21.2-光的量子性

21.2光的量子性1、光电效应(photoelectriceffect)（1）光电效应实验的规律VA①实验装置光照射至金属表面，电子从金属表面逸出，称其为光电子。②实验规律截止频率(cutofffrequency)0仅当才发生光电效应，截止频率与材料有关与光强无关。0瞬时性当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出.即光电效应是瞬时的，弛豫时间小于10-9秒。is3is1is2I1I2I3－UaUiI1I2I3当光源频率和外加电压固定时，饱和光电流强度is与入射光强度I成正比。饱和光电流si截止电压(stoppingpotential)aU当正向电压为零时，仍有光电流，只有当电压为某个反向电压值时，其电流才为零。这个反向电压称为截止电压Ua。为光电子最大初动能。实验表明，最大初动能与入射光强无关。212mameUv入射光RVGKA光电管实验数据说明截止电压Ua与入射光频率之间具有线性关系:0aUkUaU00()红限CsKCu按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止.与实验结果不符。③经典理论遇到的困难红限问题瞬时性问题按经典理论,无论何种频率的入射光,只要其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属.与实验结果不符。最大初动能问题按经典理论，光电子最大初动能取决于光强，应该和光的频率无关。与实验结果不符。（2）光子(photon)爱因斯坦方程①“光量子”假设h光子的能量为②解释实验爱因斯坦方程212hmAv逸出功与材料有关对同一种金属，一定，，与光强无关kEA逸出功0Ah0Ah产生光电效应条件条件（截止频率）光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电子数目越多，光电流越大.（时）0光子射至金属表面，一个光子携带的能量将一次性被一个电子吸收，若，电子立即逸出，无需时间积累（瞬时性）.h0aheUAahAUeeaUheaUhe③的测定h爱因斯坦方程212hmAvaU0遏止电压和入射光频率的关系（3）光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.光电倍增管放大器接控件机构光光控继电器示意图2、光的波粒二象性(wave-particledualism)hEhp描述光的粒子性描述光的波动性hchcEppcEE,00光子20222EcpE相对论能量和动量关系hE（2）粒子性：（光电效应等）（1）波动性：光的干涉、衍射和偏振解（1）2.76eVJ1042.419hchEccEhp/eV76.2smkg1047.1127（2）k(2.762.28)eV0.48eVEEA（3）nm518m1018.57Ehc例波长为450nm的单色光射到纯钠的表面上.求:（1）这种光的光子能量和动量；（2）光电子逸出钠表面时的动能；（3）若光子的能量为2.40eV，其波长为多少？1920年，美国物理学家康普顿在观察X射线被物质散射时，发现散射线中含有波长发生变化了的成分.（1）实验装置3、康普顿效应(Comptoneffect)（2）实验结果04590135（相对强度）（波长）I00在散射X射线中除有与入射波长相同的射线外，还有波长比入射波长更长的射线。波长的变化量，随散射角的增大而增大。而与入射光的波长0和散射物质都无关。实验还发现，原子量小的散射物质，康普顿散射较强；原子量大的散射物质，康普顿效应较弱。波长偏移量散射角射线源散射体~实验（3）经典理论的困难按照经典电磁理论，入射的Ｘ射线是一种电磁波。电磁波通过散射物质时，将引起物质中带电粒子作受迫振动，从入射波吸收能量，同时又作为新的波源向四周辐射电磁波，形成散射光。带电粒子作受迫振动的频率等于入射光的频率，因而散射光的频率与入射光相同。经典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。康普顿用光子的概念简单而成功地解释了这个现象。经典理论无法解释有散射光波长增大的现象。根据光子理论，X射线散射是单个光子和单个电子发生弹性碰撞的结果。每个光子不仅具有能量hv0，而且还具有动量hv0/c。当光子射到固体靶上和其中某一电子发生碰撞时，它把一部分能量传给电子，因此散射光子的能量就比入射光子的能量低，从而使散射光的频率要比入射光的频率小（即波长λλ0）。因此，根据量子理论，可以说明散射射线的波长比入射射线大的原因。000vxy光子电子电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理。①物理模型入射光子（X射线或射线）能量大。固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子。（4）量子解释xy电子光子电子热运动能量，可近似为静止电子。heV10~1054hE范围为：cos2202222220222chchchmv②理论分析xy00ˆhncˆhncvmˆn0ˆn2200mchcmhv能量守恒00ˆˆhhnnmccv动量守恒)(2)cos1(2)1(020024202242hcmhcmccmv康普顿波长nm1043.2m1043.23120Ccmh)cos1(00cmhcc)(2)cos1(2)1(020024202242hcmhcmccmv2/1220)/1(cmmv2sin2)cos1(200cmhcmh康普顿公式0散射光波长的改变量仅与有关0,0Cmax2)(,π散射光子能量减小00,③结论xy00ˆhncˆhncvmˆn0ˆn康普顿公式)cos1()cos1(C0cmh④讨论)cos1()cos1(C0cmh康普顿公式散射波长改变量的数量级为10-12m，对于可见光波长~10-7m，，所以可见光观察不到康普顿效应。与的关系与物质无关，是光子与近自由电子间的相互作用.散射光中有与入射光波长相同的射线，是由于光子与金属中的紧束缚电子（原子核）的作用。相当于光子与整个原子碰撞。原子质量很大，碰撞后，光子只改变方向，能量不变，所以散射光频率不变。)cos1()cos1(C0cmh康普顿公式在重原子中，内层电子比轻原子多，而内层电子束缚很紧，所以原子量大的物质，康普顿效应比原子量小的弱。⑤物理意义光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性.微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律.解（1）)cos1(CCC)90cos1(eV295)1(000202khchchccmmcEm1043.212（2）反冲电子的动能（3）光子损失的能量＝反冲电子的动能例波长的X射线与静止的自由电子作弹性碰撞，在与入射角成角的方向上观察,问：m101.00-10090（2）反冲电子得到多少动能？（1）散射波长的改变量为多少？（3）在碰撞中，光子的能量损失了多少？