，所以（2）由爱因斯坦方程，有（3）当光子能量为2.40eV时，其波长13§16-4康普顿散射实验事实X射线7.1nm探测器C1C2A1A2WBS石墨晶体准直系统散射角I=0oI=45oI=90oI=135o0正常散射波长变长的散射称为康普顿散射14*波长的增加量只与与散射角有关。实验结果：*当散射角确定时，波长的增加量与散射物质的性质无关。*康普顿散射的强度与散射物质有关。原子量小的散射物质，康普顿散射较强，即正常峰较低。反之相反。经典电磁理论只能说明有正常散射存在，即散射光的频率与入射光频率相等。而无法解释有的存在

7、及其所存在的康普顿效应的实验规律。15光子学说对康普顿散射的解释电子的相对论质量：系统能量守恒：系统动量守恒：xy16能量守恒（1）动量守恒（2）（1)2–(2)c2得出：（4）将（4）带入（3）式：（3）（5）17（6）康普顿波长（7）式说明了与散射物质无关。•首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量”的假设.证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒两象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。与p178实验曲线吻合。（7）散射的光子入射光子外层电子18例2设康普顿效应中入射X射线（伦琴射线）的波长

8、0=0.0700nm，散射的X射线的波长=0.0720nm，且散射的X射线与入射的X射线垂直。求：1)反冲电子的动能Ek；2)反冲电子运动的方向与入射的X射线逐渐的夹角。由康