量子物理基础优秀课件
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《量子物理基础 》课件
挑战：量子计算技术仍面临许多挑战， 如量子比特的稳定性、量子算法的设 计等
量子通信：基于量子密钥分发的加密通信技术，具有极高的安全性和保密性
量子网络：基于量子纠缠和量子隐形传态的量子信息传输网络，具有极高的传输速 度和传输效率
发展趋势：量子通信和量子网络技术正在逐步成熟，未来有望成为主流通信和网络技 术
,
汇报人：
CONTENTSPART 源自NEPART TWO量子物理是研究微观世界物理规律的科学 量子物理的基本概念包括量子、波粒二象性、测不准原理等 量子物理的应用领域包括量子通信、量子计算、量子加密等 量子物理的发展历程包括量子力学、量子场论、量子信息科学等
1900年，普朗克提出量子概念，量子物理诞生 1905年，爱因斯坦提出光子说，量子物理得到进一步发展 1913年，玻尔提出原子模型，量子物理进入新阶段 1925年，海森堡提出不确定性原理，量子物理进入成熟阶段 1926年，薛定谔提出波动力学，量子物理得到进一步完善 1927年，狄拉克提出相对论量子力学，量子物理进入新阶段
量子测量技术：利用量子效应进行 测量的技术，如量子纠缠、量子隐 形传态等
前景展望：量子传感器和测量技术 有望成为未来科技发展的重要方向， 推动量子信息技术的发展和应用。
汇报人：
概念：量子力学的基本原理之一，描述一个量子态可以由多个量子态叠加而成 应用：在量子计算、量子通信等领域有广泛应用 实验验证：通过双缝干涉实验等实验验证了态叠加原理 发展：态叠加原理是量子力学发展的重要基础，推动了量子力学的发展和进步
PART FOUR
波函数是量子 力学中的基本 概念，描述粒
子的状态
前景：量子通信和量子网络技术有望在信息安全、金融、医疗、军事等领域得到广 泛应用，具有巨大的市场前景和商业价值。
十二章节量子物理基础
§12-1 热辐射 普朗克的量子假设
一、 热辐射现象
固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的 电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而 发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特 征仅与温度有关。
固体在温度升高时颜色的变化
800K
1000K
1200K 1400K
物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。
为了解决上述困难，普朗克利用内插法将适用于短波
的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公式衔接 起来，提出
了一个新的公式：
M0 2hc25
1
hc
ekT1
h6 .626 1 0 3 0 7 J 4s5普5 朗克常数
M0(T)
实验值
这一公式称 为普朗克公式。 它与实验结果符 合得很好。
例2 试从普朗克公式推导斯特藩-玻尔兹曼定律及维恩位移定律。
解：在普朗克公式中，为简便起见，引入
则
C12hc2,xhkcT
d x 2hkcT
dkTx2d
hc
普朗克公式可改写为： M 0(x,T)C h 1k 4c 4T 44exx 31 黑体的总辐出度：
M 0 ( T ) 0 M 0 ( T )d C h 1 k 4 c 4 T 4 4 0 e x x 3 1 d x
解 根据维恩位移定律
mT b
T b m2 .8 4 9 9 1 1 7 0 3 0 9 0 m m K5 .9 13K 0
根据斯特藩-玻尔滋蔓定律可求出辐出度，即单位表面积 上的发射功率
M 0T 4 5 .6 1 7 8 W 0m 2K 4 (5 .9 13 K 0 )4
T4
2 h 3 c k2 4 14 5 5 .66 1 9 8 0 W 3 2/K 4 ()m
量子物理基础PPT课件
高温超导 玻色凝聚
相干原子束
第十二章 量子物理基础
§12.1 黑体辐射 §12.2 光电效应 §12.3 康普顿效应 §12.4 波粒二象性 §12.5 不确定关系 §12.6 薛定谔方程 §12.7 薛定谔方程的应用 §12.8 氢原子中的电子 §12.9 电子自旋
§12-1 黑体辐射
研究热辐射的原因 冶金学：依据炉内热辐射的强度分布来判断炉
问题：如何制造一张木桌子？
Richard Feynman gave the classic talk on December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology (Caltech).
But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately---in the great future---we can arrange the atoms the way we want...
1990年,美国IBM公司阿尔马登研究中 心（Almaden Research Center）的科学 家使用STM（扫描隧道显微镜）把35个 氙原子移动到各自的位置,组成了 “IBM”三个字母,这三个字母加起来 不到3纳米长.
内的温度，以此来把握炼钢的时机。 天文学：依据辐射强度分布来判断星体表面的
温度。
不同温度的白炽灯灯丝及其辐射的能谱。左图灯丝温度较 低，辐射的能量集中在可见光谱的长波段，灯丝看起来是红色 的；右图灯丝温度较高，辐射的能量包括全部可见光谱，灯丝 发出“白炽”光。
相干原子束
第十二章 量子物理基础
§12.1 黑体辐射 §12.2 光电效应 §12.3 康普顿效应 §12.4 波粒二象性 §12.5 不确定关系 §12.6 薛定谔方程 §12.7 薛定谔方程的应用 §12.8 氢原子中的电子 §12.9 电子自旋
§12-1 黑体辐射
研究热辐射的原因 冶金学：依据炉内热辐射的强度分布来判断炉
问题：如何制造一张木桌子？
Richard Feynman gave the classic talk on December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology (Caltech).
But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately---in the great future---we can arrange the atoms the way we want...
1990年,美国IBM公司阿尔马登研究中 心（Almaden Research Center）的科学 家使用STM（扫描隧道显微镜）把35个 氙原子移动到各自的位置,组成了 “IBM”三个字母,这三个字母加起来 不到3纳米长.
内的温度，以此来把握炼钢的时机。 天文学：依据辐射强度分布来判断星体表面的
温度。
不同温度的白炽灯灯丝及其辐射的能谱。左图灯丝温度较 低，辐射的能量集中在可见光谱的长波段，灯丝看起来是红色 的；右图灯丝温度较高，辐射的能量包括全部可见光谱，灯丝 发出“白炽”光。
48、量子物理基础-180页 PPT PDF版
增大
最大初动能与截止电压的关系
1 2
mvm2
eU a
(3) 只有当入射光频率大于一定的红限频率0时，
才会产生光电效应。
1 2
mvm2
eUa
ek
eU0
（4）光电效应是瞬时发生的
23 23
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二、经典物理学所遇到的困难
1、逸出功，初动能与光强，频率的关系
按照经典的物理理论，金属中的自由电子是处在晶格上正电 荷所产生的“势阱”之中。这就好象在井底中的动物，如果没 有足够的能量是跳不上去的。
但实验表明，光电子的初动能与光强无关，而只与入射光的 频率呈线性增加，且存在光电效应的频率红限。。
当光电流达到饱和时，阴极K上逸 出的光电子全部飞到了阳极A上。
单位时间内从金属表面逸出的光电
子数和光强成正比。
ne I
即Im＝neeu
GD
光
K
A
G V
19 19
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（2） 光电子的最大初动能随入射光的频率的增大而增大
截止电压(遏止电势差）
当电压 U =0 时，光电流并不为零； 只有当两极间加了反向电压 U=－Ua <0 时，光电流才为零。此电压称为截止电 压(遏止电势差)。
即
M (T )
dM
d
• 单色辐射本领 M （T）是温度T和波长的函数。
• 单色辐本领反映了在不同温度下辐射能按波长分布的情况。
• 实验表明：不同的物体，不同的表面（如光滑程度）其单色发 射本领是大不相同的。
（例如：如果我们目的是散热，
则应：加大表面积， 使表面粗糙，使其颜色加深）
《量子物理基础》PPT课件
1913年，年仅28岁的玻 尔（Niels Bohr），在 卢瑟福核型结构的基础 上，创造性地把量子概 念应用到原子系统，解 释了近30年的光谱之谜。
玻尔 海森伯 泡利（自左至右） 玻尔在工作
第十六章 —— 量子物理基础
4
§16.4 氢原子光谱 玻尔氢原子理论
三. 玻尔氢原子理论 （三条假设）
1. 定态假设
2. 定态假设和角动量量子化条件都是对的， 但是是硬加上去的。
3. 是半经典理论，仍保留了“轨道”概念。 4. 频率条件完全正确，一直沿用至今。
第十六章 —— 量子物理基础
11
§16.4 氢原子光谱 玻尔氢原子理论
例：当一个质子俘获一个动能Ek=13.6eV的自由电子组成一 个基态氢原子时，所发出的单色光频率是多少? (普朗克恒
(1) 分立、线状光谱 (2)Balmer总结的经验公式
1 4 11 11
RBH((2k22nn22))
里德伯常数 RH 1.097 373 1107 m1
(n > k)
(3)除可见光谱外，在红外区和紫外区也观察到光谱系。 k = 1 (n =2, 3, 4, … ) 谱线系 —— 莱曼系 （Lyman） k = 2 (n = 3, 4, 5, … ) 谱线系 —— 巴耳末系（Balmer）
说明：
（1）n越大，能量En越大，而相邻两能级之差△E越小。
n→∞时 En→0，e成为自由电子，不受核束缚（游离态）。
△E→0，能量趋于连续（经典理论）。
（2）电离能 ：e从束缚态变成自由态所需最小能量
➢ 原子被电离：束缚的e释放出来需吸收能量 ➢ 质子和自由电子结合成一个基态H原子：需释放能 量，即辐射电磁波或发光。
（3）用可见光照射出于基态的H原子，e能否电离？
量子物理基础讲稿.pptx
第8页/共87页
二、普朗克量子假设
MB ( T )
实验值
紫 外 灾
难
M B
(T
)
C e5
C2 T
1
维恩公式
MB (T ) C34T 瑞利--金斯公式
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ( m )
第9页/共87页
普朗克得到了黑体辐射公式：
M B (T ) (2h / c2 )
3
h
e kT 1
研究黑体辐射对于了解热辐射的规律具有 重要的意义。
黑体实际上是不存在的，它是一个理想模 型。
第3页/共87页
如果一个物体能全部吸收 投射在它上面的电磁波，这种 物体称为绝对黑体，简称黑体。
第4页/共87页
黑体辐射实验规律
A
L1
B1
A为黑体
B1PB2为分光系统
P L2
B2
C
C为热电偶
测定黑体单色辐出度的实验简图
第5页/共87页
如果一个物体能全部吸收投射在它上面的电磁波， 这种物体称为绝对黑体，简称黑体。
M B (T )
(μm)
0
1
2
3 4 第6页/共87页
5
6
1、 斯忒藩—玻尔兹曼定律
黑体辐射的总辐射本领（辐射出射度）
MB (T )
0
M B
(T
)d
（即曲线下的面积）
MB ( T ) T 4
5.67 108W m2 K 4 — 斯忒藩常数
2、存在遏止电势差
1 2
mv
m
2
eUa
K
Cs
Ua
W
饱 和 电 流 截 止 电 压
Ua
二、普朗克量子假设
MB ( T )
实验值
紫 外 灾
难
M B
(T
)
C e5
C2 T
1
维恩公式
MB (T ) C34T 瑞利--金斯公式
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ( m )
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普朗克得到了黑体辐射公式：
M B (T ) (2h / c2 )
3
h
e kT 1
研究黑体辐射对于了解热辐射的规律具有 重要的意义。
黑体实际上是不存在的，它是一个理想模 型。
第3页/共87页
如果一个物体能全部吸收 投射在它上面的电磁波，这种 物体称为绝对黑体，简称黑体。
第4页/共87页
黑体辐射实验规律
A
L1
B1
A为黑体
B1PB2为分光系统
P L2
B2
C
C为热电偶
测定黑体单色辐出度的实验简图
第5页/共87页
如果一个物体能全部吸收投射在它上面的电磁波， 这种物体称为绝对黑体，简称黑体。
M B (T )
(μm)
0
1
2
3 4 第6页/共87页
5
6
1、 斯忒藩—玻尔兹曼定律
黑体辐射的总辐射本领（辐射出射度）
MB (T )
0
M B
(T
)d
（即曲线下的面积）
MB ( T ) T 4
5.67 108W m2 K 4 — 斯忒藩常数
2、存在遏止电势差
1 2
mv
m
2
eUa
K
Cs
Ua
W
饱 和 电 流 截 止 电 压
Ua
第2章量子物理基础
例2：钾的红限波长 06.2105cm， 求钾的逸出功。
在波长 3.3105cm的紫外光照射下，钾的截止
电势差为多少?
解：1) Ah06.6 361.2 0314 0 371803.2 1101J 9
2)
eUc
1 2
mvm2
12mvm 2 hA
h A6 .6 1 3 3 0 4 3 1 80 3 .2 1 1 10 9
1913, Bohr (age 28)
constructs a theory of atom
Kn
En
EK h
1921 Bohr Institute opened in Copenhagen (Denmark)
It became a leading center for quantum physics (Pauli, Heisenberg, Dirac, …)
0m h 0c(1co )s
h
e
0 n0
1. 光电效应的实验规律 光电流与入射光强度的关系
饱和光电流 im 和入射光强度 I 成正比。 光电子初动能和入射光频率之间的关系
光电管 GD K
阴极
石英窗 A 阳极
G V
截止电压:
2.0 UC /V
Cs Na Ca
12mvm 2 eUc 1.0
/1014Hz
Uc KvU0
0.0 4.0 6.0 8.0 10.0
任何能思考量子力学而又没有被搞得头晕目眩的人 都没有真正理解量子力学
"Anyone who has not been shocked by quantum physics has not understood it."
- Niels Bohr
大学物理量子物理课件
2
c
sin
2
θ
2
其= 中 λc h= / m0c 0.0024 nm（电子的康普顿波长）
∆λλ=λλ −
0=
2
c
sin
2
θ
2
= λc h= / m0c 0.0024 nm
结论： 1. 波长的改变量 ∆λ 与散射角θ有关，散
射角θ 越大， ∆λ 也越大。
2. 波长的改变量∆λ与入射光的波长无关。
问题：为什么在可见光的散射实验中我们没有看到 康普顿效应呢？用x射线是否能看到？
通有电流的电炉丝
热辐射频谱分布曲线 λ
总结：(热辐射的特点) (1) 连续； (2) 频谱分布随温度变化； (3) 温度越高,辐射越强； (4) 物体的辐射本领与温度、材料有关； 辐射本领越大，吸收本领也越大.
通有电流的灯丝 不同温度的铆钉
二、黑体和黑体辐射的基本规律
1. 黑体（绝对黑体） 能完全吸收各种频率的电磁波而无反射的物体,称为黑体。
§16.1 热辐射 普朗克能量子假设
主要内容：
1. 热辐射现象 2. 黑体辐射的规律 3. 普朗克公式和能量量子化假设
一、热辐射 物体内的分子、原子受到热激 发而发射电磁辐射的现象。
物体辐射总能量及能量按波长 分布都决定于温度
例如：加热铁块
（人头部热辐射像）
800K 1000K 1200K 1400K
I 越强 , 到阴极的光子越多, 则逸出的光电子越多.
光电子最大初动能和光频率 ν 成线性关系.
光频率ν > A/h 时，电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出 ( ν o= A/h) .
电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累.
大学物理_量子物理基础_课件
单色吸收比 α(λ,T ) :物体 2.辐出度和吸收比 2.辐出度和吸收比 在温度T 对于波长在 波长在λ 在温度T时,对于波长在λ附 近单位波长间隔内吸收的能 近单位波长间隔内吸收的能 单色辐出度: 单色辐出度: 量与辐射的能量的比值 比值. 量与辐射的能量的比值. Mλ (T) = dMλ dλ 若用 ρ(λ,T ) 表示对应的 单色反射比, 单色反射比,对于不透明 单位时间内从物体单位表面 的物体有 发出的波长在 波长在λ 发出的波长在λ附近单位波 α(λ,T ) + ρ(λ,T ) =1 长间隔内的电磁波的能量 长间隔内的电磁波的能量 的电磁波的能量. ∞ 3.基尔霍夫定律 基尔霍夫定律(1859) 3.基尔霍夫定律(1859) 辐出度 : M(T) = ∫ Mλ (T)dλ Mλ (T) 0 = f (λ,T) 单位:W·m－2 单位 α(λ,T) 单位时间从物体表面单位 推论I:在热平衡态下, I:在热平衡态下 推论I:在热平衡态下,凡强 面积辐射的总能量. 面积辐射的总能量 吸收体必然是强辐射体. 吸收体必然是强辐射体.
理论物理学家寻找 MBλ (T ) 3. 斯特藩 玻耳兹曼定律 斯特藩-玻耳兹曼定律 黑体的辐出度与黑体 的温度的四次方成正 由热力学得出) 比.(由热力学得出 由热力学得出
MBλ (T) = αλ e
−5 −β λT
公式只在短波(高频) 公式只在短波(高频) 0 低温时才和实验相符, 区,低温时才和实验相符, σ = 5.67×10-8 W/m2K4 × 在长波范围内与实验不符. 在长波范围内与实验不符. 显然, ——斯特藩-玻耳兹曼常数 显然,维恩未找出 f (λ,T) 斯特藩斯特藩 dMBλ (T) 但令 定律只适用于黑体 黑体. =0 定律只适用于黑体 dλ 显然,斯特藩 斯特藩显然 斯特藩-玻耳兹 可得 维恩位移定律 曼未找出 f (λ,T ) λm T = b 4．维恩定律 b = 2.897756×10-3 m·K × 假设腔内谐振子的能量 当黑体的温度升高时,与单 当黑体的温度升高时 与单 按玻耳兹曼分布,可得出: 按玻耳兹曼分布,可得出: 色辐出度Mλ的峰值对应的 色辐出度 −5 −β λT 波长λ 向短波方向移动. 波长λm向短波方向移动 MBλ (T) = e 这与实验一致. 这与实验一致
量子物理基础课件
10
6000K 可见光
5
5000K
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
T m 2.90103 m K
4000K
3000K
0
( m)
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
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
黑底白花瓷片
辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体
成功的把氢原子结构和光谱线结构联系起来。
局限性:不能处理复杂原子的问题，根源在于对微观 粒子的处理仍沿用了牛顿力学的观念
的热辐射称为平衡热辐射。
单色辐射出射度（单色辐出度）：一定温度 T 下，物体单位
面在单位时间内发射的波长在 ~ +Δ 内的辐射能 ΔM 与
波长间隔 Δ 的比值
6000K 可见光
5
5000K
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
T m 2.90103 m K
4000K
3000K
0
( m)
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
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
黑底白花瓷片
辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体
成功的把氢原子结构和光谱线结构联系起来。
局限性:不能处理复杂原子的问题，根源在于对微观 粒子的处理仍沿用了牛顿力学的观念
的热辐射称为平衡热辐射。
单色辐射出射度（单色辐出度）：一定温度 T 下，物体单位
面在单位时间内发射的波长在 ~ +Δ 内的辐射能 ΔM 与
波长间隔 Δ 的比值
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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
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 ：
（I, v) i
K
A
U
Ua
和
i
v
成
线
I1>I2>I3 iS1 I1 iS2 I2
性 关 系Ua
0
iS3 I3
遏止电伏压安与特频性率曲关线系曲线U
总结
• 只有光的频率 0 时，电子才会逸出； • 光电子最大初动能和光频率 成线性关系；
• 逸出光电子的多少取决于光强 I ； • 光电子即时发射，滞后时间不超过 10–9 秒。
量子物理基础优秀课件
本章教学要求
• 了解量子物理产生背景，理解“能量量子 化”概念及其应用；
• 了解玻尔的量子论及其缺陷； • 理解微观粒子的波粒二像性以及不确定性
原理； • 理解波函数的统计意义，理解并掌握
Schrodinger方程的物理意义及其简单应用； • 理解电子自旋概念，并会解释原子壳层结
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 λ(T)dT4
式中 5 .6 7 1 0 8W m 2K 4
构成因。
15.1量子物理学的诞生——普朗克量子假设
一、热辐射
热辐射 : 由温度决定的物体的电磁辐射。
紫外线
单 色 辐 出 度
0
红外光
荧光灯放电中的电子 12000K
太阳表面 6000K
白枳等 3000K
1.0
波长 ( m )
1.75
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 通过热象仪转换成可见光图象。
讨论
hA1 2m vm 2
A 为逸出功
• 光频率 > A/h 时，电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出。 • 光电子最大初动能和光频率 成线性关系。 • 单位时间到达单位垂直面积的光子数为N，则光强 I = Nh 。
I 越强 , 到阴极的光子越多, 则逸出的光电子越多。 • 电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。
四、光的波粒二象性
光子能量 光子质量 光子动量
Emc2h
m hc2 ch
pmchch
粒子性
波动性
五、光电效应的应用
光电成像器件 能将可见或不可见的辐射图像转换或增 强成为可观察记录、传输、储存的图像。 红外变像管 红外辐射图像 → 可见光图像 像 增 强 器 微弱光学图像 → 高亮度可见光学图像
c
0 θ h
h 0
m0c2
mv
mc2
所康以普，顿波波长长改变量c mhλ0cλ0.0λ00242nλm csin22
0
0 0
自由
电子
原子
2. X 射线光子和原子内层电子相互作用 内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞 ；
光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。
说明 (1) 光子
光 电 倍 增 管
测量波长在 200~1200 nm 极微弱光的功率
15. 3 康普顿效应及光子理论的解释
一、实验规律
X 光管 光阑
λ0
0
探测器
0
θ
散射物体
散射线中有两种波长 0 、 ， λ0 随散射角
的增大而增大。
二、经典物理的解释
0 0
0 0
单色 照射 电磁波
θ
散射物体 受迫振动v0
电子受 发射 迫振动
二、经典物理与实验规律的矛盾
• 电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够的能量
(与光强 I 有关) 逸出，不应存在红限 0 ； • 光电子最大初动能取决于光强，和光的频率 无关；
• 当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累。
三、爱因斯坦光子假说 光电效应方程
光是光子流 ，每一光子能量为 h ，电子吸收一个光子
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
15.2 光电效应 爱因斯坦光子理论
一、光电效应的实验规律
• 饱和电流 iS • 遏I止∝电压ISU∝a 光电子数
1 2
mvm 2
eUa
光电子最大初动能和 成线
性关系
• 截止频率 0
• 即时发射
迟滞时间不超过 10-9 秒
内层电子 外层电子
波长不变的散射线 波长变大的散射线
(2)
波长
轻物质（多数电子处于弱束缚状态 ）
重物质（多数电子处于强束缚状态 ）
0
弱强 强弱
吴 有 训 实 验 结 果
例λ0 = 0.02 nm 的X射线与静止的自由电子碰撞, 若从与入射线
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
Tm2.90106m K
( m)
1.5
2.0
例 测得太阳光谱的峰值波长在
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
Ts2.9 m 10 60 2 .4 .9 7 1 1 0 60 661K 66
辐出度
M B (T )T s4 8 .2 0 1 0 7W /m 2
说明
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
瑞利 — 金斯公式
MB
(1900年)
普朗克公式(1900年)
1 2πhc2
MBλ(T)
5
hc ekt
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 , …
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.
同频率 散射线
说明
经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普 顿散射。
三、光子理论解释
1. 入射光子与外层电子弹性碰撞
外层 电子
受原子核束缚较弱 动能 ＜＜ 光子能量
近似自由 近似静止
静止 自 由 电子
能量、动量守恒
h0m 0c2hm2c
h0
c
h
c
cos
mv cos
h
c
sin
mv
sin
h
h 0 c