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* 量子物理 哈尔滨工程大学理学院 * 自学选看，不作要求—— 7篇1章1节 7篇2章1节的1.1、1.3 7篇2章2节的2.2、2.3 7篇2章3节 7篇3章1节1.1、1.4 7篇3章2节2.1、2.3 7篇3章3节 十 量子物理 1 光电效应 爱因斯坦的光子理论 光电效应的实验规律 S：高真空度的容器 m：石英窗口 A：阳极 K：阴极（金属板） U G m S A K 当单色光照射到阴极上时，金属板释放出电子（光电子）。 （1）饱和电流 单位时间内，金属板释出的电子数和入射光的强度成正比。 Ua 3 1 2 U I IH 0 （2）遏止电势差 光电子的最大初动能与入射光的强度无关。 对不同金属，U0的量值不同。 Na Ca ? O 2.0 1.0 6.0 8.0 10.0 ?01 ?02 Ua K为普适恒量。 光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系。 （3）遏止频率（红限） 要使光所照射的金属释放电子，必须满足 （4）驰豫时间 从入射光开始照射直到金属释出电子，无论光的强度如何，几乎是瞬时的，驰豫时间不超过10-9s。 按照光的波动说，光电子的初动能随入射光的强度而增加。 实验结果是，光电子的最大初动能随入射光的频率线性地上升，而与入射光的强度无关。 根据波动说，如果光强足够大，光电效应对各种频率的光都会发生。 实验事实是，对频率小于红限的入射光，不管入射光的强度多大，都不能发生光电效应。 按照波动说，入射光越弱，能量积累的时间就越长。实验结果是，不论光怎样弱，只要频率大于红限，光电子几乎立刻发射出来。 光的波动说的缺陷 爱因斯坦的光子理论 一束光是一束以光速c运动的粒子流，称为光量子（现称为光子）。 每一光子的能量是 普郎克常量 单色光的能流密度为 光子具有能量、质量、动量等一般粒子共有的特性。 光具有双重性质，即波动性和粒子性（波－粒二象性）。 爱因斯坦光电效应方程 根据能量守恒定律 A为电子从金属表面逸出时所需的逸出功。 （3）如果光子频率低于红限，不管光子数目多大，单个光子没有足够的能量去发射光电子。 （4）一个光子被吸收时，全部能量立即被吸收，不需要积累能量的时间，说明了光电效应的瞬时发生的问题。 （2）入射光强增加时，光子数也增多，单位时间内光电子数随之增加，说明饱和电流与光强之间的正比关系。 （1）表明光电子的初动能与入射光频率之间的线性关系。 光电效应的应用 光电倍增管 放大器 接控件机构 光 光控继电器 例1 设有一半径为 的薄圆片，它距 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 的，试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数 . 解 1923年，康普顿研究了X射线经物质散射的实验，进一步证实了爱因斯坦的光子概念。 2 康普顿效应 改变波长的散射。 （相对强度） （波长） 波长的偏移随散射角而异，当散射角增大时，波长的偏移随之增加。 在同一散射角下，对所有散射物质，波长的偏移都相同。 原波长的谱线强度随散射物质的原子序数的增大而增加，新波长的谱线强度随之减小。 且原波长的谱线强度减小，新波长的谱线强度增大。 按经典电磁理论，带电粒子受迫振动的频率等于入射光的频率，所发射的光的频率应与入射光的频率相同。 光的波动理论能够解释波长不变的散射，而不能解释康普顿效应。 光子理论的解释 一个光子与散射物中的一个自由电子或束缚微弱的电 子发生碰撞后，散射光子将沿某一方向行进，这就是康普顿散射的方向。 电子受到反冲，而获得一定的动量和能量。 因此，散射光子的能量就比入射光子的能量低，所以散射光的频率要比入射光的频率小。 如果光子与原子中束缚得很紧的电子碰撞，光子将与整个原子作弹性碰撞。 因原子的质量要比光子大很多，散射光子的能量不会显著减小，因而散射光的频率不会显著改变，康普顿偏移非常小， 所以散射线里也有与入射线波长相同的射线。 有力地证实了光子理论，说明了光子具有一定的质量、能量和动量。 同时证实能量守恒和动量守恒两定律，在微观粒子相互作用的基元过程中，也同样严格地遵守着。 光子 电子 电子 光子 假定电子开始时处于静止状态，而且它是自由的。 能量守恒定律 动量守恒定律 电子的康普顿波长 波长的偏移与散射物质以及入射光的波长无关，仅决定于散射方向。