601-黑体辐射、光电效应、康普顿散射
黑体辐射与光电效应
M 0 ( , T )
c1
5
e T
c2 1.43 10 米 开
2
普朗克能量子假说 * 辐射物体中包含大量谐振子的能量是取特定的分立值 * 存在着能量的最小单元（能量子=h); h=6.62610-34焦耳。 * 振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量
从理论上推出：
爱因斯坦的光子学说 光子的能量、动量和质量 作业:18-3,18-7,18-14
U
U0
0
U
相同频率，不同入射光强度
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。 IS 截止电压的大小反映 光电子初动能的大小 3 2 Ua3 Ua2 Ua1
I
1 2 eU a mV m 2
U0
1 0
U
红限频率
相同入射光强度，不同频率
0
Ua
截止电压与入射光频率有线性关系
U a K U 0 1 2 mV m eK eU 0 2
26-1 黑体辐射 普朗克能量子假说 实验表明：一切物体是以电磁波的形式向外辐射能量。 辐射的能量与温度有关，称之为热辐射。 辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡。此时温度恒定不变。
单色辐出度
dm ( , T ) M ( , T ) d
单位时间、单位表面积、 上所辐射出的，单位波长 间隔中的能量。
T=1646k
M 0 ( , T ) 2hc
2
5
1 e
hc kT
1
作业：
p326 26—2、6（1）
23.2 光电效应 康普顿效应
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 I 但实际不一定! IS 3 2 1 G
第1讲黑体辐射,光电效应
V = 0 时由该式所决定，即 hv -A = 0，
v0
= A / h ， 可见，当 v < v0 时，电子不能脱出金属表面，
从而没有光电子产生。
（2）光电效应
光照射到金属上，有电子从金属上逸出的现象。 这种电子称之为光电子。试验发现光电效应有 两个突出的特点：
•1.临界频率v0 只有当光的频率大于某一定值v0 时， 才有光电子发射出来。若光频率小于该值时，则不论 光强度多大，照射时间多长，都没有电子产生。光的 这一频率v0称为临界频率。
（一）Planck 黑体辐射定律
究竟是什么机制使空腔的原子产生出所观 察到的黑体辐射能量分布，对此问题的研 究导致了量子物理学的诞生。
•1900年１２月１４日Planck 提出： 如果空腔内的黑体辐射和腔壁原子处
于平衡，那么辐射的能量分布与腔壁原子 的能量分布就应有一种对应。作为辐射原 子的模型，Planck 假定：
人们自然会提出如下三个问题：
1. 原子线状光谱产生的机制是什么？ 2. 光谱线的频率为什么有这样简单的规律？
nm
3. 光谱线公式中能用整数作参数来表示这一事实启发我们 思考： 怎样的发光机制才能认为原子的状态可以用包含整数值的量来描写。
从前，希腊人有一种思想认为：
自然之美要由整数来表示。例如：
光电效应的两个典型特点的解释
1 V 2 h A
2
• 1. 临界频率v0
2. 光电子动能只决定于光 子的频率
上式亦表明光电子的能量只与光的频率 v 有关，光 的强度只决定光子的数目，从而决定光电子的数目。这样一 来，经典理论不能解释的光电效应得到了正确的说明。
由上式明显看出，能打出电子的光子的最小能量是光电子
黑体辐射普朗克量子假设光电效应康普顿效应PPT课件
h
1 2
mvm2
A
h eUa A
遏止电势差和入射光频率的关系
Ua
h
e
A e
Ua
Ua h e
h U a e
0
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15-2 光电效应 光的波粒二象性
1.010 m 例15.4 设有一半径为
的薄圆片，它距3
光源1.0m . 此光源的功率为1W，发射波长为589nm
的单色光 . 假定光源向各个方向发射的能量是相同
mT b
峰值波长
常量 b 2.898103 m K
3000K
/ nm
0
1000 2000
m
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15-1 黑体辐射 普朗克能量子假设
例15.1 太阳的单色辐出度的峰值波长
Å，
试由此估算太阳表面的温度和单位面积辐射功率.
m 4650
解
由维恩位移定律得太阳表面的温度
b 2.898103
M
B
(T
)
C15e
C2
T
M (T )
**
**
* *
* 实验曲线
** *
*
*
* 维恩曲线
***
0
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2 瑞利—金斯公式
15-1 黑体辐射 普朗克能量子假设
将能量按自由度均分原理运用到电磁辐射上，并认为在黑体空腔中辐射的电 磁波是谐振子所发射的驻波，这样得到的公式为
M (T )
瑞利 - 金斯曲线
A E (1) 对同一种金属， 一定，
，与光强无关
k
几种金属的逸出功
金属
A / eV
钠 铝锌铜银铂 2.28 4.08 4.31 4.70 4.73 6.35
第4章 1.普朗克黑体辐射理论 2.光电效应—高中物理选择性必修第三册讲义
1.普朗克黑体辐射理论2.光电效应学习目标：1．[物理观念]知道黑体辐射、能量子、光电效应、康普顿效应、光子的概念以及光电效应的规律，能解释相关现象，树立粒子性观念。
2.[科学思维]掌握黑体辐射的规律、光电效应的实验规律并能应用爱因斯坦光电效应方程解释相关规律。
提高分析问题、解决问题的能力。
3.[科学探究]通过对光电效应规律的探究，揭示实验规律，学会与他人合作交流，培养探究意识，提高实验能力。
4.[科学态度与责任]学会解释光电效应的规律，实事求是，理解能量子、光子，培养探索科学的兴趣。
阅读教材，回答第71页“问题”并梳理必要的知识点。
教材P71“问题”提示：用紫外线照射锌板后，验电器指针闭合，与负电中和，说明紫外线照射锌板发生光电效应，失去了电子，锌板不带电。
一、能量量子化1．黑体辐射(1)随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
(2)维恩和瑞利的理论解释①建立理论的基础：依据热力学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。
②维恩公式：在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离很大。
③瑞利公式：在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符，由理论得出的荒谬结果被称为“紫外灾难”。
2．能量子(1)普朗克的假设组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。
即能的辐射或者吸收只能是一份一份的。
这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子公式ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。
h＝6.626×10－34 J·s。
(一般取h＝6.63×10－34J·s)(3)能量的量子化微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。
这种现象叫能量的量子化。
说明：黑体辐射的电磁波强度按波长的分布只跟黑体温度有关。
二、光电效应现象和规律1．光电效应定义照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。
黑体辐射、普朗克能量子假设、光电效应、康普顿效应
实验装置
包括光源、光电管、电压表和电流表 等。
实验操作
实验现象
当入射光频率达到一定值时，光电流出现； 入射光频率越高，光电流越大；当电压达到 一定值时，光电流消失，即出现截止电压。
用不同频率的光照射光电管，观察电 流表示数的变化。
爱因斯坦光电子理论要点
光子假设
01
爱因斯坦提出光是由一份一份的能量子组成，每一份能量子称
光电效应、康普顿效应在现代科技中应用
要点一
光电效应
光电效应是指光照在物质上，引起电 子从束缚状态进入自由状态，从而产 生电流的现象。光电效应在现代科技 中有着广泛的应用，如太阳能电池、 光电传感器等。
要点二
康普顿效应
康普顿效应是指X射线或伽马射线与 物质相互作用时，光子将部分能量转 移给电子，使得光子的频率降低、波 长增长的现象。康普顿效应在医学、 材料科学等领域有着重要的应用，如 放射治疗、材料无损检测等。
实验基础和理论依据。
04 康普顿效应发现过程及科 学价值
康普顿散射实验简介
01
02
03
实验背景
研究X射线通过物质时的 散射现象。
实验装置
X射线管、散射物质（通 常为石墨）、探测器等。
实验过程
X射线照射到散射物质上， 探测器测量散射光的角度 和波长。
散射结果分析与解释
散射光波长变长
实验发现散射光的波长比入射光波长要长，且散射角越大，波长 变化越明显。
普朗克的能量子假设不仅解决了当时物理 学中的一些难题，还推动了物理学的发展 。在能量子假设的基础上，人们逐渐发现 了微观粒子的波粒二象性、不确定性原理 等重要概念，建立了量子力学、量子场论 等现代物理学理论，推动了人类对自然界 的认识不断深入。
1黑体辐射、康普顿散射
按照光的经典电磁理论：
• 光波的强度与频率无关，不存在截止频率！ • 光波能量分布在波面上，光电效应不可能瞬时发生！
二.爱因斯坦的光量子论 1.普朗克假定是不协调的 只涉及发射或吸收,未涉及辐射在空间的传播。 2.爱因斯坦光量子假设(1905) 电磁辐射由以光速c运动的局限于空间某一小范围的 光量子（光子）组成， = h 3. 对光电效应的解释
，求：反冲电子的动能。
解：散射后光子的波长：
1.20
其能量：
E hc / hc /(1.20 ) h 0 / 1.2 E0 / 1.2
由能量守恒：
Ee E0 E0 / 1.2 0.10MeV
温度 辐射能量 电磁波的短波成分 同一时间内辐射、吸收的能量相等
2.单色辐出度（能流密度）M —辐射能量按波长的分布 单位时间内从物体单位表面发出的波长在 附近单位波长间隔内的电磁波的能量。 3. 总辐出度 M（T）
M (T ) M (T )d
0
二. 黑体和黑体辐射的基本规律 1. 黑体 能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体
M 只与温度有关
与材料及表面状态无关
2．理论与实验的对比
1896年，维恩公式：假设“气体分子辐射频率只与其运 动速度有关” ( T 为温度 )
E( , T ) c1 3 e c2 / T
1900年，瑞利公式： “能量均分定理”
8 k 2 E ( ,T ) T 3 c
用到
一 黑体辐射和普朗克的能量子假说
h = 6.6260755×10 -34 J· s
二 光电效应和爱因斯坦的光量子论
1 光的波粒二象性 经典粒子 2 波粒子 经典波
测定普朗克常数的方法
几种普朗克常数的测定方法扌商要：普朗克常数h是20世纪初普朗克在研究黑体辐射时引入的，它通过$ = /少把物质的粒子性和波动性联系到一起，是体现量子规律性的一个标志性常数，在任何表达式中只要有普朗克常数的出现就必然意味着这一表达式的量子力学特征。
本文总结了儿种常见的普朗克常数的测定方法，有光电效应法、X 射线连续谱短波限法、电子衍射法等，并分析了每种方法的优缺点。
一、普朗克从黑体辐射计算所得普朗克为了凑合黑体辐射实验数据用拟合的方法猜得黑体辐射能量分布的分布公式：E(v.T)dv =对（1）取极值得到：】T ch几max T = --- =b4.96/1 其中b为维恩常数由实验测得。
对（1）式从0到00积分并利用斯特藩定律可得:2丁F<y = ----15 /F L（3）其中"为斯特藩・玻尔兹曼常数，由实验确定，联立（2）式与（3）式可以得出//=6.55X10-34J-5这就是普朗克在1901年发表的普朗克常量，它只比现代值低1%。
二、光电效应法爱因斯坦为了解释光电效应，提出了光电效应方程，当光射到金属表面时能量为加的光子被电子吸收。
电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的束缚，另一部分就是电子表面离开它的动能。
E m = hv一①(3)即，光子的能量加减去电子在金属中的结合能①等于电子的最大动能瓦「J1111 Vo是截止电压。
将（3）式改写为：% = 2"一①e测量不同频率下的截止电压，则V-v图的斜率为e从而得到普朗克常数，1916年密立根就是根据他自己测得的元电荷电量和光电效应的实验结果讣算出普朗克常数为：/? = 6.56x10^7-5与现代公认的值相比误差为0.99%。
光电效应法测普朗克常数的优点是实验装置以及表达式简单实验数据容易处理，因此是大学物理实验中测普朗克常数的方法；缺点是由于存在暗电流（电子的热运动及光电管漏电等原因使光阴极未受光照也会产生的电流）等原因，难以精确的测量截止电压，容易产生较大的系统误差。
第2节 光电效应和康普顿效应
2. 光电效应实验规律 ①.光电流与光强的关系 光电流与光强的关系 阳 A 阴 极 饱和光电流强度与入射光强度成正比。 饱和光电流强度与入射光强度成正比。 极 ②.截止频率ν0 ----红限 截止频率 红限 对于每种金属材料， 对于每种金属材料，都相应的有一确 G 定的截止频率ν0 。 V •当入射光频率 •当入射光频率ν > ν0 时，电子才能逸 出金属表面； 出金属表面； 光电流正比于光强。 当ν > ν0 时， 光电子初动能 Ek 0 ∝ ν 光电流正比于光强。 与光强无关。 反向遏止电压 | U 0 |∝ ν 与光强无关。
12
二、康普顿效应
引言：爱因斯坦断言：光是由光子组成， 引言：爱因斯坦断言：光是由光子组成，但真正证明光 是由光子组成的还是康普顿实验。 是由光子组成的还是康普顿实验。 1.光的散射 1.光的散射 光束通过光学性质不均匀的介质时， 光束通过光学性质不均匀的介质时，从侧面可以看 到光的现象称为光的散射 光的散射。 到光的现象称为光的散射。 光在各个方向上散射光强的分布与光的波长有关， 光在各个方向上散射光强的分布与光的波长有关， 光的偏振状态也不同。 光的偏振状态也不同。 2.康普顿效应 2.康普顿效应 射线通过物质散射时， 在 X 射线通过物质散射时，散射线中除有与入射 线波长相同的射线外，还有比入射线波长更大的射线， 线波长相同的射线外，还有比入射线波长更大的射线， 其波长的改变量与散射角θ有关，而与入射线波长λ 其波长的改变量与散射角θ有关，而与入射线波长λ0和 散射物质都无关。 散射物质都无关。
W 石英 窗 K
经典理论无法解释光电效应的实验结果。 经典理论无法解释光电效应的实验结果。 经典认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大， 经典认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大， 光波的电场强度的振幅也越大， 光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的 力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说， 力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说， 光电子的能量应该随着光强度的增加而增大， 光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与 入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。 入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。 光电效应实验表明： 光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且 与频率有关，光电子初动能也与频率有关。 与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率 高于红限，既使光强很弱也有光电流； 高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限 无论光强再大也没有光电流。 时，无论光强再大也没有光电流。 光电效应具有瞬时性。 光电效应具有瞬时性。而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。 波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。 为了解释光电效应， 为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基 础上提出光子理论，提出了光量子假设 光量子假设。 础上提出光子理论，提
光学--光的量子性6
什么是激光冷却原子？
图中的黄点是被囚禁的 钠原子云。它的温度为 绝对温度的百万分之一
被激光囚禁的铷原子云。表 面温度越低，被囚禁的铷原子 云的尺寸越小，更多的铷原子 云处在同一的量子态。
激光还处于青春期。我们看到激光是非常灵巧的， 它能做很多事情，并且已经做了一些事。它还会 长大，它还会做很多我们目前所想不到的事情， 所以激光还处于青春期。我们知道它能做很多事 情，但这仅仅是一个开始，它还要成长壮大。而 且你们当中的一些人将会决定激光还能做些什么。 开发新用途，发明新用法，完善激光的使用
光与颜色
颜色是人类眼睛对某一段波长的电磁波做出的反应。 17世纪60年代，I.牛顿通过有名的“日光－棱镜折射 实验”得出白光是由不同颜色光线混合而成
量子性
斯特藩—波耳兹曼定律：
W (T ) dW ( , T ) T
0 4
σ叫做斯特藩—波耳兹曼常量 黑体的辐出度与黑体的热力学温度的四次方成正比。
量子性
维恩定律
( , T ) B 3e A / T
在短波区和实验结果符合，而在长波区不符。 实验
瑞利——金斯定律 8 2 ( , T ) 3 KT C
红宝石激光器
全 反 射 镜
脉冲 氙灯
U
红宝石 E2
半 透 射 镜
E3
红宝石
E1
AI 2O3 Cr
3
1960年 7月，西奥多. 梅曼在加利福尼亚 的休斯空军 试验室制得了第一台激光器——红宝石激光器
第一台可以工作的激光 器（laser）的建造者西 奥多· 梅曼（Theodore Maiman）2007在5月5日 去世了，享年79岁.
E3 E2
AI 2O3 Cr 3
d黑体辐射光电效应康普顿散射
• 2.这些谐振子的能量不连续， nhv(n 0,1,2,3...)
• 3.这些线性谐振子服从麦克斯韦-波尔兹曼分布规律
• 即线性谐振子能量为nhv的概率为
nhv
e kT
由此可以得到频率为v的谐振子的平均能量为（详见统计物理）：
nhenh kT
n0
e
nh kT
人们发现，这些高温的物体发的光的色调只由温度决定，而与黑体的材料
形状无关！这一简单的规律让人难以解释！烧红1300度的陶瓷或 者岩浆或者铁水，颜色竟然是一样！
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ78年巴黎 世博会
3. 黑体辐射的基本规律 实验发现：黑体辐射的性质由黑体温度决定，而与
黑体的材料形状无关！这一简单的规律让人难以解释！
h
h
e kT 1
n0
频率为v的谐振子的平均能量为：
nhenh kT
n0
e
nh kT
h
h
e kT 1
详见统计物理学导论-王竹溪
~ d之间单位体积内 存在的振动数量为 8
4
n0
可以得到黑体腔体内能量场的密度 E(,T )
E(,T )
辐射本领vs波长图
黑体的辐射光谱
T，总辐射本领
T，对应于辐射本领
极大值的波长m越小
m
上述规律也反映在二 条定量实验规律中：
(1) Stefan – Boltzmann 定律 (2) Wien位移定律
各种常见光源的实测能谱曲线图
理想黑体的能谱图
100W 钨丝灯泡的能谱图
各种常见光源的实测能谱曲线图
背景知识
经典力学、 经典电磁电磁场理论、 经典统计力学
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601--黑体辐射、光电效应、康普顿散射
1. 选择题
1，用频率为ν1的单色光照射某一种金属时，测得光电子的最大动能为E K 1；用频率为ν2
的单色光照射另一种金属时，测得光电子的最大动能为E K 2．如果E K 1 >E K 2，那么 (A) ν1一定大于ν2 (B) ν1一定小于ν2
(C) ν1一定等于ν2 (D) ν1可能大于也可能小于ν2． [ ] 2，用频率为ν1的单色光照射某种金属时，测得饱和电流为I 1，以频率为ν2的单色光照射该金属时，测得饱和电流为I 2，若I 1> I 2，则
(A) ν1 >ν2 (B) ν1 <ν2
(C) ν1 =ν2 (D) ν1与ν2的关系还不能确定． ［ ］ 3，已知某单色光照射到一金属表面产生了光电效应，若此金属的逸出电势是U 0 (使电子从金属逸出需作功eU 0)，则此单色光的波长λ 必须满足：
(A) λ ≤)/(0eU hc (B) λ ≥)/(0eU hc
(C) λ ≤)/(0hc eU (D) λ ≥)/(0hc eU ［ ］ 4，已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是 1.2 eV ，而钠的红限波长是540nm ，那么入射光的波长是
(e =1.60×10-19 C ，h =6.63×10-34 J ·s )
(A) 535nm (B) 500nm
(C) 435nm (D) 355nm ［ ］ 5，用频率为ν 的单色光照射某种金属时，逸出光电子的最大动能为E K ；若改用频率为2ν 的单色光照射此种金属时，则逸出光电子的最大动能为：
(A) 2 E K . (B) 2h ν - E K
(C) h ν - E K (D) h ν + E K ［ ］ 6，金属的光电效应的红限依赖于：
（A ） 入射光的频率 (B)入射光的强度
(C) 金属的逸出功 (D)入射光的频率和金属的逸出功 [ ] 7，在康普顿效应实验中，若散射光波长是入射光波长的 1.2倍，则散射光光子能量ε 与反冲电子动能E K 之比ε / E K 为
(A) 2 (B) 3 (C) 4 (D) 5 ［ ］ 8，相应于黑体辐射的最大单色辐出度的波长叫做峰值波长m λ，随着温度T 的增高，m λ将向短波方向移动，这一结果称为维恩位移定律。
若b =2.897×10-3m k ，则两者的关系经实验确定为：
（A ）b T m =λ (B) bT m =λ (C) 4bT m =λ (D) m b T λ=
[ ]
9，若用频率为ν（波长为λ）的单色光照射逸出功为A 的某金属发生了光电效应，其爱因斯坦光电效应方程为：
（A ）A mv c h m +=221λ (B) A mv hc m +=22
1λ (C) A mv c h m +=221ν (D) A mv hc m +=22
1ν [ ]
2. 判断题
1，关于黑体辐射的普朗克公式完全是根据经典物理理论得到的。
2，在光电效应实验中，任何波长的可见光照射到任何金属表面都能产生光电效应。
3，若入射光的频率均大于一给定金属的红限，则该金属分别受到不同频率的光照射时，释出的光电子的最大初动能也不同。
4，若入射光的频率均大于一给定金属的红限，则当入射光频率不变而强度增大一倍时，该金属的饱和光电流也增大一倍．
5，康普顿效应中，散射光的波长均比入射光的波长短，且随散射角增大而减小，但与散射体的性质无关．
6，康普顿效应中，散射光的波长均与入射光的波长相同，与散射角、散射体性质无关。
7，康普顿效应中，散射光中既有与入射光波长相同的，也有比入射光波长长的和比入射光波长短的.这与散射体性质有关。
8，康普顿效应中，散射光中有些波长比入射光的波长长，且随散射角增大而增大，有些散射光波长与入射光波长相同．这都与散射体的性质无关。
9，光电效应是吸收光子的过程，而康普顿效应则相当于光子和电子的弹性碰撞过程． 10，康普顿效应是吸收光子的过程，而光电效应则相当于光子和电子的弹性碰撞过程． 11，用X 射线照射物质时，可以观察到康普顿效应，即在偏离入射光的各个方向上观察到散射光，这种散射光中既有与入射光波长相同的成分，也有波长变长的成分，波长的变化只与散射方向有关，与散射物质无关．
12，保持光电管上电势差不变，若只是入射的单色光光强增大，则从阴极逸出的光电子的最大初动能E 0 不变和飞到阳极的电子的最大动能E K 不变。
13，设用频率为ν1和ν2的两种单色光，先后照射同一种金属均能产生光电效应．已知金属的红限频率为ν0，测得两次照射时的遏止电压|U a 2| = 2|U a 1|，则这两种单色光的频率的关系为 ν2 = ν1 - 2ν0．
14，光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程．正确的理解是 两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程．。