24第五篇 近代物理学 第三章-光的本性(量子光学基础)__热辐射_普朗克量子假设
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高考物理一轮备考光的本性知识点
高考物理一轮备考光的本性知识点光既有粒子性,又有波动性,称为光的波粒二象性，下面是光的本性知识点，请考生掌握。
1.两种学说:微粒说(牛顿)、波动说(惠更斯)〔见第三册P23〕2.双缝干涉:中间为亮条纹;亮条纹位置:=n暗条纹位置:=(2n+1)/2(n=0,1,2,3,、、、);条纹间距{:路程差(光程差);:光的波长;/2:光的半波长;d两条狭缝间的距离;l：挡板与屏间的距离｝3.光的颜色由光的频率决定,光的频率由光源决定,与介质无关,光的传播速度与介质有关，光的颜色按频率从低到高的排列顺序是：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫(助记：紫光的频率大，波长小)4.薄膜干涉:增透膜的厚度是绿光在薄膜中波长的1/4,即增透膜厚度d=/4〔见第三册P25〕5.光的衍射：光在没有障碍物的均匀介质中是沿直线传播的，在障碍物的尺寸比光的波长大得多的情况下，光的衍射现象不明显可认为沿直线传播，反之，就不能认为光沿直线传播〔见第三册P27〕6.光的偏振：光的偏振现象说明光是横波〔见第三册P32〕7.光的电磁说：光的本质是一种电磁波。
电磁波谱(按波长从大到小排列):无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、射线。
红外线、紫外、线伦琴射线的发现和特性、产生机理、实际应用〔见第三册P29〕8.光子说,一个光子的能量E=h{h:普朗克常量=6.6310-34J.s，:光的频率｝9.爱因斯坦光电效应方程：mVm2/2=h-W{mVm2/2:光电子初动能，h:光子能量，W:金属的逸出功｝注:(1)要会区分光的干涉和衍射产生原理、条件、图样及应用,如双缝干涉、薄膜干涉、单缝衍射、圆孔衍射、圆屏衍射等;(2)其它相关内容:光的本性学说发展史/泊松亮斑/发射光谱/吸收光谱/光谱分析/原子特征谱线〔见第三册P50〕/光电效应的规律光子说〔见第三册P41〕/光电管及其应用/光的波粒二象性〔见第三册P45〕/激光〔见第三册P35〕/物质波〔见第三册P51〕。
大学物理课件8光的量子性.ppt
激光 , 日光灯发光不是热辐射
dW
限于平衡热辐射的讨论。
(λ λ d λ)
T
2. 辐射度量
[1]光谱辐出度
单位面积
单位时间
(spectral radiant excitance)
单位时间内,从物体单位表面发出波长在λ附近
单位波长间隔内的电磁波的能量 ,称为光谱辐射
出射度用Mλ(λ,T)表示.。
蓝
紫
1885年，观测到的氢原子光谱线已有14条
▲巴耳末（J.J.Balmer）公式（可见光波段）
波数
~
1
41 B ( 22
1 n2
)
,
n 3,4,5,
B = 3645.6Å（经验常数） Å＝10－10m
▲里德伯（J.R.Rydberg）公式(全波段）
~
R(
1 m2
1 n2
2.实验规律 装置：如图所示 规律：观察现象得出
光照射阴极 K，光电子从阴极 表面逸出。向阳极 A 运动，形 成光电流。
(1)饱和光电流Im 入射光一定，两极电压达到一
定数值后，光电流的稳定值。
饱和光电流与阴极逸出电子 I
数N之间有如下关系
Im2
I2
Im Ne
Im1
I1
——与入射光强度成正比。 Ua (2)截止电压Ua
康普顿 （A. pton) 美国人(1892-1962）
18.4 原子光谱和玻尔原子理论
一、原子光谱
原子光谱是原子发射光的强度随波长的分布， 是研究原子结构的基本方法。
1（85A3.J年.A。瑞ng典st人r‥o埃m）格斯特朗
测。得氢可见光光谱谱线， A即由此得来。
24量子物理的基本概念
习题2、实验得下图，求:n0, A, h.
14 n 由图 解： 5 10 Hz U a V 0
题目h是未知，则不用 A=hn0 ，另法求A
hn 1 m v2 A -2 2 1 2 2 eU a mv k 14 2 5 10
5
10
n
14
Hz
h ke
2e 14 5 10
8
6.63 10
34
1
除了电子外，中子、质子、原 子、分子衍射已陆续被观测到。厄 今为止所有实验测得的物质波的波 长都与用德布罗意公式计算的波长 一致。 h p
德布罗意波长公式
三.德布罗意波应用: 电子显微镜(录象10#)
光学仪器分辨率与波长成反比， 普通显微镜受可见光波长所限，分辨 率不高。加速电压为几百万伏时，电 子波长与X射线相近。
四、光子的提出
A.Einstein 1905年连续发表 四篇划时代论文: 爱因斯坦方程 —获诺贝尔奖 质能关系式 狭义相对论 以原子论解释布朗运动
1、爱因斯坦的光子假说
光由光量子组成。 光强大则光子数多。
1926
光子能量为 e hn
普朗克常数
h 6.6310
34
Js
2、爱因斯坦方程
2 5
1 e
h kTc
1
与实验一致
.
.
.
实验曲线
.
..
普朗克的能量子假说: 辐射体腔壁的原子，在辐射或吸收能 量时，能量按最小能e=hn的n倍变化。
E=n hv，n=0，1，2，…
普朗克常数
h 6.63 10
34
J s
是微观的标志
24.2 光的粒子性的提出 什么是光电效应？
2020年高中物理竞赛—基础光学04光的量子性：热辐射(共12张PPT)
2020高中物理竞赛
基础光学
第一节 热辐射 普朗克能量子假设
一. 热辐射
热辐射 : 由温度决定的物体的电磁辐射。
单
色 辐 出 度
头 部 热 辐
射
像
头部各部分温度不同，因此它们
的热辐射存在差异，这种差异可
0
1.0
1.75 通过热象仪转换成可见光图象。
波长 ( m )
物体温度升高时温度的变化
直觉: 低温物体发出的是红外光 炽热物体发出的是可见光 高温物体发出的是紫外光
(3)、物体辐射能量的同时，还吸收周围能量。 吸收的辐射能>辐射的能量物体温度升高 吸收的辐射能＝辐射的能量物体温度不变
(4)、不同物体在某一频率范围内发射和吸收电磁辐射 的能力不同，如深色物体比浅色物体吸收和发射电磁 辐射电磁辐射的能力大。
(5)、经典理论认为辐射或能量的取值是任意的,连续的。
二. 描述热辐射的基本物理量
1) 光谱辐射出射度(也称单色辐射本领)
单位时间内从物体单位表面向前方半球
发出的波长在 附近单位波长间隔内的电磁波
的能量
M
dM
d
T
单位面积
dቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ( dλ)
（单位时间内）
或按频率定义
单位时间内从物体单位表面
向前方半球发出的频率在 附近单位
频率间隔内的电磁波的能量
M
dE (T )
d
T
单位面积
dE ( d )
注意： 热辐射与温度有关 激光 日光灯发光不是热辐射
物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射本领越 大，其吸收本领也越大。
室温
高温
吸收
辐射
白底黑花瓷片
基础光学
第一节 热辐射 普朗克能量子假设
一. 热辐射
热辐射 : 由温度决定的物体的电磁辐射。
单
色 辐 出 度
头 部 热 辐
射
像
头部各部分温度不同，因此它们
的热辐射存在差异，这种差异可
0
1.0
1.75 通过热象仪转换成可见光图象。
波长 ( m )
物体温度升高时温度的变化
直觉: 低温物体发出的是红外光 炽热物体发出的是可见光 高温物体发出的是紫外光
(3)、物体辐射能量的同时，还吸收周围能量。 吸收的辐射能>辐射的能量物体温度升高 吸收的辐射能＝辐射的能量物体温度不变
(4)、不同物体在某一频率范围内发射和吸收电磁辐射 的能力不同，如深色物体比浅色物体吸收和发射电磁 辐射电磁辐射的能力大。
(5)、经典理论认为辐射或能量的取值是任意的,连续的。
二. 描述热辐射的基本物理量
1) 光谱辐射出射度(也称单色辐射本领)
单位时间内从物体单位表面向前方半球
发出的波长在 附近单位波长间隔内的电磁波
的能量
M
dM
d
T
单位面积
dቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ( dλ)
（单位时间内）
或按频率定义
单位时间内从物体单位表面
向前方半球发出的频率在 附近单位
频率间隔内的电磁波的能量
M
dE (T )
d
T
单位面积
dE ( d )
注意： 热辐射与温度有关 激光 日光灯发光不是热辐射
物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射本领越 大，其吸收本领也越大。
室温
高温
吸收
辐射
白底黑花瓷片
高三物理课件-1光的本性 精品
M. Planck (1858-1947)
1．实验规律
空腔辐射能量密度
u T
频谱（单色能密度） u , T
u T u , T d
0
1859年 Kirchhoff 定律：黑体辐射频谱仅与温度有关， 与辐射体其他特性无关。
黑体是研究热辐射固有规律的理想辐射体
量子论 （Quantum Theory）
1．波粒二象性 2．量子力学初步
第三章 电磁辐射的粒子性
电磁辐射——光的本性： 微粒说 微粒流 17世纪 Newton
几何光学
直线传播、反射和折射 波动说 以太弹性波 干涉和衍射 17世纪 Huygens 波动光学
直线传播、反射和折射 19世纪 Maxwell
经典理论的困难： 光照强度和时间决定光电子能量
光强很小，电子需较长时间吸收足够能量才能逸出 1905年 Einstein提出光量子论，解释光电效应
2．光量子论 Planck量子论 辐射场与辐射体交换能量是量子化的， 辐射场本身是连续的。
Einstein光量子论 辐射场由有限数目的能量子组成，能量子 以光速运动，只能整个被吸收和发射。
A. Einstein (1878-1955)
§3．康普顿效应
1912年 Sadler和Meshan发现X射线被物质散射后波长移动
1922-1923
Compton和吴有训分别实验研究
Δ 0 非相干散射（康普顿散射）
Δ 0 相干散射
1．实验规律
Δ 康普顿移动
§2．光电效应
1887年
Hertz发现紫外光照射的阴极容易放电 1900年 Lenard实验证明光照导致金属表面逸出电子 光电子
高中物理《近代物理初步》知识梳理
质子 中子
发现者 实质 电荷 符号
发现者 电荷 符号
英国物理学家卢瑟福
氢原子核
正电,带电荷量为元电荷
p或
1 1
H
卢瑟福的学生查德威克
电中性,不带电
n或1 n 0
备注
核子
两个 等式
质子与中子的统称
(1)电荷数(Z)=质子数=元素的 原子序数=核外电子数 (2)质量数(A)=核子数=质子数+ 中子数
三、原子核的衰变、半衰期 1.原子核的衰变 1)α衰变和β衰变的比较
说明
光的波动性 光的干涉、 衍射和偏振
(1)光是一种概率波,即光子在空间 (1)光的波动性是光子本身的一种
各点出现的可能性大小(概率)可 属性,不是光子之间相互作用产生
用波动规律来描述
的
(2)大量光子往往表现出波动性 (2)光的波动性不同于宏观概念的
波
光的粒子性 光电效应、 康普顿效应
(1)当光同物质发生作用时,这种作 (1)“粒子”的含义是“不连续”
用是“一份一份”进行的,表现出 、“一份一份”的
粒子的性质
(2)光子不同于宏观概念的粒子
(2)少量光子往往表现出粒子性
二、物质波 与实物粒子相联系的波叫物质波;实物粒子的能量E和动量p跟它所对应 的波的频率ν和波长λ之间遵循的关系为:E=hν,p= h 。
λ
考点三 原子结构
一、原子的核式结构模型 1.电子的发现:汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。 2.α粒子散射实验 1)实验装置
从低能级向高能级的跃迁过程 称为激发,始末能级差的绝对值 等于所吸收的能量,ΔE=E终-E初
注意:①大量原子从高能级向低能级跃迁时,释放出光子种类数为C2n 。② 从高能级向低能级跃迁时,电子动能增加,电势能减小,总能量减小;从低
《光的本性》课件
自然光是光波电矢量和磁矢量在垂直 于传播方向平面内呈均匀分布的光， 而偏振光是光波电矢量或磁矢量在某 一特定方向上保持一致的光。
偏振现象的发现
托马斯·杨通过对光的干涉实验发现了 光的偏振现象，并提出了光的波动理 论。
偏振光的应用
光学仪器
01
偏振光在光学仪器中有广泛应用，如偏振眼镜、偏振滤镜等，
可以提高视觉清晰度和色彩饱和度。
总结词
光谱分析实验
详细描述
光谱分析实验是研究物质吸收光谱和发射光谱的重要手段。通过光谱分析实验， 可以了解物质对光的吸收特性和发射特性，进一步研究物质的光学性质和结构特 性。
光传播与吸收的实验验证
总结词：散射实验
详细描述：散射实验可以用来研究散射现象和散射规律。通过散射实验，可以了 解散射的程度和规律，进一步研究物质的微观结构和光学特性。
光的传播与吸收
05
光的传播速度
总结词
光速是恒定的
详细描述
光在真空中的传播速度约为每秒299，792，458米，在 介质中的传播速度会因介质的折射率而有所不同。
总结词
光速与参考系无关
详细描述
光速是绝对的，不受观察者参考系的影响，无论观察者 以何种速度运动，都不影响光速。
总结词
光速的测量方法
详细描述
光速的测量方法主要有干涉仪法和光频梳技术等，这些 方法可以精确测量光速，为科学研究提供重要数据。
光的吸收与散射
总结词：光的吸收 总结词：光的散射 总结词：散射的应用
详细描述：光在介质中传播时，会因为介质的特性而被 吸收。不同波长的光被吸收的程度不同，这决定了物质 的吸收光谱。
详细描述：光在介质中传播时，除了被吸收外，还会因 为介质中微小颗粒或分子的影响而发生散射。散射的程 度与波长有关，短波长的光更容易被散射。
偏振现象的发现
托马斯·杨通过对光的干涉实验发现了 光的偏振现象，并提出了光的波动理 论。
偏振光的应用
光学仪器
01
偏振光在光学仪器中有广泛应用，如偏振眼镜、偏振滤镜等，
可以提高视觉清晰度和色彩饱和度。
总结词
光谱分析实验
详细描述
光谱分析实验是研究物质吸收光谱和发射光谱的重要手段。通过光谱分析实验， 可以了解物质对光的吸收特性和发射特性，进一步研究物质的光学性质和结构特 性。
光传播与吸收的实验验证
总结词：散射实验
详细描述：散射实验可以用来研究散射现象和散射规律。通过散射实验，可以了 解散射的程度和规律，进一步研究物质的微观结构和光学特性。
光的传播与吸收
05
光的传播速度
总结词
光速是恒定的
详细描述
光在真空中的传播速度约为每秒299，792，458米，在 介质中的传播速度会因介质的折射率而有所不同。
总结词
光速与参考系无关
详细描述
光速是绝对的，不受观察者参考系的影响，无论观察者 以何种速度运动，都不影响光速。
总结词
光速的测量方法
详细描述
光速的测量方法主要有干涉仪法和光频梳技术等，这些 方法可以精确测量光速，为科学研究提供重要数据。
光的吸收与散射
总结词：光的吸收 总结词：光的散射 总结词：散射的应用
详细描述：光在介质中传播时，会因为介质的特性而被 吸收。不同波长的光被吸收的程度不同，这决定了物质 的吸收光谱。
详细描述：光在介质中传播时，除了被吸收外，还会因 为介质中微小颗粒或分子的影响而发生散射。散射的程 度与波长有关，短波长的光更容易被散射。
光的本性
一、光的干涉现象---杨氏干涉实验 光的干涉现象---杨氏干涉实验 --1、装置特点：
0.1mm， （1）双缝很近 0.1mm， 双缝S 与单缝S的距离相等， （2）双缝S1、S2与单缝S的距离相等， 2、①要用单色光 单孔的作用： ② 单孔的作用 ： 是获 得点光源 双孔的作用： ③ 双孔的作用 ： 相当 于两个振动情况完全 相同的光源，双孔的 作用是获得相干光源
单缝 双缝 屏幕
S1 S S2 红滤色片
3、实验的改进： 实验的改进：
①指出用狭缝代替小孔，可以得到同样清晰， 指出用狭缝代替小孔，可以得到同样清晰， 但明亮得多的干涉条纹。 但明亮得多的干涉条纹。 ②用氦氖激光器发出的激光演示双缝干涉实验。 用氦氖激光器发出的激光演示双缝干涉实验。
5、干涉图样的特点：
（1）形成明暗相间的条纹 （2）亮纹间等距、暗纹间等距 亮纹间等距、 （3）两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条纹两缝S1、S2中垂线与屏幕相交位置是亮条纹S1 中垂线与屏幕相交位置是亮条纹 --中央亮纹 --中央亮纹
提出问题：（1）为什么会出现这样的图象？ ：（1 为什么会出现这样的图象？
（2）怎样用波动理论进行解释？ 怎样用波动理论进行解释？
二、运用光的波动理论进行分析
复习： 复习： （1）两列波在波峰和波峰相遇或波谷 与波谷相遇时振幅变大， 与波谷相遇时振幅变大，说明此点为振 动加强点 。 （2）两列波在波峰和波谷相遇时振幅 变小，说明此点为振动减弱点。 变小，说明此点为振动减弱点。 （3）对光发生干涉时 若光互相加强， 若光互相加强，出现亮条纹 若光互相削弱， 若光互相削弱，出现暗条纹
§20--1 光的干涉
第二十章 光的波 动性
一、光的干涉
干涉现象是波动独有的特征，如果光真的 干涉现象是波动独有的特征， 是一种波，就必然会观察到光的干涉现象． 是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．
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1.0
波长 ( m )
头部各部分温度不同，因此它们
1.75 的热辐射存在差异，这种差异可 通过热象仪转换成可见光图象。
物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射本领越 大，其吸收本领也越大。
室温
高温
吸收
白底黑花瓷片
辐射
辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体 的热辐射称为平衡热辐射。
温度
第16章 量子物理基础
第五次索尔维会议与会者合影(1927年) N.玻尔、M.玻恩、 W.L.布拉格、L.V.德布罗意、A.H.康普顿、
M.居里、P.A.M 狄喇克、A.爱因斯坦、W.K.海森堡、 郞之万、W.泡利、普朗克、薛定谔 等
§16.1 热辐射 普朗克能量子假设
一. 热辐射
热辐射 : 由温度决定的物体的电磁辐射。
Mλ
绿光区域，为 m = 0.47 m.
试估算太阳的表面温度和辐
出度。
解 太阳表面温度
m
辐出度 说明
Ts
2.9 106
m
2.9 106 0.47 106
6166 K
M B (T ) Ts4 8.20 107 W/m2
太阳不是黑体，所以按黑体计算出的 Ts 低于太阳的实际温度； M B(T) 高于实际辐出度。
三. 经典物理的解释及普朗克公式
Hale Waihona Puke 瑞利 — 金斯公式MB
(1900年)
普朗克公式(1900年)
M B ( T
)
1
5
2π hc2 ehc kT 1
为解释这一公式，普朗克 提出了能量量子化假设
维恩公式 (1896年)
试验曲线
四.普朗克能量子假设
若谐振子频率为 v ，则其能量是 hv , 2hv, 3hv , …, nhv , …
头 部 热 辐 射 像
各部分温度不同，因此它们的热 辐射存在差异，这种差异可通过 热象仪转换成可见光图象。
§16.1 热辐射 普朗克能量子假设
一. 热辐射
热辐射 : 由温度决定的物体的电磁辐射。
紫外线
红外光
单 色 辐 出 度
0
荧光灯放电中的电子 12000K
太阳表面 6000K
白枳等 3000K
电 能磁 量波
普朗克常数 h = 6.626×10-34 J·s
与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变
化是 hv 的整数倍.
腔
说明
壁
上
首次提出微观粒子的能量是量子化的，打破了经典
的
物理学中能量连续的观念。
原
子
物体热辐射
材料性质
二. 黑体辐射
绝对黑体(黑体)：能够全部吸收各种波长的辐射且不反射 和透射的物体。
煤烟
约99% 黑体辐射的特点 ：
黑体模型
• 温度
黑体热辐射
材料性质
• 与同温度其它物体的热辐射相比，黑体的辐射本领最强
MB (10-7 × W / m2 ·m)
10
6000K 可见光
5
5000K
4000K
3000K
0
0.5
1.0
1. 斯特藩——玻耳兹曼定律
M B (T )
0
M B
(T )d
T
4
式中 5.67 108 W m2 K4
辐出度与 T 4 成正比.
2. 维恩位移定律
峰值波长 m 与温度 T 成反比
Tm 2.90106 m K
( m)
1.5
2.0
例 测得太阳光谱的峰值波长在
波长 ( m )
头部各部分温度不同，因此它们
1.75 的热辐射存在差异，这种差异可 通过热象仪转换成可见光图象。
物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射本领越 大，其吸收本领也越大。
室温
高温
吸收
白底黑花瓷片
辐射
辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体 的热辐射称为平衡热辐射。
温度
第16章 量子物理基础
第五次索尔维会议与会者合影(1927年) N.玻尔、M.玻恩、 W.L.布拉格、L.V.德布罗意、A.H.康普顿、
M.居里、P.A.M 狄喇克、A.爱因斯坦、W.K.海森堡、 郞之万、W.泡利、普朗克、薛定谔 等
§16.1 热辐射 普朗克能量子假设
一. 热辐射
热辐射 : 由温度决定的物体的电磁辐射。
Mλ
绿光区域，为 m = 0.47 m.
试估算太阳的表面温度和辐
出度。
解 太阳表面温度
m
辐出度 说明
Ts
2.9 106
m
2.9 106 0.47 106
6166 K
M B (T ) Ts4 8.20 107 W/m2
太阳不是黑体，所以按黑体计算出的 Ts 低于太阳的实际温度； M B(T) 高于实际辐出度。
三. 经典物理的解释及普朗克公式
Hale Waihona Puke 瑞利 — 金斯公式MB
(1900年)
普朗克公式(1900年)
M B ( T
)
1
5
2π hc2 ehc kT 1
为解释这一公式，普朗克 提出了能量量子化假设
维恩公式 (1896年)
试验曲线
四.普朗克能量子假设
若谐振子频率为 v ，则其能量是 hv , 2hv, 3hv , …, nhv , …
头 部 热 辐 射 像
各部分温度不同，因此它们的热 辐射存在差异，这种差异可通过 热象仪转换成可见光图象。
§16.1 热辐射 普朗克能量子假设
一. 热辐射
热辐射 : 由温度决定的物体的电磁辐射。
紫外线
红外光
单 色 辐 出 度
0
荧光灯放电中的电子 12000K
太阳表面 6000K
白枳等 3000K
电 能磁 量波
普朗克常数 h = 6.626×10-34 J·s
与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变
化是 hv 的整数倍.
腔
说明
壁
上
首次提出微观粒子的能量是量子化的，打破了经典
的
物理学中能量连续的观念。
原
子
物体热辐射
材料性质
二. 黑体辐射
绝对黑体(黑体)：能够全部吸收各种波长的辐射且不反射 和透射的物体。
煤烟
约99% 黑体辐射的特点 ：
黑体模型
• 温度
黑体热辐射
材料性质
• 与同温度其它物体的热辐射相比，黑体的辐射本领最强
MB (10-7 × W / m2 ·m)
10
6000K 可见光
5
5000K
4000K
3000K
0
0.5
1.0
1. 斯特藩——玻耳兹曼定律
M B (T )
0
M B
(T )d
T
4
式中 5.67 108 W m2 K4
辐出度与 T 4 成正比.
2. 维恩位移定律
峰值波长 m 与温度 T 成反比
Tm 2.90106 m K
( m)
1.5
2.0
例 测得太阳光谱的峰值波长在