第二十一章 光的量子理论
量子力学课程教学大纲
量子力学课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：量子力学所属专业：物理学专业课程性质：专业基础课学分：4（二）课程简介、目标与任务；课程简介：量子理论是20世纪物理学取得的两个（相对论和量子理论）最伟大的进展之一，以研究微观物质运动规律为基本出发点建立的量子理论开辟了人类认识客观世界运动规律的新途径，开创了物理学的新时代。
本课程着重介绍《量子力学》（非相对论）的基本概念、基本原理和基本方法。
课程分为两大部分：第一部分主要是讲述量子力学的基本原理（公设）及表述形式。
在此基础上，逐步深入地让学生认识表述原理的数学结构，如薛定谔波动力学、海森堡矩阵力学以及抽象表述的希尔伯特空间的代数结构。
本部分的主要内容包括：量子状态的描述、力学量的算符、量子力学中的测量、运动方程和守恒律、量子力学的表述形式、多粒子体系的全同性原理。
第二部分主要是讲述量子力学的基本方法及其应用。
在分析清楚各类基本应用问题的物理内容基础上，掌握量子力学对一些基本问题的处理方法。
本篇主要内容包括：一维定态问题、氢原子问题、微扰方法对外场中的定态问题和量子跃迁的处理以及弹性散射问题。
课程目标与任务：1.掌握微观粒子运动规律、量子力学的基本假设、基本原理和基本方法。
2．掌握量子力学的基本近似方法及其对相关物理问题的处理。
3．了解量子力学所揭示的互补性认识论及其对人类认识论的贡献。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；本课程需要学生先修《电磁学》、《光学》、《原子物理》、《数学物理方法》和《线性代数》等课程。
《电磁学》和《光学》中的麦克斯韦理论最终统一了光学和电磁学；揭示了任意温度物体都向外辐射电磁波的机制，它是19世纪末人们研究黑体辐射的基本出发点，对理解本课程中的黑体辐射实验及紫外灾难由于一定的帮助。
《原子物理》中所学习的关于原子结构的经典与半经典理论及其解释相关实验的困难是导致量子力学发展的主要动机之一。
结构化学 第1章 量子力学基本原理---量子论
光是一种电磁波
➢1856年，Maxwell建立电磁场理论，预言了电 磁波的存在。 ➢理论计算出电磁波以3×108m/s的速度在真空 中传播，与光速度相同，所以人们认为光也是 电磁波。 ➢1888年，Hertz探测到电磁波。 ➢光作为电磁波的一部分，在理论上和实验上就 完全确定了。
L. Rayleigh（瑞利） 1911年Nobel物理奖
➢R － J 方 程 只 在 波 长 很 大时与实际情况比较符
。实验 -- 维恩 -- 瑞利－金斯
合 ， 随 着 λ 减 小 ， ρλ 单调增大，与实验结果
呈现巨大分歧。
➢推 论 ： 黑 体 的 单 色 辐
射强度将随波长变短而
趋于“无限大”。
光子学说对光电效应的解释
当光照射金属中的电子时，电子吸收光子的能量，
体现为逸出功(W0)和光电子动能(Ek) ：
hn
1 mv2 2
W0
n0=W0/h，为金属材料的特征值。
当n＞n0时，如果光的强度越大，则单位体积内
通过的光子数目就越多，因而光电流也越大。
W0
W0
W0 ,逸出功, 或称为功函数，F
结构化学 —— 第一章量子力学原理
第一章
I 量子论的形成 新理论的产生
为世人接受的新 观念和新理论
传统观念 和经典理论
不能解释 实验新发现
解释实验且为 其他实验证实
修
新观念 新假设
正
结构化学 —— 第一章量子力学原理
经典物理学
1900年以前，物理学的发展处于经典物理学 (classical physics)阶段: 由经典力学，电磁波理论， 统计物理学和热力学等组成。
与此相反，Wien方程只在
－－“紫外灾难” 高频区符合。
第21章_量子光学基础
例4：以一定频率的单色光照射在某种金属上，测出其 光电流曲线在图中用实线表示。⑴ 保持照射光的强度 不变，增大频率；测出其光电流曲线在图中用虚线表示。 满足题意的图，是_______。
I
o (A) U
I
o (B) U
I
o (C) U
I
o (D) U
⑵ 保持照射光的频率不变，增大强度。测出其光电流曲 线在图中用虚线表示。满足题意的图，是_______。
瑞利—金斯公式
实验曲线和普朗克公式
6 5 4 3 2 1 0
1 2 3
T=2000K
维恩公式
10-14Hz
由经典理论导出的 M (T)～ 公式都与实验曲线不 完全符合！
这正所谓是“ 物理学晴朗天空中的一朵乌云!”
四.普朗克的量子论的诞生 1900年德国物理学家普朗克为了得到与实验曲线相 一致的公式，摒弃了经典物理能量连续概念，提出了 一个与经典物理学概念截然不同的“能量子”假设. 他指出 ：辐射物质中存在着带电谐振子，这些谐振 子吸收或辐射的能量是间断的不连续的，辐射“能量子 ”的能量
实验曲线
维恩公式
维恩公式在高频段与实 验曲线符合得很好， 但在低频段明显偏离 实验曲线。
10-14Hz
▲
著名公式之二： 瑞利 —金斯公式
1900年瑞利和金斯从经典电动力学和 统计物理学理论（能量均分）推导得:
2 2 M (T ) 2 kT c k 1.380658 1023 J K 1
I
O U
I
O (B) U
I
O (C) U
I
O (D) U
(A)
例5：关于光电效应有下列说法中正确的是________。 (1)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； (2)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； (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、强度相等的光照射时，单位 时间释出的光电子数一定相等； (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。
(易错题)人教版初中九年级物理下册第二十一章《信息的传递》检测题(含答案解析)
一、选择题1．下列说法正确的是A．当有人触电时应立即切断电源B．家中多个大功率用电器可以在同一插线板上同时使用C．光缆通信中光在光纤里一直沿直线传播D．太阳能、风能、核能都是可再生能源2．关于能源、信息和材料，下列说法正确的是（）A．光纤通讯主要利用电信号传递信息B．条形码扫描器中的光敏二极管使用的材料是半导体材料C．我国的北斗卫星导航系统是利用超声波进行定位和导航的D．超导体材料可以应用于电饭锅并使其效率提高3．2018年11月19日2时7分，我国在西昌星发射中心用长征三号乙运载火箭，以“一箭双星”方式成功发射第四十二、四十三颗北斗导航卫星，如阳11所示，下列说法正确的是A．火箭上升过程是匀速直线运动B．北斗导航卫星在太空中用超声波与地球通讯C．火箭开始升空时，携带的卫星相对于火箭是静止的D．发射现场的喷水降温降噪系统是在人耳处减弱噪声4．下列关于声和电磁波的说法中正确的是A．人们小声说话时，一般声音的音调比较低B．声音在传播过程中遇到障碍物便停止传播C．电磁波看不见、摸不着，但它是客观存在的D．“共享单车”可以定位是通过超声波来传递信息的5．关于电与磁的材料，下列说法中正确的是（）A．地磁场的磁感线是从地球南极附近发出回到北极附近B．导体在磁场中运动就一定会产生感应电流C．在真空中，无线电波的传播速度小于光的传播速度D．集成电路中的三极管是利用超导体材料制成的6．下列说法正确的是（）A．家庭电路中漏电保护器开关突然断开，一定是电路中用电器总功率过大B．微波通信、卫星通信、光纤通信都是靠电磁波传递信息的C．使用煤炭、石油和利用太阳能都会造成空气污染D．摩擦生热过程中不遵循能量守恒定律7．几乎所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持WiFi无线信号上网。
以下关于WiFi 无线信号的说法中正确的是（）A．WiFi无线信号是一种电磁波B．WiFi无线信号是一种超声波C．WiFi无线信号是一种次声波D．WiFi无线信号不能在真空中传播8．下列说法错误的是（）A．太阳能、水能、潮汐能是可再生能源B．我国在超导领域取得了重大突破，用超导体制作白炽灯的灯丝灯泡会更亮C．无线电技术和5G技术是物联网的基础，它们是靠电磁波来实现万物互联的D．使用测电笔时，手必须与笔尾金属体接触9．2019年10月1日，在庆祝新中国成立70周年阅兵中，由陆、海、空三军航空兵组成的12个空中梯队，以前所未有的磅礴阵容接受检阅。
高中物理课目录
高中物理第一册（必修）绪言第一章力一、力二、重力三、弹力四、摩擦力阅读材料液体的阻力五、力的合成六、力的分解第二章直线运动一、几个基本概念二、位移和时间的关系三、运动快慢的描述速度阅读材料怎样理解瞬时速度四、速度和时间的关系五、匀变速直线运动的规律六、匀变速直线运动的规律阅读材料位移公式的另一种推导七、匀变速直线运动规律的应用八、自由落体运动阅读材料伽利略对自由落体运动的研究第三章牛顿运动定律一、牛顿第一定律阅读材料爱因斯坦谈伽利略的贡献二、物体运动状态的改变三、牛顿第二定律四、牛顿第三定律五、力学单位制六、牛顿运动定律的应用阅读材料用动力学方法测质量七、超重和失重阅读材料失重和宇宙开发八、惯性系和非惯性系九、牛顿运动定律的适用范围第四章物体的平衡一、共点力作用下物体的平衡二、共点力平衡条件的应用三、有固定转动轴物体的平衡四、力矩平衡条件的应用阅读材料平衡的种类稳度第五章曲线运动一、曲线运动二、运动的合成和分解三、平抛物体的运动四、匀速圆周运动五、向心力向心加速度阅读材料向心加速度公式的推导六、匀速圆周运动的实例分析七、离心现象及其应用第六章万有引力定律一、行星的运动二、万有引力定律三、引力常量的测定四、万有引力定律在天文学上的应用五、人造卫星宇宙速度阅读材料黑洞六、行星、恒星、星系和宇宙第七章机械能一、功阅读材料变力的功二、功率三、功和能四、动能动能定理五、重力势能六、机械能守恒定律七、机械能守恒定律的应用学生实验一、长度的测量二、验证力的平行四边形定则三、练习使用打点计时器四、研究匀变速直线运动五、研究平抛物体的运动六、验证机械能守恒定律高中物理第二册（必修）第八章机械振动和机械波一、简谐运动二、单摆三、简谐运动的图象四、振动中的能量转化五、受迫振动共振六、机械波七、波长、频率和波速八、超声波及其应用阅读材料有趣的声学知识第九章分子动理论能量守恒一、物质是由大量分子组成的阅读材料纳米科学技术二、分子的热运动三、分子间的相互作用力四、内能五、热力学第一定律能量守恒六、能源的开发和环境保护阅读材料三峡工程的发电效益七、热力学第二定律第十章固体、液体、气体一、固体二、晶体的微观结构三、液体的表面张力四、毛细现象五、液晶六、气体的压强阅读材料气体分子的速率和统计规律七、气体的压强、体积、温度的关系第十一章电场一、电荷电荷间的相互作用二、电场强度电场线阅读材料用比值定义物理量三、电势差电势阅读材料放电现象四、电容器电容阅读材料照相用闪光灯五、静电的防止和利用第十二章恒定电流一、欧姆定律阅读材料磁悬浮列车二、闭合电路的欧姆定律三、半导体四、超导第十三章磁场一、磁场和磁性材料阅读材料磁悬浮列车二、磁场的方向磁感线三、安培力磁感应强度阅读材料电动式扬声器阅读材料电流表的工作原理四、磁场对运动电荷的作用第十四章电磁感应一、磁通量二、电磁感应现象三、法拉第电磁感应定律四、右手定则五、自感阅读材料动圈式话筒阅读材料磁带式录音原理第十五章交变电流一、交变电流的产生和变化规律二、表征交变电流的物理量三、变压器四、电能的输送第十六章电磁波一、电磁场和电磁波二、无线电波的发射和接收阅读材料无线电波的传播阅读材料移动电话三、电视和雷达第十七章光的传播一、光的直线传播二、光的折射三、全反射四、光的色散第十八章光的本性一、波的干涉和衍射二、光的干涉三、光的衍射四、光的电磁说五、光电效应光子阅读材料康普顿效应六、物质波七、激光第十九章原子和原子核一、原子的核式结构原子核二、原子的能级电子云阅读材料氢原子的光谱三、天然放射现象衰变阅读材料半衰期四、核反应核能阅读材料放射性同位素的应用五、重核的裂变六、轻核的聚变七、人类对物质结构的认识高中物理第二册（必修加选修）第八章动量一、冲量和动量二、动量定理三、动量守恒定律四、动量守恒定律的应用五、反冲运动火箭阅读材料航天技术的发展和宇宙航行第九章机械振动一、简谐振动二、振幅、周期和频率三、简谐运动的图象阅读材料乐音和音阶四、单摆六、简谐运动的能量阻尼振动七、受迫振动共振第十章机械波一、波的形成和传播二、波的图象三、波长、频率和波速四、波的衍射五、波的干涉六、驻波七、多普勒效应八、次声波和超声波第十一章分子热动动能量守恒一、物体是由大量分子组成的阅读材料纳米技术二、分子的热运动三、分子间的相互作用力四、物体的内能热量五、热力学第一定律能量守恒定律阅读材料能量守恒定律的建立六、热力学第二定律七、能源环境第十二章固体、液体和汽体一、固体二、固体的微观结构三、液体表面张力四、毛细现象五、液晶六、伯努利方程七、湍流现象八、气体的压强阅读材料气体分子的速率和统计规律九、气体的压强、体积、温度的关系第十三章电场一、电荷库仑定律阅读材料库仑扭秤实验二、电场电场强度四、静电屏蔽五、电势差电势六、等势面七、电势差与电场强度的关系八、电容器的电容阅读材料电容式传感器九、带电粒子在匀强电场中的运动十、静电的利用和防止第十四章恒定电流一、欧姆定律阅读材料自由电子定向移动的速率二、电阻定律电阻率三、半导体及其应用四、超导及其应用五、电功和电功率六、闭合电路欧姆定律七、电压表和电流表第十五章磁场一、磁场磁感线阅读材料电流磁效应的发现三、电流表的工作原理四、磁场对运动电荷的作用五、带电粒子在磁场中的运动质谱仪六、回旋加速器阅读材料安培分子电流假说磁性材料阅读材料磁与生物第十六章电磁感应一、电磁感应现象阅读材料法拉第关于电磁感应现象的实验二、法拉第电磁感应定律──感应电动势的大小三、楞次定律──感应电流的方向四、椤次定律的应用阅读材料寻找磁单极子五、自感现象六、日光灯原理七、涡流阅读材料电磁感应现象的应用第十七章交变电流一、交变电流的产生和变化规律二、表征交变电流的物理量三、电感和电容对交变电流的影响四、变压器五、电能的输送阅读材料直流输电六、三相交变电流阅读材料感应电动机阅读材料直线电机和磁悬浮列车第十八章电磁场和电磁波一、电磁振荡二、电磁振荡的周期和频率三、电磁场四、电磁波五、无线电波的发射和接收六、电视雷达阅读材料移动电话学生实验一、验证动量守恒定律二、用气垫导轨验证动量守恒定律三、用单摆动测定重力加速度四、用油膜法测定分子的大小五、用描迹法画出电场中平面上的等势线六、描绘小灯泡的伏安特性曲线七、测定金属的电阻率八、把电流表改装为电压表九、研究闭合电路欧姆定律十、测定电源电动势和内阻十一、练习使用示波器十二、用多用电表探索黑箱内的电学元件十三、传感器的简单应用十四、研究玩具电机的能量转化高中物理第三册（必修加选修）光学第十九章光的传播一、光的直线传播阅读材料光速的测定阅读材料光速的测定二、光的折射阅读材料绝对折射率和相对折射率三、全反射阅读材料大气中的光现象四、光的色散阅读材料全反射棱镜第二十章光的波动性一、光的干涉二、光的衍射三、光的电磁说四、光的偏振五、激光近代物理初步第二十一章量子论初步一、光电效应光子阅读材料热辐射和普朗克的量子说二、光的波粒二象性三、能级四、物质波阅读材料显微镜的分辨本领五、不确定关系阅读材料量子力学第二十二章原子核一、原子的核式结构原子核二、天然放射现象衰变三、探测射线的方法四、放射性的应用与防护五、核反应核能六、裂变阅读材料增殖反应堆七、轻核的聚变阅读材料粒子物理简介第二十三章相对论简介一、狭义相对论的基本假说二、时间和空间的相对性三、狭义相对论的其他结论四、惯性力惯性质量和引力质量。
量子力学简明教程授课教案
量子力学简明教程授课教案第一章：量子力学概述1.1 量子力学的发展历程了解量子力学的历史背景，包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论、波粒二象性等。
学习量子力学的基本原理，如波函数、薛定谔方程、海森堡不确定性原理等。
探索量子力学在原子、分子、固体物理等领域中的应用。
第二章：波函数与薛定谔方程2.1 波函数的概念学习波函数的定义和数学表达，了解波函数的物理意义和作用。
掌握波函数的归一化条件和物理意义。
2.2 薛定谔方程推导薛定谔方程，并了解其在量子力学中的重要性。
学习一维势阱、势垒和量子隧穿等模型。
第三章：量子力学的基本概念3.1 量子态的叠加与测量学习量子态的叠加原理，了解测量对量子态的影响。
探讨量子纠缠和量子超位置等现象。
3.2 量子力学的基本数学工具学习算符的概念和运算规则，了解算符在量子力学中的应用。
掌握态空间、算符表示和测量理论等基本概念。
第四章：原子和分子的量子力学4.1 氢原子的量子力学学习氢原子的薛定谔方程和解空间波函数。
探讨能级、能级跃迁和光谱线等现象。
4.2 多电子原子的量子力学学习多电子原子的薛定谔方程和电子间的相互作用。
探讨原子轨道、电子云和原子性质等概念。
第五章：固体物理中的量子力学5.1 晶体的量子力学学习晶体的周期性边界条件和布拉格子模型。
探讨能带结构、能带间隙和电子在晶体中的行为等概念。
5.2 量子阱和量子线学习量子阱和量子线的结构及其电子性质。
探讨量子阱中的量子态和量子线中的电子传输等现象。
第六章：量子力学与经典力学的比较6.1 经典力学的局限性探讨经典力学在描述微观粒子行为时的不足之处。
学习量子力学与经典力学在概念和方法上的差异。
6.2 量子力学的非经典特性探讨量子力学的非经典特性，如波粒二象性、量子纠缠等。
学习量子力学与经典力学在预测和解释现象上的不同。
第七章：量子力学与相对论的关系7.1 狭义相对论的基本概念复习狭义相对论的基本原理，如时空相对性、质能等价等。
第二十一章 量子论初步
第二十一章量子论初步
§21.1 光电效应光子
学习要求：
1.理解光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾
2.知道光电效应的瞬时性及其与光的电磁理论的矛盾
3.理解光子说及其对光电效应的解释
4.理解爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题
Heinrich Rudolf Hertz
1857－1894
普通光
教材P41例题 思考题：
在上图所示的光电效应实验中，已知G 表有示数。
（1）若将滑片P 逐渐向右滑动，
G 表示数如何变化？
（2）若将电源正负极反向再将滑片P 从最左边向右滑动，G 表示数又如何变化？ （3）在第（2）问中G 表示数稳定后，若增大入射光强度而频率不变，G 表示数又有何变化？
（4）在第（2）问中G 表示数稳定后，若增大入射光频率而强度不变，G 表示数又有何变化？
作业：
1. 再读教材，领会光电效应与波动理论的矛盾以及光子说对光电效应的解释
2. 阅读练习册讲解部分（含例题和变式训练）并完成课后作业。
人教版初中九年级物理下册第二十一章《信息的传递》测试(有答案解析)(17)
一、选择题1．下列说法正确的是A．物体的速度越大,其惯性越大B．电磁波不能在真空中传播C．摩擦起电的实质是电子从一个物体转移到了另一个物体D．磁感线是磁场中真实存在的曲线2．如图所示，在建国60周年期间，各地群众通过多种方式了解国庆大阅兵的信息．下列各种信息传递方式中，运用电磁波传递信息的是（）A．声呐和无线电广播电视B．卫星通信和光纤通讯C．有线电话和无线电广播电视D．两人之间面对面相互交谈3．关于信息、能源和材料，下列说法正确的是A．无线电广播、卫星电视、移动电话都是靠电磁波传递信息的B．在倡导“节能环保”“低碳生活”的今天，人类特别重视化石能源的利用C．光纤通信利用电信号传递信息D．光伏电池和DVD光碟都应用了磁性材料4．物理与生活密切相连，下列生活实例用物理现象解释错误的是A．琴师用松香擦二胡弓弦----减小摩擦B．蓝牙技术----电磁波原理C．风扇扇叶下有很多灰尘----摩擦起电现象D．用吸管吸饮料----大气压强现象5．下列关于新材料及信息传递的说法中，正确的是A．超导体主要用于制作电饭锅等电热器B．半导体可用来制作LED灯的发光二极管C．移动电话（手机）利用超声波传递信息D．卫星通信与光纤通信是现代通信的两种方式，前者利用了电磁波，后者没有6．在某次春晚上,一歌星的歌曲通过电视、网络等媒体迅速传遍了神州大地．下列说法正确的是A．传输信号的是电磁波,歌星的音调越高,波速就越快B．从收音机中能听到唱歌,说明声波也属于电磁波C．话筒的作用是将声音信号转化成变化的电信号D．为减少电磁污染,可以采用超声波通过卫星进行现场直播7．关于声和电磁波，下列说法正确的是A．声和电磁波都能在真空中传播B．敲鼓时鼓面振动的幅度越大音调越高C．声音的音调与发声体的振动频率有关D．医生用B超观察胎儿的发育情况是利用电磁波工作的8．下列关于地球同步通信卫星的说法中，错误的是（）A．同步卫星处于平衡状态B．同步卫星的机械能守恒C．同步卫星相对于地球静止D．同步卫星使用微波进行通信9．关于电磁波与信息技术，下列说法正确的是( )A．手机只能接收电磁波，不能发射电磁波B．声呐是利用电磁波来探测鱼群的C．电磁波在真空中的传播速度为3.0×105km/sD．卫星通信没有利用电磁波传递信息10．手机已进入千家万户，手机传递信息是利用了（）A．电磁波B．次声波C．超声波D．紫外线11．现将一部手机悬挂在密封的玻璃罩内，拨通手机发现手机发出铃声和闪烁的光；逐渐抽出玻璃罩内的空气，发现铃声逐渐变弱直至消失而闪烁的光依然存在；再让空气逐渐进入玻璃罩内，发现铃声逐渐变强并仍然有闪烁的光。
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(T
)
2 c2h 5
ehc
1
kT
ห้องสมุดไป่ตู้
1
其中k, c 分别是玻尔兹曼常数和 光速, T是黑体的绝对温度。
在全波段与实验结果惊人符合!
1918
普朗克的能量子假说 (1) 物体辐射的能量是分立值（能量不是连续的） (2) 存在着能量的最小单元：能量子
=h h=6.626075510-34 J·s ——普朗克常数
h
定量地表现了光的波动性和粒子性。
14
0
n0
h
n
mV
电子相对论质量
e-
反冲电子
入射光子
h 0
c
n0
m m0 1 V 2 / c2
mV
11
h0 m0c2 h mc2
h
0
n0
m
h
n
mV
m0
1 V 2 / c2
h
c
n
散射的光子
e-
反冲电子
入射光子
h 0
c
n0
解得散射光子波长偏移
mV
c
mh0c02m.4h03c(110c1o2 s— )—Cc (o1m cpotosn波) 长
求：(1)该光子的散射角; (2)使这个光子散射的反冲电子的能量。
解：(1)由已知条件
0
0 0
0.04%
c(1 cos ) 0.04% 0
解出: cos 0.967 14.75
(2)由能量守恒, 反冲电子获得的能量
即光子损失的能量：
E电子
hc
h0 h
0.04%
hc
0 0
2.49(eV)
一、 康普顿效应的实验规律
准直系统 检测器
X射线管
散射光
入射光o 石墨晶体
1927
实验规律：散射光中除了有波长与入射光相同的 成份外，还有波长大于原波长的成份。 波长的变化量与散射角有关,而与原波 长和散射物质无关。
9
实验结果：
I
=0º
I
=45º
(1) 散射的光线中有与入射波长
0相同的射线, 也有波长 >0的射线。
(2) 散射光波长的改变量
＝－o 随散射角 的增加而增加。
I I
0
(3) 对同一散射角, 波长的增加
=90º
量 相同,与散射物质无关。
(4) 康普顿散射的强度与散射物 质有关。原子量小的散射物
=135º
质，康普顿散射(波强)较强， 反之康普顿散射(波强)较弱。
10
二、康普顿效应的量子解释
h
时间不超过10-9s。
Ua 0
U
相同频率不同入射光强度
5
第3节 光子 爱因斯坦光电方程
Photon Photoelectric Equation 一、光子
爱因斯坦在能量子假说的基础上 提出光子理论：
一束光, 是一束以光速 运动的粒子
流,这些粒子称为光量子(光子)。光的能
1921
量不是均匀地分布在波阵面上, 而是集中在微粒上
,
P
h
由于物质中的外层电子的动能远小于入射光
子的动能, 碰撞前电子可以看作是静止的。碰撞
过程中, 光子的一部分能量传递给电子，能量减
小, 频率减小, 因而波长增大。
X射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞:
碰撞前后系统的能量与动量守恒
h
能量守恒 h0 m0c2 h mc2散射的光子 c
n
动量守恒
h
第六篇 量子物理
第六篇 量子物理
第21章 光的量子理论 第22章 玻尔的原子量子理论 第23章 量子力学基础 第24章 激光和半导体
第六篇 量子物理
第21章 光的量子理论
第21章 光的量子理论
Quantum Theory of Light
第1节 普朗克能量子理论 第2节 光电效应 第3节 光子 爱因斯坦光电方程 第4节 康普顿效应 第5节 光子的波粒二象性
0 (1 0.04%)
13
第5节 光子的波粒二象性
Wave-Particle Duality of Photons
一、光子的质量
由而相m对 论1m质0vc能22 关可系得:光子的m静c 2止m质量hc2m0
h
c
0
二、光子的动量
P
mc
h
c
h
三、光子的波粒二象性 光子方程
E h
爱因斯坦光子方程:
P
物体辐射或吸收能量E : E=n = nh
n=1,2,3…...
3
第2节 光电效应
Photoelectric Effect
一、实验简述 实验装置见右图
二、实验规律
G U
(1) 对一定光强，光电流强度I
随电压U增加。
I 光电流随U增加
(2) 饱和光电流强度与入射
IS
3
光强度成正比。
2
(3) I=0时 U= –Ua , Ua : 遏止电压。
可见: 与0无关只与散射角 有关, , 。
光子与内层电子的碰撞可看作是与原子的碰 撞。由于原子的质量远大于光子,碰撞过程中光子 的能量几乎不变, 因而波长保持不变。
所以X 射线光子与束缚很紧的电子碰撞: 入 散 12
例.波长为2.0 Å的X射线射到碳块上, 由于康普顿 散射，波长改变0.04％，
1
Ua 0
U
4
(4) 遏止电压的大小反映光电子初动能的大小, 光电子的最大初动能为：
eUa e (K U0)
(5) 光电子的初动能与入射光强度无关，而随入
射光的频率线性增加。只有当入射光频率大
于一定的频率0（红限频率)时，
才会产生光电效应。
I
0
U0 K
IS
3
2
(6) 光电效应具有瞬时性，
1
响应速度很快, 延迟
每个频率为 的单个光子的能量为： =h
二、光子假说对光电效应的解释
(1) 入射光强度越大, 光子数越多, 光子与电子相互 作用的数目越多,逸出的光电子数目多 ——饱和光电流与入射光强度成正比。
7
(2) 最大初动能与频率成线性关系
一个光子被一个电子所吸收，使电子获得h
的能量，一部分用于脱离金属表面,由能量守
恒可得最大初动能：
1 2
mv02
h
A
逸出功
——爱因斯坦的光电方程
所以当 ＜ A/h时，不发生光电效应。
产生光电效应的最小频率——红限频率：
0
A h
红限波长
0
hc A
(3) 当光照射金属时，电子吸收能量是一次性的，
不需要能量积累,电子逸出是瞬间,无时间延迟。
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第4节 康普顿效应
Compton Effect
第1节 普朗克能量子理论
Quantum Theory of Planck
能量量子化的概念是德国物理学家普朗克为 解释黑体辐射现象提出的。
M0 ( ,T )
右图为不同温度下， 黑体辐射能量与各种 波长的关系图。
1700K 1500K 1300K
1
经典理论的解释 1.维恩( Wien )
M0( ,T )
实测
瑞利-琼斯
根据经典热力学得出：
M0(,T )
c1
5
c2
e T
维恩理论值
——只适于短波
T=1646K
2. 瑞利-琼斯(Rayleigh-Jeans)
用能量均分定理、电
磁理论得出：
在黑体辐射研究中
M0(,T )
2 ckT 4
经典物理失败 !
只适于长波 ——“紫外灾难”。
2
3.普朗克黑体辐射公式
M