1第六篇量子物理學物理學經典物理近代物理力學熱學電磁學光學相對論量子物理引言2十九世紀末、二十世紀初經典物理學理論已經確立。但仍然有兩個實驗現象無法很好解釋。——理論的發展和實驗的進步是相互促進的量子理論的誕生相對論的誕生①熱輻射實驗②邁克爾孫--莫雷實驗3電磁輻射的量子性（1）本章主要內容：一、電磁輻射的三種量子現象。熱輻射(1)絕對黑體的兩個實驗定律(2)普朗克能量子假設.光電效應,愛因斯坦的光子理論康普頓效應及光子理論的解釋二、光的波粒兩象性光在與物質相互作用的過程中體現出的特征41、了解黑體輻射，能應用斯忒藩－波爾茲曼定律及維恩位移定律進行簡單計算；2、了解普朗克量子假設，理解光電效應的實驗規律，掌握愛因斯坦的光子理論對光電效應的解釋；3、理解光子理論對康普頓效應的解釋；4、理解光的波粒二象性。本章教學基本要求51.熱輻射的基本概念實驗表明：一切物體是以電磁波的形式向外輻射能量。輻射的能量與溫度有關，稱之為熱輻射。輻射和吸收的能量恰相等時稱為熱平衡。此時溫度恒定不變。一、量子現象一:熱輻射(1)單色輻射出射度（單色輻出度，或單色發射本領）Mλ(T)6(2)輻射出射度（總發射本領）M

(T)(3)單色吸收系數：單色反射系數：顯然：無透射時對于絕對黑體：72．基爾霍夫輻射定律1860年，基爾霍夫(G．R．Kirchoff)從理論上提出了關于物體的輻出度與吸收系數內在聯系的重要定律：在同樣的溫度下，各種不同的物體對相同波長的單色輻出度與單色吸收系數之比都相等，通俗地說:好的吸收體也是好的輻射體。黑體是完全的吸收體，因此也是理想的輻射體．83.絕對黑體的兩個熱輻射定律(1)Stefan（斯忒藩）-Boltzman（玻耳茲曼）Law：(2)Wien（維恩）位移Law：9例：測量恒星的半徑在天文學中，常用斯忒藩－玻爾茲曼定律確定恒星的半徑。已知某恒星到達地球的每單位面積上的輻射功率為M’=1.210-8W/m2

，恒星離地球的距離為L=4.31017m，表面溫度為T＝5200

K。若恒星輻射與黑體相似，求恒星的半徑R。解：由知，單位時間恒星輻射的總功率為距恒星L遠處的球面上吸收的總輻射功率為自學書上P161頁例20.1維恩位移定律的應用10為了從理論上對絕對黑體的輻射規律給予解釋，有許多種，較成功的理論公式有兩個：（但都有缺陷）4.M.Plank的能量子假設只適于長波，即所謂的“紫外災難”。瑞利-金斯公式維恩公式111900年M.Plank總結了前人的工作，大膽提出了“能量子”的假設。1.頻率為的諧振子只能取下列不連續能量：2.諧振子只能發射或吸收等于一個能量子的能量12簡介165頁例20.2，說明對宏觀振子可以忽略量子效應，能量變化是連續的。普朗克的能量子假說圓滿地解釋了絕對黑體的輻射問題，成為近代物理理論的重要組成部分。分別是玻爾茲曼常數和光速。將代入瑞利-金斯公式中的得：13二、量子現象二:光電效應金屬表面被光照射時有電子從表面逸出的現象稱為光電效應。

1.光電效應的實驗規律：（實驗裝置及曲線見167頁圖20.6，20.7，20.8）幾個概念：入射光的強度光電流遏止電壓（遏止電勢差）光電子最大初動能飽和電流截止頻率（紅限頻率）

(單色光)14說明：這里的光強是指同一光源的強度（光源光譜不變）。

1.光電效應的實驗規律：①.飽和電流與入射光強成正比；或者說：單位時間內從金屬表面逸出的光電子數目與入射光強成正比。光電子的初動能與入射光強度無關，而與入射光的頻率有關。

(單色光)15②.保持入射光強度不變，改變入射光頻率，遏止電勢差隨入射光頻率的增加呈線性增加。當入射光頻率低于紅限頻率時不發生光電效應。③.反應時間小于10-9秒，沒有明顯的時間延遲，與入射光強無關。

1.光電效應的實驗規律：

(單色光)16

2.經典電磁理論的困難：（1）最大初動能與光強無關(Ua

與光強無關）（2）最大初動能與光頻率成線性關系（3）光電效應的紅限現象（4）光電效應的瞬時性173.A.Einstein的光量子理論：①電磁輻射的能量本身也是由一份份能量包組成的，這種能量包稱為光量子，簡稱光子；②每個光子的能量為ε=h

；③光強為I的光束，單位時間通過單位面積的光子數為N=I/h。A：電子從金屬中逸出時為克服表面阻力所需要的逸出功，只與金屬性質有關，與光的頻率無關。18截止頻率或紅限A1920相對論質能關系：光子的質量：所以，光子的靜止質量為零。因為：光子的動量：4.光子的能量、質量與動量：自學：P.172例20.3光子的能量：21例題：從鈉中脫出一個電子至少需要2.3eV的能量，今有波長為400nm的光投射到鈉表面上，問：①鈉的紅限波長是多少？②出射光電子的最大初動能是多少？③出射光電子的最小初動能是多少？

④遏止電勢差是多少？

解：①②③出射光電子的最小初動能④22例-習題20.10：波長為450nm的光照射在兩個光電管上，第一個光電管發射極的紅限波長為600nm，而第二個光電管發射極的逸出功比第一個光電管的大一倍。求每一個光電管中的遏止電勢差。解：可見第二個光電管不發射光電子對第一個光電管：對第二個光電管：23三、量子現象之三A.H.Compton效應

散射：當一束光通過不均勻物質時部分光線偏離原來傳播方向的現象。可見光散射時波長不變。

其它波散射時波長也不變嗎？Compton效應：X射線射到物質塊上散射時，散射X線中除了有入射線波長相同的成分外還具有比入射線波長更長的成分。這種波長改變的散射稱為康普頓散射。24*波長的變化量隨散射角的增大而增大，與 和散射物質無關。25*康普頓散射的強度與散射物質有關。原子量小的散射物質，康普頓散射較強，即正常峰較低；反之相反。經典電磁理論只能說明有正常散射存在，即散射光的頻率與入射光頻率相等。而無法解釋有存在的X射線散射的實驗事實。

康普頓散射為光量子理論提供實驗證據的著名效應。26光子理論的解釋：光子與自由電子作完全彈性碰撞27解得：28康普頓散射進一步證實了光子論，證明了光子能量、動量表示式的正確性，同時證實了在光電相互作用過程中嚴格遵守能量守恒、動量守恒定律。問：為什么可見光沒有康普頓效應？29xyxyPeh/0h/解：

(1)散射后X射線波長的改變為所以散射X射線的波長為例題：波長為的X射線與靜止的自由電子碰撞，現在沿與入射方向成角的方向去觀察散射輻射。求：(1)散射X射線的波長；(2)反沖電子的動能；(3)反沖電子的動量。30(2)根據能量守恒，反沖電子獲得的能量就是入射光子與散射光子能量的差值，所以(3)根據動量守恒，有所以xyxyPeh/0h/31四、光的波粒兩象性——（在傳播過程中）——（與物質相互作用）32四、光的波粒兩象性光強I與單位時間通過單位面積的光子數N相聯系光子有質量，在光子經過天體附近時，會受星球的萬有引力而使光線彎曲，愛因斯坦的這一預言在1919年的日蝕觀測中得到證實。）I=Nh光子存在動量，1901年，前蘇聯的列別捷夫測得了數量級很小的光壓；慧星尾部掃帚形是太陽光壓所致；強激光產生很明顯的光壓。33不可借用宏觀現象中的具體模型來描述微觀世界的量子性。光的粒子性主要表現在光的能量和動量量子化上，決不能