第十二章量子力学基础.ppt-山东大学课程中心.ppt

山东大学精品课程 *医学物理学 第十二章量子力学基础 一、光电效应 一、光电效应的实验规律 金属中的自由电子在光的照射下，吸收光能而逸出金属表面，这种现象称为光电效应。在光电效应中逸出金属表面的电子称为光电子。光电子在电场的作用下运动所提供的电流，称为光电流。 U G 实验原理 A K 光电效应有如下规律： U0 3 1 2 U I IS 0 1. 光电流的强度 对于同一单色光，单位时间内逸出金属表面的光电子数，与入射光强成正比。 第一节 光的波粒二象性 2. 光电子的初动能 光电子的初动能随入射光频率的上升而线性地增大，但与入射光强无关。 3. 引起光电效应的入射光的频率下限 如果入射光的频率低于该金属的红限，则无论入射光强多大，都不会使这种金属产生光电效应。 （金属的红限） 4. 引起光电效应的时间 只要入射光的频率大于该金属的红限，当光照射到这种金属的表面时，几乎立即产生光电子，而无论光强多大。 电子逸出的时间间隔不超过10-9 s。 二、经典理论遇到的困难 光的波动理论认为，光波的能量决定于光波的强度，而光波的强度与其振幅的平方成正比。所以，入射光的强度越高，金属内自由电子获得的能量就越大，光电子的初动能也应该越大。但实验表明, 光电子的初动能与入射光强无关。 根据光的波动理论，如果入射光的频率较低，总可以用增大振幅的方法使入射光达到足够的能量，以便使自由电子获得足以逸出金属表面的能量。所以，不应该存在入射光的频率限制。与实验结果相矛盾。 从光的波动理论观点看，产生光电子应该有一定的时间间隔，而不应该是瞬时的。因为自由电子从入射光那里获得能量需要一个积累的过程，特别是当入射光的强度较弱时，积累能量需要的时间较长。实验结果光电子的产生是瞬时的。 狭义相对论关于物质存在的方式及其运动形态、时间和空间、实物和场以及质量和能量等一系列基本问题的表述，改变了原有观念，使人类对物质世界的认识发生了巨大的飞跃。 爱因斯坦 (Albert Einstein ) 于1905年创建了狭义相对论。 狭义相对论涉及力学、电磁学、原子和原子核物理 学以及粒子物理学等乃至整个物理学的领域，导致了物理学发展史上的一次深刻的变革。 补充相对论知识： 爱因斯坦认为m0 c2 是物体静止时的能量，称为 物体的静能, 而mc2是物体的总能量，它等于静 能与动能之和。物体的总能量若用E表示，可写为 这就是著名的相对论质能关系。 当v c时, 将 作泰勒展开，上 式将回到经典力学中动能的表达式： 质点总能可改写为 m c2 = Ek + m0 c2 动能： 三、爱因斯坦的光子论及其对光电效应的解释 光子假说：光是一粒一粒以光速运动的粒子流，这种粒子流称为光子，或光量子。每一个光子的能量由光的频率所决定。 频率为?的光子的能量为 ? = h? 光子在运动时具有的质量、能量和动量为 其中 光电效应的爱因斯坦方程 ? 光子的频率为截止频率? 0时，光电子刚好逸出金属表面，电子初动能为零，由爱因斯坦方程有： ? 光子的频率小于截止频率? 0 时，光电子不能逸出金属表面。只要光子的频率满足? ? 0 ，电子就会立即逸出金属表面，是“瞬时的”。 ? 当入射光强度大时，单位时间内电子吸收的光子数就多，光电流就大，光电流与入射光强度成正比。 ? 光电效应显示了光的微粒特性，光子与电子相互作用时，电子吸收了光子的全部能量，光子也是构成物质的一种微观粒子。 例1：分别计算波长为400 nm的紫光和波长为10.0 pm的X 射线的光子的质量。 解: 紫光光子的质量为 X射线光子的质量为 例2：用波长为400 nm的紫光去照射某种金属，观察到光电效应，同时测得遏止电势差为1.24 V，试求该金属的红限和逸出功。 解: 由爱因斯坦方程，得 等号两边同除以普朗克常量h，得 等号左边等于红限? 0，所以 因为 所以 代入数值，得 根据逸出功A与红限? 0的关系，可求得逸出功 1ev=1.6×10-19J 二、康普顿效应 一、康普顿效应及其观测 晶体 S1 S2 探测器 散射体 ） 康普顿效应实验装置 实验表明：散射的X射线中不仅有与入射线波长相同的射线，而且也有波长大于入射线波长的射线，两者差值的大小随着散射角的大