1量子物理學(xué)基礎(chǔ)01

1、第11章量子物理學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)的分支及近年來發(fā)展的總趨勢物理學(xué)經(jīng)典物理現(xiàn)代物理力學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)光學(xué)相對論量子論非線性時間 t關(guān)鍵概念的發(fā)展力學(xué)電磁學(xué)熱學(xué)相對論量子論1600 1700 1800 1900近年來的發(fā)展 * 粒子物理：高能加速器產(chǎn)生新粒子，已發(fā)現(xiàn)300種。麥克斯韋理論、狄拉克量子電動力學(xué)、重整化方法。* 天體物理：運(yùn)用物理學(xué)實(shí)驗方法和理論對宇宙各種星球進(jìn)行觀測和研究，從而得出相應(yīng)的天文規(guī)律的學(xué)科。應(yīng)用經(jīng)典、量子、廣義相對論、等離子體物理和粒子物理。* 太陽中微子短缺問題* 引力波存在的問題 * 物體的速度能否超過光速的問題* 非平衡熱力學(xué)及統(tǒng)計物理 物理學(xué)發(fā)展的總趨向：* 學(xué)科之間的大

2、綜合。* 相互滲透結(jié)合成邊緣學(xué)科。20世紀(jì)物理學(xué)中兩個重要的概念：場和對稱性。從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過渡時期的三個重大問題的提出 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)。 黑體輻射問題，即所謂“紫外災(zāi)難”。 原子的線光譜和原子結(jié)構(gòu)。11.1 熱輻射 普朗克量子化假說（略） 11.2 光電效應(yīng) 愛因斯坦光量子假說11.2.1 光電效應(yīng) UGmSAK 如圖所示，為光電效應(yīng)的基本裝置。S：真空的玻璃容器m：石英玻璃窗A：陽極K：陰極（金屬板）當(dāng)紫外線或波長很短的可見光照在陰極時，金屬板將釋放電子，即光電子。（1）飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比?；蛘哒f：單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目與入射光強(qiáng)成正比。U0312

3、UIIS0如圖即為相同頻率，不同入射光強(qiáng)度。 1.光電效應(yīng)的實(shí)驗規(guī)律（實(shí)驗結(jié)果） Is稱為飽和光電流U0稱為遏止電壓（I=0 的電壓）（2）光電子的初動能與入射光強(qiáng)度無關(guān)，而與入射光 的頻率成正比。U03U02U01312UIIS0紅限頻率截止電壓的大小反映 光電子初動能的大小 由上圖可知：I=0時有截止電壓與入射光頻率有線性關(guān)系實(shí)驗證明：Ua對不同金屬有不同值, eUa稱逸出功（3）產(chǎn)生光電效應(yīng)的金屬具有一定的截止頻率。由可知，只有當(dāng) ， 從金屬表面逸出的電子才具有初動能，即產(chǎn)生光電效應(yīng)。 （4） 光電效應(yīng)具有瞬時性，或說響應(yīng)速度很快，10-9s。 幾種純金屬的截止頻率金屬截止頻率4.545

4、5.508.06511.53銫 鈉 鋅 銥 鉑 19.29只要 ，則在光照射金屬表面后，幾乎立即就有光電子逸出，與光的強(qiáng)度無關(guān)。 * 經(jīng)典認(rèn)為，光強(qiáng)越大，飽和電流應(yīng)該大，光電子的初動能也該大，即初動能正比于光強(qiáng)。但實(shí)驗上光電子初動能只與頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)無關(guān)。* 只要頻率高于紅限，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于紅限時，光強(qiáng)再大也沒有光電流。而經(jīng)典認(rèn)為，有無光電效應(yīng)不應(yīng)與頻率有關(guān)。 * 瞬時性。經(jīng)典認(rèn)為，光能量分布在波面上，吸收能量要一定的時間，即需能量的積累過程。11.2.2 經(jīng)典理論的困難 例如：強(qiáng)度為1W/m2的光照在金屬Na 上需107s，即115天電子才能逸出。（經(jīng)典）11.2.3

5、光量子假說 1.愛因斯坦光量子假說：光子論假設(shè)：一束光是一粒一粒以速度c運(yùn)動的粒子流，這些粒子稱光子，但它們?nèi)员Ａ纛l率、波長的概念。認(rèn)為光不僅在與物質(zhì)相互作用（發(fā)射和吸收）時具有粒子性，而且在傳播過程中也有粒子性。一個頻率為 的光子具有能量 ，其中h為普朗克常數(shù)，值為：由相對論知識可知： 可見：光子既具有粒子特性m ，P，又具有波動性，。我們將這種波動性和粒子性并存的性質(zhì)稱為光的波粒二象性。光的波動性（p）和粒子性（）是通過普朗克常數(shù)聯(lián)系在一起的。2.用光量子假說解釋光電效應(yīng)（1）由 可看出，光子的初動能與光的頻率成正比，而與光強(qiáng)無關(guān)。該式稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。 由能量守恒得： ，A為逸出

6、功。 （2）當(dāng)入射光子的能量小于逸出功時，光電子的初動 能為零，不能逸出；只有當(dāng)hA時，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。截止頻率=A/h。（3）光的強(qiáng)弱只表明光子數(shù)的多少，而光子的能量恒 定。一個光子的能量是一次地被電子吸收的，所以，只要hA，電子吸收光子即逸出，具有瞬時性。3.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光控繼電器、自動控制、自動計數(shù)、自動報警等。光電倍增管放大器接控件機(jī)構(gòu)光光控繼電器示意圖解： 例1 設(shè)有一半徑為1.010-3 m的薄圓片，它距光源1.0m。此光源的功率為1W，發(fā)射波長為589nm的單色光。假定光源向各個方向發(fā)射的能量是相同的，試計算在單位時間內(nèi)落在薄圓片上的光子數(shù)。1920年，美國物理學(xué)

7、家康普頓在觀察X射線被物質(zhì)散射時，發(fā)現(xiàn)散射線中含有波長發(fā)生變化了的成分。11.3 康普頓效應(yīng)實(shí)驗裝置實(shí)驗結(jié)果（相對強(qiáng)度）（波長）（1）在散射X 射線中除有與入射波長相同的射線外，還有波長比入射波長更長的射線。（2）波長的增加量 與散射角 有關(guān)。（3）當(dāng)散射角 確定時，波長的增加量 與散射物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。（4）散射的強(qiáng)度與散射物質(zhì)有關(guān)。原子量小的散射較強(qiáng)，即正常峰較低；反之相反。經(jīng)典電磁理論預(yù)言，散射輻射具有和入射輻射一樣的頻率。經(jīng)典理論無法解釋波長變化。經(jīng)典理論的困難 光子電子 電子反沖速度很大，需用相對論力學(xué)來處理。 1.物理模型 入射光子（ X 射線或 射線）能量大。 固體表面電子束縛較弱

8、，可視為近自由電子。量子解釋電子光子 電子熱運(yùn)動能量 ，可近似為靜止電子。 范圍為：104 eV105 eV 2.理論分析能量守恒動量守恒 康普頓波長 康普頓公式實(shí)驗總結(jié)的結(jié)果： 可見：實(shí)驗與理論結(jié)果符合得相當(dāng)好！ 散射光波長的改變量 僅與 有關(guān) 散射光子能量減小康普頓公式3.結(jié)論康普頓散射進(jìn)一步證實(shí)了光子論，證明了光子能量、動量表示式的正確性，光確實(shí)具有波粒兩象性。另外證明在光電相互作用的過程中嚴(yán)格遵守能量、動量守恒定律。應(yīng)用光子概念解釋康普頓散射：（1）一個光子與散射物中一個自由電子或束縛較弱的電子發(fā)生碰撞后，光子將沿某一方向散射，即康普頓散射的方向。在碰撞時，光子的一部分能量傳給電子，所

9、以散射光子的能量比入射光子的能量小，即散射光波的波長要比入射光波的波長大。（2）若光子與原子中束縛很強(qiáng)的電子碰撞，由于整個原子的質(zhì)量比光子大得多，光子的能量沒有顯著變化，所以散射光的頻率沒有顯著變化，即散射光波的波長與入射光波的波長相等。解：（1） 例1 波長0=1.0010-10m的X射線與靜止的自由電子作彈性碰撞，在與入射角成90角的方向上觀察，問：（2）反沖電子得到多少動能？（1）散射波長的改變量 為多少？（3）在碰撞中，光子的能量損失了多少？（2） 反沖電子的動能 （3） 光子損失的能量反沖電子的動能例2 在康普頓散射中，入射光的波長為0.030，反沖電子速度為c60%。求：散射光子的波長及散射角。解：由已知，入