光的量子性与激光分析精选课件PPT
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光的量子特性与激光及其医学应用[可修改版ppt]
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黑体模型
通过黑体辐射实验，总结出两条实验规律
（1） 斯特藩-玻耳兹曼定律（如右图）
黑体的辐射强度与黑体绝对温 度的四次方成正比：
M 0 (T ) T 4
1.
斯特藩—玻尔兹曼常量
0
5 .6 1 7 8 W 0m 2 K 4
M (T)/1 (10 W 4 m 3)
可 见 光 区
6000K
同一物体，温度越高，辐射电磁波的能力就越 大，表现在高温物体的辐射曲线整个都在低温 物体辐射曲线的上方。
释放能量的方式有两种：一种是无辐射跃迁（非光能的形
式），转变为热能被吸收或者释放；另一种是以光能的形式
吸收或释放，辐射出一个光子，叫做辐射跃迁，辐射光子的
频率满迁，每一个粒子的跃迁都是自发地独立地进行，因而 它们所辐射的光的相位、方向以及偏振方向都是随机的，因 此是非相干光。例如日光灯发出的光。
能量
经典 量子
一.光电效应的基本规律
适当频率的光束照 射到金属表面使电子 从金属中脱出的现象 称为光电效应。
频 率
光强较强
相 同
光强较弱
光电子的最大初动能与遏止电压U有关，与光
二.爱因斯坦的光子假设
1.不仅在发射和吸收时辐射能是量子化的，而且辐射能 在传递过程中也是量子化的。
2. 光在真空中是以光速c运动的粒子流，这些粒子称为 光量子(light quantum), 即光子(photon)。单个光子的能量
0. 3000K /nm
5 0 m 1000 2000
（2） 维恩位移定律
最大对值于,给其定对温应度波T长，为黑体m，的称单为色峰辐值出波度长。M都有0 一
M0 ( T )
T m b
b 2.897 103 m K
光的量子性和激光
线,也有波长 0的射线.
(2)散射线中波长的改变量 0随散
sposoDoraemon.loveu2尼 古 拉 午 夜 埋 葬 者 ╮ Darling颠 覆 2 overthrow ° 因 魂 Layoomiety ≡Vulgar * 庸 俗 -helpless彼 岸 花 Triste
光的量子性与激光
23.03.2022
0
光的量子性与激光
研究的主要问题： 黑体辐射规律与普朗克公式； 光量子的提出与发展； 激光的形成和特性。
要点： 1. 普朗克对黑体辐射规律的解释； 2. 从光量子到波粒二象性； 3. 激光的产生条件和特性。
23.03.2022
1
光的量子性与激光
§1 热辐射和基尔霍夫定律
热辐射：
按照能量转化的特点，可将物体发射辐射的方 式分为两大类：
1. 由原子或分子内部运动能量转变为辐射能的 过程称为发光。电致发光、光致发光、化学发光、阴极射线致发光等；
认为光强越大，饱和电流应该大，光
A
电子的初动能也该大。但实验上饱和 G
K
电流不仅与光强有关而且与频率有关，
U
光电子初动能取决于光频率。
* 红限频率； 只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；
频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。 而经典认为光 电效应只依赖光强，而不应与频率有关。
* 瞬时性。光电效应具有瞬时性，其响应速度很快 ~10-9 秒。
eUa hA
Ua KU0
mV02 eUa
Ua
h
e
A e
0
A h
* 解释截止电压与频率成线性关系以 及红限频率的存在。
*饱和光电流强度与光强成正比--参与作用的光子数多
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。
光的量子特性与激光及其医学应用(ppt)
为 εh 。
3.根据能量守恒，金属中一个电子吸收一个光子的能量 hv，一部分用来克服电子的逸出功A，另一部分转换成 光电子的初动能，即
该方程可以全面地解释光电效应的实验规律。
第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论 三 光电效应在近代技术中的应用
光控继电器、自动控制、 自动计数、自动报警等.
光控继电器示意图
光
既具有波动性 又具有粒子性
,光的这种双重特性,称为光的波粒二象性。
物质的发光原理及光源
• 光发射的本质实际上就是原子或分子能级跃 迁的结果。
• 产生光的方法有很多：
一. 热辐射现象
温度越高，辐射出的总能量越大，短波成分越多。
热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞， 一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。
频 率
光强较强
相 同
光强较弱
光电子的最大初动能与遏止电压U有关，与光
二.爱因斯坦的光子假设
1.不仅在发射和吸收时辐射能是量子化的，而且辐射能 在传递过程中也是量子化的。
2. 光在真空中是以光速c运动的粒子流，这些粒子称为 光量子(light quantum), 即光子(photon)。单个光子的能量
无谐振腔时受激辐射的方 向是随机的
光学谐振腔:
偏离轴线方向的光子逸出腔外
M
1
M2
沿轴线方向的光子，在腔内来
回反射，产生连锁式放大
M
1
M2
在一定条件下，从部分反射镜
射出很强的光束—--激光
M
1
全反射镜 100%反 射
M2
部分反射镜 90%以上反 射
谐振腔对光束方向的选择性
沿光轴方向运动的光子， 反复多次反射产生雪崩 式放大，从部分反射镜
3.根据能量守恒，金属中一个电子吸收一个光子的能量 hv，一部分用来克服电子的逸出功A，另一部分转换成 光电子的初动能，即
该方程可以全面地解释光电效应的实验规律。
第二节 光电效应 爱因斯坦的光量子论 三 光电效应在近代技术中的应用
光控继电器、自动控制、 自动计数、自动报警等.
光控继电器示意图
光
既具有波动性 又具有粒子性
,光的这种双重特性,称为光的波粒二象性。
物质的发光原理及光源
• 光发射的本质实际上就是原子或分子能级跃 迁的结果。
• 产生光的方法有很多：
一. 热辐射现象
温度越高，辐射出的总能量越大，短波成分越多。
热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞， 一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。
频 率
光强较强
相 同
光强较弱
光电子的最大初动能与遏止电压U有关，与光
二.爱因斯坦的光子假设
1.不仅在发射和吸收时辐射能是量子化的，而且辐射能 在传递过程中也是量子化的。
2. 光在真空中是以光速c运动的粒子流，这些粒子称为 光量子(light quantum), 即光子(photon)。单个光子的能量
无谐振腔时受激辐射的方 向是随机的
光学谐振腔:
偏离轴线方向的光子逸出腔外
M
1
M2
沿轴线方向的光子，在腔内来
回反射，产生连锁式放大
M
1
M2
在一定条件下，从部分反射镜
射出很强的光束—--激光
M
1
全反射镜 100%反 射
M2
部分反射镜 90%以上反 射
谐振腔对光束方向的选择性
沿光轴方向运动的光子， 反复多次反射产生雪崩 式放大，从部分反射镜
2024年激光原理与技术课件课件
激光原理与技术课件课件激光原理与技术课件一、引言激光作为一种独特的人造光，自20世纪60年代问世以来，已经在众多领域取得了举世瞩目的成果。
激光原理与技术已经成为现代科学技术的重要组成部分，并在光学、通信、医疗、工业加工等领域发挥着重要作用。
本课件旨在阐述激光的基本原理、特性以及应用技术，使读者对激光有更深入的了解。
二、激光的基本原理1.光的粒子性与波动性光既具有粒子性，也具有波动性。
在量子力学中，光被视为由一系列光子组成的粒子流，光子的能量与频率成正比。
而在波动光学中，光被视为一种电磁波，具有频率、波长、振幅等波动特性。
2.光的受激辐射受激辐射是指处于激发态的原子或分子在受到外来光子作用后，返回基态并释放出一个与外来光子具有相同频率、相位、传播方向和偏振状态的光子。
这个过程是激光产生的核心原理。
3.光的放大与谐振在激光器中，通过光学增益介质实现光的放大。
当光在增益介质中往返传播时，不断与激发态原子或分子发生受激辐射，使光子数不断增加。
同时，通过谐振腔的选择性反馈，使特定频率的光得到进一步放大，最终形成激光。
三、激光的特性1.单色性激光具有极高的单色性，即频率单一。
这是由于激光器中的谐振腔对光的频率具有高度选择性，只有满足特定频率的光才能在谐振腔内稳定传播。
2.相干性激光具有高度的相干性，即光波的相位关系保持稳定。
相干光在传播过程中能形成稳定的干涉图样，广泛应用于光学检测、全息成像等领域。
3.方向性激光具有极高的方向性，即光束的发散角很小。
这是由于激光器中的谐振腔对光的传播方向具有高度选择性，只有沿特定方向传播的光才能在谐振腔内稳定传播。
4.高亮度激光具有高亮度，即单位面积上的光功率较高。
这是由于激光的单色性、相干性和方向性使其在空间上高度集中，从而具有较高的亮度。
四、激光的应用技术1.光通信激光在光通信领域具有广泛应用，如光纤通信、自由空间光通信等。
激光的高单色性、相干性和方向性使其在传输过程中具有较低的信号衰减和干扰，从而实现高速、长距离的数据传输。
光的量子性 (标准版)ppt资料
4. 从光开始照射到电子从金属逸出，经过时间 不超过10-9 s，且与入射光强度无关。
I
Is2
Is1
光强高 光强低
红限频率
U0 0
U
光电流的伏安特性曲线
遏止电压与频率的关系曲线
§ 光的电磁波说不能解释光电效应实验规律 1.金属中电子从光波中吸取能量，当能量积累
超过逸出功后才能从金属中逸出成为光电子，入 射光越弱，能量积累时间越长，光电效应不会在 瞬间发生。
强度为 2W/m2 的紫外光照射，求(1)发射的电子的
最大动能，(2) 单位面积每秒发射的最大电子数。
解 (1)应用爱因斯坦方程，最大初动能为
1 2
mvm2
hc
Байду номын сангаас
W
2.76
eV
(2) 单个光子具有的能量为
hc 4.97 eV 4.97 1.610-19 J 7.9510-19 J
钾表面单位面积每秒接受的光子数即所求电子数
爱因斯坦（1905年）在普朗克的量子假设基础上提出：辐射能不仅在发射和吸收时是一份一份的，在传播过程中，也保留一份一份的 性质。
光电子越多，则饱和光电流与入射光强成正比。 从光开始照射到电子从金属逸出，经过时间不超过10-9 s，且与入射光强度无关。
§20-3 康普顿效应 钾表面单位面积每秒接受的光子数即所求电子数
光的量子性
§20-1 热辐射 绝对黑体的辐射 普朗克的量子假设 §20-2 光电效应 爱因斯坦的光子假设 §20-3 康普顿效应
1.理解光电效应和康普顿效应的实验规律，以 及爱因斯坦的光子理论对这些效应的解释。
2.理解光的波粒二象性。
§20-1 热辐射 绝对黑体的辐射 普朗克的量子假设
I
Is2
Is1
光强高 光强低
红限频率
U0 0
U
光电流的伏安特性曲线
遏止电压与频率的关系曲线
§ 光的电磁波说不能解释光电效应实验规律 1.金属中电子从光波中吸取能量，当能量积累
超过逸出功后才能从金属中逸出成为光电子，入 射光越弱，能量积累时间越长，光电效应不会在 瞬间发生。
强度为 2W/m2 的紫外光照射，求(1)发射的电子的
最大动能，(2) 单位面积每秒发射的最大电子数。
解 (1)应用爱因斯坦方程，最大初动能为
1 2
mvm2
hc
Байду номын сангаас
W
2.76
eV
(2) 单个光子具有的能量为
hc 4.97 eV 4.97 1.610-19 J 7.9510-19 J
钾表面单位面积每秒接受的光子数即所求电子数
爱因斯坦（1905年）在普朗克的量子假设基础上提出：辐射能不仅在发射和吸收时是一份一份的，在传播过程中，也保留一份一份的 性质。
光电子越多，则饱和光电流与入射光强成正比。 从光开始照射到电子从金属逸出，经过时间不超过10-9 s，且与入射光强度无关。
§20-3 康普顿效应 钾表面单位面积每秒接受的光子数即所求电子数
光的量子性
§20-1 热辐射 绝对黑体的辐射 普朗克的量子假设 §20-2 光电效应 爱因斯坦的光子假设 §20-3 康普顿效应
1.理解光电效应和康普顿效应的实验规律，以 及爱因斯坦的光子理论对这些效应的解释。
2.理解光的波粒二象性。
§20-1 热辐射 绝对黑体的辐射 普朗克的量子假设
精选光的量子性与激光资料PPT课件
因此辐射能量按频率的分布应和Maxwell分布相
似，即：
0(,T)cv23 evT 0(,T)c52ecT
01.08.2020
12
光的量子性与激光
瑞利――金斯公式
瑞利假设空腔中处于热平衡时的辐射场是一 些驻波，而一列驻波可以看做一种模式的电磁 场。根据能量均分定理，每种振动应分配到的 平均能量为kT，因此：
01.08.2020
2
光的量子性与激光
§1 热辐射和基尔霍夫定律
热辐射：
按照能量转化的特点，可将物体发射辐射的方 式分为两大类：
1. 由原子或分子内部运动能量转变为辐射能的 过程称为发光。电致发光、光致发光、化学发光、阴极射线致发光等；
2. 发射的辐射能是由物体中原子、分子的热运 动能量转变而来，即热运动能量转变为辐射能的 过程称为热辐射。
黑体辐射谱
01.08.2020
10
光的量子性与激光
黑体辐射的实验定律： 1. Stefan-Boltzmann(斯特藩-波尔兹曼)定律
绝对黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比：
M0 T4
=5.67×10-8 W/(m2K4)，Stefan-Boltzmann常数。
2. Wien(维恩)位移定律 任何温度下，绝对黑体的单色辐出度的极大值 所在波长与绝对黑体的温度成反比。
4 0 0 2
0
4
01.08.2020
8
光的量子性与激光
平衡辐射时黑体的单色辐出度：
平衡状态下，黑体单位 面积发出的辐射能等于吸 收的辐射能，故：
0(,T)0(,T)4 cu(,T)
f(,T)cu(,T)
4
01.08.2020
9
光的量子性与激光
量子理论激光.ppt
由驻波条件知 往返光程
2nL kk ( k=1、2、3、…．)
n —谐振腔内工作物质的折射率
k—真空中的波长
k
2nL k
k=1 k=2
k=3 L
可以存在的纵模频率为
k
c
k
k c 2nL
相邻两个纵模频率的间隔为
k
c 2nL
数量级估计：
L～ 1 m n ～ 1.0 c = 3108 ms
k
c 2nL
I( 0 )
I ( 0 )
I( 0 )
2
0
例如Ne原子的0.6328 m谱线的频率宽度为
1.3 10 9 Hz
8
c
310
6 510 Hz
14
0.632810
Δ
1.3109 5 1 014
3106
而为什么He—Ne激光器输出激光的
Δ 会小到10 - 15 呢？
原因: 光在谐振腔两端来回反射要产生干涉
1.激活介质： 有合适的能级结构 能实现粒子数反转
2.激励能源： 使原子激发 维持粒子数反转
3.光学谐振腔： 保证光放大 使激光有良好的方向性和 单色性
四、 激光的特点 1.相干性极好 •时间相干性好
相干长度可达几十公里
•空间相干性好 激光波面上各个点可以 做到都是相干的（如基横模）
2.方向性极好
第一节 激 光
激光又名莱塞 (Laser) 全名是 “辐射的受激发射光放大”
（Light amplification by stimulated emission of radiation）
世界上第一台激光器诞生于1960年 1954年制成了受激发射的微波放大器 ——梅塞（Maser） 它们的基本原理都是基于1916年爱因斯坦 提出的受激辐射理论
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2021/3/2
1
14-1 黑体辐射 普朗克能量子假设
一、 黑体、黑体辐射
热辐射 物体在任何温度下都向外辐射电磁波
平衡热辐射
物体具有稳定温度 相等
发射电磁辐射能量
吸收电磁辐射能量
2021/3/2
2
黑体 如果一个物体能全部吸收投射在它上面的 辐射而无反射，这种物体称为黑体。
黑体模型
2021/3/2
3
单色辐出度 单位时间内,从物体表面单位面积上发出的，
波长在附近单位波长间隔内的辐射能.
M(T)dd M (T)
辐射出射度(辐出度)
单位时间物体单位表面积发射的各种波长的 总辐射能.
M (T)0 M (T)d
2021/3/2
4
二、 斯特藩—玻尔兹曼定律 维恩位移定律
M(T)
绝对黑体的单色辐出度 按波长分布曲线
2021/3/2
OO
Ua O
U
14
1. 光电流与入射光光强的关系
实验指出：饱和光电流和入射光光强成正比。
当反向电压加至U a 时光电流为零，称 U a 为遏止电压。
2 . 光电子初动能和入射光频率的关系 遏止电压的存在说明光电子具有初动能，且：
12mm 2veUa
实验指出：遏止电压和入 射光频率有线性关系
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (nm)
2021/3/2
10
2.普朗克量子假设
能量子假设：(1)组成黑体壁的分子、原子可看作 是带电的线性谐振子，可以吸收和辐射电磁波。 (2)这些谐振子只能处于某种特殊的能量状态，它
的能量取值只能为某一最小能量 (称为能量子)的
整数倍，即：
,2 ,3 ,,n (n为正整数)
2021/3/2
12
1918诺贝尔物理学奖
M.V.普朗克
研究辐射的量子 理论，发现基本 量子，提出能量 量子化的假设
2021/3/2
13
14-2 光电效应 光的波粒二象性
一、光电效应的实验规律
光电效应实验装置
光电效应伏安特性曲线
AK
OO
OO
OO
G
V
I
饱
遏 止 电
和
电I s
流
压
光强较强 光强较弱
B
解：
mTb
T b 632k3 m
M T 4 8 .5 5 1 7 W 2 0 m 2
2021/3/2
8
三、普朗克的量子假说 1. 经典理论的困难
维恩经验公式
M (T ) c 1 5 e c2T
瑞利--金斯经验公式
M (T)c34T
2021/3/2
9
M(T)
实验值
紫 外 灾
难
维恩
瑞利--金斯
h12mm 2vW 爱因斯坦光电效应方程
2021/3/2
18
爱因斯坦对光电效应的解释： h12mm 2vW
1. 光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以 光电流也大。
2. 电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出， 所以无须时间的累积。
3. 从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率 成线性关系。
4.从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到
红限频率：
0
W h
2021/3/2
19
三、光的波粒二象性
光子能量: 光子质量:
因为：
h
h mc2 c2
m m0
1
v c2
2
由于光子速度恒为c，所以光子的“静止质量”为零.
光子的动量： pmch h c
2021/3/2
20
h
p h
h
m c2
光子的能量质量 m，动量 p是表示粒子特性的
物理量，而波长 ，频率 则是表示波动性的物理量，
维恩位移定律:
M(T)
mTb
b 2 .8 1 9 3 m 0 K
m
维恩位移定律指出：当绝对黑体的温度升高时，
单色辐出度最大值向短波方向移动。
2021/3/2
7
例 假设太阳表面的特性和黑体等效，测得太阳 表面单色辐出度的最大值所对应的波长为465nm。 试估计太阳表面的温度和单位面积上的辐射功率
h h 称为普朗克常数，h 6 .6 1 3 3J 0 4 s
正整数 n 称为量子数。
2021/3/2
11
M(T)
在能量子假设基础上，
实验值 朗克得到了黑体辐射
公式：
M (T)2c25
1
hc
ek T 1
普朗克
c ——光速
k ——玻尔兹曼恒量 e ——自然对数的底
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (nm)
2021/3/2
Ua
o
U0
νo ν
15
3、存在截止频率（红限）
对于给定的金属，当照射光频率 0 小于某一数值 （称为红限）时，无论照射光多强都不会产生光电效
应。
4 . 光电效应瞬时响应性质
实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光 电子出现只需要 109s的时间。
2021/3/2
16
经典电磁波理论的缺陷 1. 按经典理论光电子的初动能应决定于入射光的 光强，而不决定于光的频率。
(nm)
0 1 2021/3/2
2
3
4
5
6
5
1 、斯特藩—玻尔兹曼定律 每条曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下 的辐射出射度
M (T)0 M (T)d
M(T)T4
5 . 6 1 7 8 W 0 m 2 K 4
斯忒藩常数
2021/3/2
6
2 、 维恩(Wien)位移定律
M(T)最大值所对应的波长 m 称为峰值波长。
遏制电压与入射光频关系
eU ahW 2021/3/2
钠的遏止电压与 入射光频率关系
24
eU ahW Ua(V)
从图中得出
2.20
4.3 9110H 4 z
2. 无法解释红限的存在。
3. 无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。
2021/3/2
17
二、光子 爱因斯坦光电效应方程 爱因斯坦光子假说：一束光是以光速 c 运动的粒子 流，这些粒子称为光量子，简称光子。
光子的能量为： h
金属中的自由电子吸收一个光子能量 h
以后，一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸 出功W ，一部分转化为光电子的动能，即：
2、遏止电压 3、铝的红限波长
hc1.24keV A
解： EkhcW2eV
Ua
Ek e
2V
0
hc
296A0
W
2021/3/2
23
例1、钠根据的图红示限确频定率以下各量Ua(V)
2、普朗克常数
2.20
•
3、钠的逸出功
•
解：由爱因斯坦方程
h1m2vW
2
其中
1mv2 2
eUa
0.65
O
•
•
•
•
4.396.0 10(1014H)z
这就表示光子不仅具有波动性，同时也具有粒子性， 即具有波粒二象性。
2021/3/2
21
1921诺贝尔物理学奖
• A.爱因斯坦
• 对现物理方面 的贡献，特别 是阐明光电效 应的定律
2021/3/2
22
例：在铝中移出一个电子需要4.2eV的能量，波长为
200nm的光射到其表面，求：
1、光电子的最大动能
1
14-1 黑体辐射 普朗克能量子假设
一、 黑体、黑体辐射
热辐射 物体在任何温度下都向外辐射电磁波
平衡热辐射
物体具有稳定温度 相等
发射电磁辐射能量
吸收电磁辐射能量
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2
黑体 如果一个物体能全部吸收投射在它上面的 辐射而无反射，这种物体称为黑体。
黑体模型
2021/3/2
3
单色辐出度 单位时间内,从物体表面单位面积上发出的，
波长在附近单位波长间隔内的辐射能.
M(T)dd M (T)
辐射出射度(辐出度)
单位时间物体单位表面积发射的各种波长的 总辐射能.
M (T)0 M (T)d
2021/3/2
4
二、 斯特藩—玻尔兹曼定律 维恩位移定律
M(T)
绝对黑体的单色辐出度 按波长分布曲线
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OO
Ua O
U
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1. 光电流与入射光光强的关系
实验指出：饱和光电流和入射光光强成正比。
当反向电压加至U a 时光电流为零，称 U a 为遏止电压。
2 . 光电子初动能和入射光频率的关系 遏止电压的存在说明光电子具有初动能，且：
12mm 2veUa
实验指出：遏止电压和入 射光频率有线性关系
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (nm)
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10
2.普朗克量子假设
能量子假设：(1)组成黑体壁的分子、原子可看作 是带电的线性谐振子，可以吸收和辐射电磁波。 (2)这些谐振子只能处于某种特殊的能量状态，它
的能量取值只能为某一最小能量 (称为能量子)的
整数倍，即：
,2 ,3 ,,n (n为正整数)
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12
1918诺贝尔物理学奖
M.V.普朗克
研究辐射的量子 理论，发现基本 量子，提出能量 量子化的假设
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14-2 光电效应 光的波粒二象性
一、光电效应的实验规律
光电效应实验装置
光电效应伏安特性曲线
AK
OO
OO
OO
G
V
I
饱
遏 止 电
和
电I s
流
压
光强较强 光强较弱
B
解：
mTb
T b 632k3 m
M T 4 8 .5 5 1 7 W 2 0 m 2
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三、普朗克的量子假说 1. 经典理论的困难
维恩经验公式
M (T ) c 1 5 e c2T
瑞利--金斯经验公式
M (T)c34T
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M(T)
实验值
紫 外 灾
难
维恩
瑞利--金斯
h12mm 2vW 爱因斯坦光电效应方程
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爱因斯坦对光电效应的解释： h12mm 2vW
1. 光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以 光电流也大。
2. 电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出， 所以无须时间的累积。
3. 从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率 成线性关系。
4.从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到
红限频率：
0
W h
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三、光的波粒二象性
光子能量: 光子质量:
因为：
h
h mc2 c2
m m0
1
v c2
2
由于光子速度恒为c，所以光子的“静止质量”为零.
光子的动量： pmch h c
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h
p h
h
m c2
光子的能量质量 m，动量 p是表示粒子特性的
物理量，而波长 ，频率 则是表示波动性的物理量，
维恩位移定律:
M(T)
mTb
b 2 .8 1 9 3 m 0 K
m
维恩位移定律指出：当绝对黑体的温度升高时，
单色辐出度最大值向短波方向移动。
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7
例 假设太阳表面的特性和黑体等效，测得太阳 表面单色辐出度的最大值所对应的波长为465nm。 试估计太阳表面的温度和单位面积上的辐射功率
h h 称为普朗克常数，h 6 .6 1 3 3J 0 4 s
正整数 n 称为量子数。
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M(T)
在能量子假设基础上，
实验值 朗克得到了黑体辐射
公式：
M (T)2c25
1
hc
ek T 1
普朗克
c ——光速
k ——玻尔兹曼恒量 e ——自然对数的底
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (nm)
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Ua
o
U0
νo ν
15
3、存在截止频率（红限）
对于给定的金属，当照射光频率 0 小于某一数值 （称为红限）时，无论照射光多强都不会产生光电效
应。
4 . 光电效应瞬时响应性质
实验发现，无论光强如何微弱，从光照射到光 电子出现只需要 109s的时间。
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经典电磁波理论的缺陷 1. 按经典理论光电子的初动能应决定于入射光的 光强，而不决定于光的频率。
(nm)
0 1 2021/3/2
2
3
4
5
6
5
1 、斯特藩—玻尔兹曼定律 每条曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下 的辐射出射度
M (T)0 M (T)d
M(T)T4
5 . 6 1 7 8 W 0 m 2 K 4
斯忒藩常数
2021/3/2
6
2 、 维恩(Wien)位移定律
M(T)最大值所对应的波长 m 称为峰值波长。
遏制电压与入射光频关系
eU ahW 2021/3/2
钠的遏止电压与 入射光频率关系
24
eU ahW Ua(V)
从图中得出
2.20
4.3 9110H 4 z
2. 无法解释红限的存在。
3. 无法解释光电效应的产生几乎无须时间的积累。
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二、光子 爱因斯坦光电效应方程 爱因斯坦光子假说：一束光是以光速 c 运动的粒子 流，这些粒子称为光量子，简称光子。
光子的能量为： h
金属中的自由电子吸收一个光子能量 h
以后，一部分用于电子从金属表面逸出所需的逸 出功W ，一部分转化为光电子的动能，即：
2、遏止电压 3、铝的红限波长
hc1.24keV A
解： EkhcW2eV
Ua
Ek e
2V
0
hc
296A0
W
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例1、钠根据的图红示限确频定率以下各量Ua(V)
2、普朗克常数
2.20
•
3、钠的逸出功
•
解：由爱因斯坦方程
h1m2vW
2
其中
1mv2 2
eUa
0.65
O
•
•
•
•
4.396.0 10(1014H)z
这就表示光子不仅具有波动性，同时也具有粒子性， 即具有波粒二象性。
2021/3/2
21
1921诺贝尔物理学奖
• A.爱因斯坦
• 对现物理方面 的贡献，特别 是阐明光电效 应的定律
2021/3/2
22
例：在铝中移出一个电子需要4.2eV的能量，波长为
200nm的光射到其表面，求：
1、光电子的最大动能