有关光子的质量与波长及传播方式的问题 光子的波长为λ
\u539f\u5b50\u7269\u7406\u5b66 \u5149\u5b50\u7684\u80fd\u91cf\u4e0e\u9891\u7387,\u52a8\u91cf\u4e0e\u6ce2\u957f\u7684\u5173\u7cfb\u5f0f\u5206\u522b\u4e3a
\u5fb7\u5e03\u7f57\u610f\u65b9\u7a0b\u7ec4\u3002
1.hc/\u03bb(\u5927\u5b66\u7269\u7406\u91cc\u6709\u8fd9\u4e2a\u516c\u5f0f\uff0c\u5982\u679c\u4f60\u770b\u4e86\u539f\u5b50\u7269\u7406\u5b66\u7684\u6559\u6750\u7684\u8bdd\uff0c\u7b2c\u4e8c\u7ae0\u91cc\u5c31\u4f1a\u6709\u8be6\u7ec6\u7684\u4ecb\u7ecd\uff0c\u53ef\u77e5E=hc*\u9891\u7387)
2.h/\u03bb
3.h/c\u03bb\uff08E=mc\u7684\u5e73\u65b9\uff0c\u4e00\u5149\u5b50\u52a8\u91cfp=mc\uff0c\u8054\u7acb\u4e24\u65b9\u7a0b\u53ef\u5f97\uff09
光子具有波粒二象性，光波长 d= c/v（c为光速，v为光频率）
光的传播不需要任何媒介，以电磁波的形式传播，其传播规律遵循麦克斯韦方程组
http://bk.baidu.com/view/150496.htm
光子
photon
电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规范粒子，记为γ。其静质量为零，不荷电，其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，ε=hv，在真空中以光速c运行，其自旋为1，是玻色子。早在1900年，M.普朗克解释黑体辐射能量分布时作出量子假设，物质振子与辐射之间的能量交换是不连续的，一份一份的，每一份的能量为hv；1905年A.爱因斯坦进一步提出光波本身就不是连续的而具有粒子性，爱因斯坦称之为光量子；1923年A.H.康普顿成功地用光量子概念解释了X光被物质散射时波长变化的康普顿效应，从而光量子概念被广泛接受和应用，1926年正式命名为光子。量子电动力学确立后，确认光子是传递电磁相互作用的媒介粒子。带电粒子通过发射或吸收光子而相互作用，正反带电粒子对可湮没转化为光子，它们也可以在电磁场中产生。
光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能量的多少与波长相关, 波长越短, 能量越高。当一个光子被分子吸收时,就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的分子就从基态变成了激发态。
量子物理部分第一次课
课题：§19.1 黑体辐射 普朗克能量子假设
§19.2 光电效应 光的波粒二象性
§19.3 康普顿效应
教学目的：
1、了解热辐射的两条实验定律，以及经典物理理论在说明热辐射的能量按频率分布曲线时所遇到的困难. 理解普朗克量子假设.
2、了解经典物理理论在说明光电效应的实验规律时所遇到的困难. 理解爱因斯坦光子假设，掌握爱因斯坦方程。理解光的波粒二象性
3、理解康普顿效应的实验规律，以及爱因斯坦的光子理论对这个效应的解释.
重点与难点：普朗克量子假设; 爱因斯坦方程; 光的波粒二象性; 康普顿效应
作业： 19-1, 19-4, 19-5, 19-8, 19-10
教学过程：
第十九章 量子物理
§19.1 黑体辐射 普朗克能量子假设
一、黑体 黑体辐射
1、热辐射：实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射.
2、单色辐出度：单位时间内从物体单位表面积发出的频率在 附近单位频率区间（或波长在 附近单位波长区间）的电磁波的能量，用 表示。
3、辐出度：单位时间，单位面积上所辐射出的各种频率（或各种波长）的电磁波的能量总和，用 表示，显然：
实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.
4、黑体：能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体 ，（黑体是一种理想化的模型）。
二、斯特藩 — 玻尔兹曼定律 维恩位移定律
1、斯特藩—玻尔兹曼定律
斯特藩—玻尔兹曼常量 。
2、维恩位移定律
为峰值波长，常量
例1 （1）温度为室温（ ）黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？（2）若使一黑体单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，其温度应为多少？（3）以上两辐出度之比为多少？
解（1）由维恩位移定律
（2）取 ，
（3）由斯特藩—玻尔兹曼定律
例2 太阳的单色辐出度的峰值波长 ，试由此估算太阳表面的温度.
解：由维恩位移定律
对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用
这种方法进行推测
三、黑体辐射的瑞利—金斯公式 经典物理的困难
瑞利—金斯公式的表达式：
在低频部分与实验结果符合的很好，但在高频部分，却随着频率的增大而趋于无穷大，称为“紫外灾难”。
“紫外灾难”给19世纪末看来很和谐的经典物理理论带来了很大的困难。
四、普朗克假设 普朗克黑体辐射公式（1900 年）
1、普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过去经典物理认为的那样可以连续的吸收或发射能量，而是以与振子的频率成正比的能量子 为单元来吸收或发射能量。空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为 ，其中普朗克常量
2、普朗克黑体辐射公式为：
§19.2 光电效应 光的波粒二象性
一、光电效应实验的规律
1、实验装置
光照射至金属表面，电子从金属表面逸出,称其为光电子.
2、实验规律
①、截止频率（红限） ：仅当 时才发生光电效应，截止频率与材料有关与光强无关。
②、遏止电压 ： ，遏止电压与入射光频率具有线性关系。
③、瞬时性：当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出。
④、电流饱和值 ： 正比于光强 ，而遏止电压 与光强无关。
3、经典理论遇到的困难
①、红限问题
按经典理论,无论何种频率的入射光,只要其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属。与实验结果不符.
②、瞬时性问题
按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止.与实验结果不符 .
二、光子 爱因斯坦方程
1、“光量子”假设
光子的能量为
2、解释实验
爱因斯坦方程：
①、对同一种金属， 一定， 正比于 ，与光强无关
②、逸出功 ，产生光电效应条件 （截止频率）
③、光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电子数目越多，光电流越大。（ 时）
④、光子射至金属表面，一个光子携带的能量 将一次性被一个电子吸收，若 ，电子立即逸出，无需时间积累（瞬时性）.
3、 的测定
爱因斯坦方程： ，由于 ，
所以方程可写为： ，于是： ，
例1 波长为450nm的单色光射到纯钠的表面上.
求 （1）这种光的光子能量和动量；
（2）光电子逸出钠表面时的动能；
（3）若光子的能量为2.40eV，其波长为多少？
解 （1）
（2）
（3）
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.
四、光的波粒二象性
（1）波动性：光的干涉和衍射
（2）粒子性： （光电效应等）
相对论能量和动量关系： ，对于光子， ， ，
描述光的粒子性 描述光的波动性
§19.3 康普顿效应
1920年，美国物理学家康普顿在观察X射线被物质散射时，发现散射线中含有
波长发生变化了的成分.
一、实验装置
二、实验结果
在散射X 射线中除有与入射波长相同的射线外，还有波长比入射波长更长的射
线。
三、经典理论的困难
经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率。经典理论无法解释
波长变化 .
四、量子解释
1、物理模型
①、入射光子（ X 射线或 射线）能量大， 范围：
②、固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子
③、电子热运动能量 ，可近似为静止电子
④、电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理.
2、理论分析
由：能量守恒：
动量守恒：
得康普顿公式：
设康普顿波长：
则康普顿公式变为：
3、讨论：
①、若 则 ,可见光观察不到康普顿效应.
②、 与 的关系与物质无关，是光子与近自由电子间的相互作用.
③、散射中 的散射光是因光子与金属中的紧束缚电子（原子核）的作用.
4、物理意义
①、光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性
②、微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律
例 波长 的X射线与静止的自由电子作弹性碰撞, 在与入射角成 角的方向上观察, 问
（1）散射波长的改变量 为多少？
（2）反冲电子得到多少动能？
（3）在碰撞中，光子的能量损失了多少？
解（1）
（2） 反冲电子的动能
（3） 光子损失的能量＝反冲电子的动能
小结：
1、了解了热辐射的两条实验定律，以及经典物理理论在说明热辐射的能量按频率分布曲线时
所遇到的困难，普朗克量子假设及普朗克黑体辐射公式。
2、了解了经典物理理论在说明光电效应的实验规律时所遇到的困难，爱因斯坦光子假设及爱因斯坦方程，光的波粒二象性
3、了解了康普顿效应的实验规律，以及爱因斯坦的光子理论对这个效应的解释.。
绛旓細鍏夊叿鏈変笉鍚鐨勬尝闀锛屽垎涓哄彲瑙佸厜鍜屼笉鍙鍏変袱绉嶏紝浜虹被鎵鑳界湅鍒扮殑閮芥槸鍙鍏夌殑绫诲瀷锛屼竴鑸尝闀夸负380nm~780nm銆傜埍鍥犳柉鍧︾殑鍏夊瓙鐞嗚鏇炬彁鍑哄厜鍏锋湁绮掑瓙鎬э紝鍗冲厜鏄敱涓涓釜鐨勮兘閲忓瓙鍏夊瓙缁勬垚锛屽叿鏈変笉杩炵画鐨勭壒鎬с傛槸涓绉嶅吀鍨嬪叿鏈夋尝绮掍簩璞℃х殑鐗╄川锛屾棦鎷ユ湁娉㈢殑鐗规э紝鍙堟嫢鏈夌矑瀛愮殑鐗规э紝鍏鐨勪紶鎾柟寮鏄互鐢电娉㈢殑...
绛旓細鍏夊瓙鐨娉㈠姩鎬т笌绮掑瓙鎬т箣闂寸殑鑱旂郴涓猴細1锛庡厜瀛愮殑娉㈠姩鎬т笌绮掑瓙鎬ф槸鍏夊瓙鏈у湪涓嶅悓鐨勬潯浠朵笅鐨勮〃鐜般傛尝鍔ㄦх獊鍑鸿〃鐜板湪鍏浼犳挱杩囩▼涓紝绮掑瓙鎬у垯绐佸嚭琛ㄧ幇鍦ㄧ墿浣撶殑鐢电杈愬皠涓庡惛鏀躲佸厜瀛愪笌鐗╄川鐨勭浉浜掍綔鐢ㄤ腑銆備竴鑸湴璇达紝棰戠巼瓒婇珮銆娉㈤暱瓒婄煭銆佽兘閲忚秺澶х殑鍏夊瓙鍏剁矑瀛愭ц秺鏄捐憲锛涜屾尝闀胯秺闀匡紝鑳介噺瓒婁綆鐨勫厜瀛愬垯娉㈠姩鎬ц秺...
绛旓細鍏夊瓙鐨闈欐璐ㄩ噺涓ユ牸涓洪浂锛屾湰璐ㄤ笂鍜屽簱浠戝畾寰嬩弗鏍肩殑璺濈骞虫柟鍙嶆瘮鍏崇郴绛変环锛屽鏋滃厜瀛愰潤姝㈣川閲忎笉涓洪浂锛岄偅涔堝簱浠戝畾寰嬩篃涓嶆槸涓ユ牸鐨勫钩鏂瑰弽姣斿畾寰嬨傚湪璁ㄨ寮规ф尝鐨浼犳挱鏃讹紝浼氬亣璁惧獟璐ㄦ槸杩炵画鐨勶紝鍥犱负褰娉㈤暱杩滃ぇ浜庡獟璐ㄥ垎瀛愪箣闂寸殑璺濈鏃讹紝濯掕川涓竴娉㈤暱鐨勮窛绂诲唴锛屾湁鏃犳暟涓垎瀛愬湪闄嗙画鎸姩锛屽畯瑙備笂鐪嬫潵锛屽獟璐ㄥ氨鍍忔槸杩炵画鐨...
绛旓細棰戠巼涓嶅悓鐨勫厜绾夸骇鐢熺殑鑳介噺灏变笉鍚岋紝杩欐槸涓轰粈涔堝憿锛熷洜涓哄厜绾跨殑棰戠巼瓒婇珮锛屽崟浣嶆椂闂村唴浼犳挱鐨勫厜瀛鏁伴噺灏辫秺澶氥傚厜绾垮湪鍗曚綅鏃堕棿鍐呬紶鎾殑鍏夊瓙鏁伴噺涓庡厜绾跨殑棰戠巼鍦ㄦ暟閲忎笂鐩哥瓑銆傜粨璁:濡傛灉锛孉鍏鐨勬尝闀鏄疊鍏夋尝闀跨殑X鍊嶏紝鍒橞鍏夌殑棰戠巼鏄疉鍏夌殑X鍊嶏紝鍗冲湪鍗曚綅鏃堕棿鍐呭彂鍑虹殑鍏夊瓙鎬绘暟鏄疉鍏夌殑X鍊嶏紝B鍏夌殑鎬昏兘閲忔槸A鍏夋...
绛旓細m/s锛夛紝位鏄娉㈤暱銆傚皢缁欏畾鐨勬尝闀夸唬鍏ュ叕寮忥紝鎴戜滑鍙互璁＄畻鍑哄搴旂殑鑳介噺锛欵 = (6.62607015 脳 10^(-34) J路s * 3.0 脳 10^8 m/s) / (700 脳 10^(-9) m)鈮 2.84 脳 10^(-19) J 鎵浠ワ紝杩欐潫绾㈠厜鐨勮兘閲忕害涓2.84 脳 10^(-19)鐒﹁炽傝繖涓绠楃粨鏋滃弽鏄犱簡绾㈠厜鍏夊瓙鐨鑳介噺澶у皬銆
绛旓細鍏夊瓙闈欐璐ㄩ噺涓洪浂銆傚厜瀛愪互鍏夐熻繍鍔紝骞跺叿鏈夎兘閲忋佸姩閲忋佽川閲忋鍏夊瓙鐨闈欐璐ㄩ噺涓ユ牸涓洪浂锛屾湰璐ㄤ笂鍜屽簱浠戝畾寰嬩弗鏍肩殑璺濈骞虫柟鍙嶆瘮鍏崇郴绛変环锛屽鏋滃厜瀛愰潤姝㈣川閲忎笉涓洪浂锛岄偅涔堝簱浠戝畾寰嬩篃涓嶆槸涓ユ牸鐨勫钩鏂瑰弽姣斿畾寰嬨 鎵鏈夋湁鍏崇殑缁忓吀鐞嗚锛屽楹﹀厠鏂煢鏂圭▼缁勫拰鐢电鍦虹殑鎷夋牸鏈楁棩閲忛兘渚濊禆浜庡厜瀛愰潤璐ㄩ噺涓ユ牸涓洪浂鐨勫亣璁俱 浠...
绛旓細涔嬫墍浠ヤ細褰㈡垚娉㈠舰锛屾槸鍥犱负鏈潵灏辨槸鍏夊氨鏄數纾佹尝锛岀數纾佹尝灏辨槸娌跨潃鐩寸嚎浼犳挱鐨勫晩锛屽厜涔熸槸涓绉嶇數纾佹尝锛屾墍浠ユ槸鐩寸嚎浼犳挱銆傛墍浠ヤ綘鍙互鎯宠薄鎴愯櫧鐒舵垜浠湅鍒版槸鍏夋槸鐩寸嚎锛屼絾鏄槸寰堝娉㈠垪缁勬垚鐨勶紝涓轰粈涔堢湅涓嶅埌閭ｄ簺娉㈠憿锛岄櫎闈炰綘鑷繁鍙樺緱鍘熷瓙鎴栬呯數瀛愰偅涔堝皬锛岃繕鏈変竴鍙岃兘鐪嬪埌娉㈢殑鐪肩潧锛屽綋鐒堕偅鏃朵笉鍙兘鐨勩傜孩澶栫嚎鐨勬尝闀澶ф...
绛旓細杩欓噷璇寸殑娉㈤暱涓鑳介噺鐨勫叧绯伙紝鎸囩殑鏄厜鐨勬尝闀夸笌鍏夊瓙鑳介噺鐨勫叧绯汇傜畝鑰岃█涔嬶紝娉㈤暱瓒婂ぇ锛鍏夊瓙鐨鑳介噺瓒婂皬銆傝繖鏄洜涓哄厜瀛愯兘閲忎笌鍏夌殑鐜(甯哥敤f鎴杤琛ㄧず)鎴愭姣斾緥鍏崇郴銆傜敱浜庣孩鍏夌殑娉㈤暱澶,绱厜鐨勬尝闀垮皬锛屾墍浠ョ孩鍏夌殑鍏夊瓙鑳介噺灏忥紝绱厜鐨勫厜瀛愮殑鑳介噺澶с傜壒鍒敞鎰忕殑鏄,杩欓噷璇寸殑鏄厜瀛愮殑鑳介噺锛屾槸涓涓厜瀛愮殑鑳介噺锛屽苟涓...
绛旓細濡傛灉璺冭縼涔嬪悗鍒氬ソ濉ˉ浜嗘墍鍦ㄨ建閬撶殑绌轰綅锛屼粠婵鍙戞佸埌杈剧ǔ瀹氭侊紝鐢靛瓙灏变笉鍔ㄤ簡銆傚惁鍒欑數瀛愪細鍐嶆璺冭縼鍥炰箣鍓嶇殑杞ㄩ亾锛屽苟涓斾互娉㈢殑褰㈠紡閲婃斁鑳介噺銆傚厜鐨勪紶鎾瑙勫緥鏈変笁锛氾紙1锛夊厜鐨勭洿绾夸紶鎾寰嬪凡濡備笂杩般傚ぇ鍦版祴閲忎篃鏄互姝や负渚濇嵁鐨勩傦紙2锛夊厜鐨勭嫭绔嬩紶鎾寰嬨備袱鏉熷厜鍦ㄤ紶鎾繃绋嬩腑鐩搁亣鏃朵簰涓嶅共鎵帮紝浠嶆寜鍚勮嚜閫斿緞缁х画浼犳挱锛...
绛旓細濡傛灉涓嶆槸杩炵画鐨勶紝灏卞彧鑳芥槸璐ㄧ偣銆傚弻缂濊娴嬪疄楠屼腑鐨勭矑瀛愮壒鎬ф槸“瑙傛祴”鏈韩闃绘柇浜嗗厜鍥㈢殑杩炵画鎬э紝鎵浠ュ憟鐜扮矑瀛愭с傚悍鏅】璇佹槑浜鍏夊瓙鍜鐢靛瓙涔嬮棿涓嶄粎鏈夎兘閲忚浆鎹紝杩樻湁鍔ㄩ噺浜ゆ崲銆1923骞达紝寰峰竷缃楁剰灏嗙埍鍥犳柉鍧︽尝绮掍簩璞℃ф帹骞垮埌寰绮掑瓙锛屾彁鍑虹墿璐ㄦ尝鍋囪锛岃瘉鏄庡井瑙傜矑瀛愪篃鍏锋湁娉㈠姩鎬с備粬鐨勮鐐瑰緢蹇鐢靛瓙琛嶅皠绛...
