量子理论的产生和发展.ppt

1、第十章第十章 量子理论的产生和发展量子理论的产生和发展10.1 黑体辐射和普朗克的量子假说黑体辐射和普朗克的量子假说10.2 光电效应和爱因斯坦光量子理论光电效应和爱因斯坦光量子理论10.3 原子的稳定性和大小及玻尔的原原子的稳定性和大小及玻尔的原子子模模型型10.4 量子力学的量子力学的建建立立一一.黑体辐射问题黑体辐射问题二二.光电效应的解析光电效应的解析三三.原子的稳定性和大小原子的稳定性和大小10.1 黑体辐射和普朗克量子假说黑体辐射和普朗克量子假说 上上一一代代人人能能取取得得自自然然知知识识的的如如此此神神奇奇进进展展，应应归归功功于于人人们们从从传传统统思思想想束束缚缚下下获获得

2、得的的这一解放。这一解放。玻尔玻尔一一.黑体辐射黑体辐射1.1.背景：背景：18001800年，天文学家年，天文学家赫歇尔赫歇尔(Herschel)(Herschel)用滤色片观察太阳用滤色片观察太阳光透过的热效应时发现，在红外区有一种产生明显热效应的光透过的热效应时发现，在红外区有一种产生明显热效应的辐射，从而发现了红外线。第二年，辐射，从而发现了红外线。第二年，里特里特和和沃拉斯顿沃拉斯顿发现了发现了紫外辐射。紫外辐射。18211821年，年，塞贝克塞贝克发现温差电并用于测量温度。发现温差电并用于测量温度。18301830年年诺比利诺比利发明了热辐射测量仪。还有许多物理学家对热发明了热辐射

3、测量仪。还有许多物理学家对热辐射的性质、辐射能量与辐射源的关系、辐射能量按波长的辐射的性质、辐射能量与辐射源的关系、辐射能量按波长的分布曲线等进行了大量研究，并逐渐认识到光谱、热辐射、分布曲线等进行了大量研究，并逐渐认识到光谱、热辐射、光辐射是统一的。光辐射是统一的。18811881年，美国人年，美国人兰利兰利(Langley)(Langley)发明了热辐射计，可以很发明了热辐射计，可以很灵敏地测量辐射能量，并测出能量随波长变化的曲线，如图灵敏地测量辐射能量，并测出能量随波长变化的曲线，如图（下页），从曲线可以很明显地看到能量最大值随温度的升（下页），从曲线可以很明显地看到能量最大值随温度的升

4、高向短波方向转移。高向短波方向转移。兰利的能量分布曲线兰利的能量分布曲线横坐标表示光谱位置横坐标表示光谱位置 1859年底，年底，基尔霍夫基尔霍夫提出：物体的发射本领提出：物体的发射本领e(,T)和吸和吸收本领收本领(,T)的比值，等于物体处于辐射平衡时的表面亮度的比值，等于物体处于辐射平衡时的表面亮度E(,T)。即：。即：(,T)的探求可以从实验和理论两个方面去解决。的探求可以从实验和理论两个方面去解决。并指出这一比值对所有物体都是一样的，与辐射物体的性质无并指出这一比值对所有物体都是一样的，与辐射物体的性质无关。实际上，关。实际上，E(,T)反映的是在不同温度下辐射按波长分布的反映的是在不

5、同温度下辐射按波长分布的函数，它是一个与物体性质无关的普适函数。函数，它是一个与物体性质无关的普适函数。1860年，基尔霍夫又提出绝对黑体的概念：年，基尔霍夫又提出绝对黑体的概念：在任何温度下在任何温度下都能全部吸收落在它上面的一切辐射。显然，当吸收本领都能全部吸收落在它上面的一切辐射。显然，当吸收本领=1=1时，物体的发射本领就是辐射的普适函数。绝对黑体的表面亮时，物体的发射本领就是辐射的普适函数。绝对黑体的表面亮度度E(,T)可以用平衡辐射时的能量密度可以用平衡辐射时的能量密度(,T)来表示。来表示。18791879年，德国物理学家斯特藩年，德国物理学家斯特藩(Joseph Stefan)

6、总结出一条总结出一条经验规律：黑体表面单位面积上在单位时间内发射出的总能量经验规律：黑体表面单位面积上在单位时间内发射出的总能量与它的绝对温度的四次方成正比，即：与它的绝对温度的四次方成正比，即：W=t4 。18841884年，玻尔兹曼年，玻尔兹曼根据电磁学和热力学理论，利用统计方根据电磁学和热力学理论，利用统计方法的结果（压强等于能量密度的法的结果（压强等于能量密度的1/31/3），从理论上导出了这一），从理论上导出了这一结果。结果。18931893年，德国物理学家维恩年，德国物理学家维恩(Wilhelm Wien)根据多普勒效根据多普勒效应和斯特藩应和斯特藩-玻尔兹曼定律，导出了维恩位移定

7、律：玻尔兹曼定律，导出了维恩位移定律：m T=常数常数表明黑体辐射能量强度最大的波长表明黑体辐射能量强度最大的波长m和绝对温度和绝对温度T成反比。成反比。1895年，维恩年，维恩首先指出，绝对黑体可以用一个带有小孔首先指出，绝对黑体可以用一个带有小孔的辐射空腔来实现。的辐射空腔来实现。18961896年，年，卢默尔卢默尔(Lummer)和和普林斯海姆普林斯海姆(Pringsheim)实现实现了空腔辐射，为黑体辐射强度的定量测量提供了重要手段。了空腔辐射，为黑体辐射强度的定量测量提供了重要手段。辐射强度随波长变化的规律图辐射强度随波长变化的规律图:紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克

8、的的 量量 子子 假假 说说维维恩恩2.维恩定律维恩定律 1896年，德国物理学家年，德国物理学家维恩维恩通过半理论半经验的方法，得通过半理论半经验的方法，得到一个辐射能量分布公式：到一个辐射能量分布公式：18991899年年普朗克普朗克把电磁理论用于热辐射和谐振子的相互作用，把电磁理论用于热辐射和谐振子的相互作用，并通过熵的运算得到了同样的结果。这样，就使并通过熵的运算得到了同样的结果。这样，就使维恩维恩分布定律分布定律获得了普遍性意义。获得了普遍性意义。按照按照维恩维恩分布定律，辐射强度将随频率的减小而按指数规分布定律，辐射强度将随频率的减小而按指数规律减小。律减小。18991899年年2

9、 2月月3 3日，日，卢默尔卢默尔和和普林斯海姆普林斯海姆在一份报告中说，在一份报告中说，他们把空腔加热到他们把空腔加热到800K-1000K800K-1000K，得到的能量分布曲线与维恩公，得到的能量分布曲线与维恩公式相符。但是，他们在同年的式相符。但是，他们在同年的1111月月3 3日的另一份报告中又指出日的另一份报告中又指出：“在理论和实验之间确有系统性偏差。在理论和实验之间确有系统性偏差。”并指出，这个公式只并指出，这个公式只在短波区、温度较低时和实验结果符合，而在长波区不符。在短波区、温度较低时和实验结果符合，而在长波区不符。是辐射能密度，是辐射能密度，是频率，是频率，T是温度。是温

10、度。3.瑞利瑞利金斯定律金斯定律 19001900年年6 6月，月，瑞利瑞利提出了两个假设，提出了两个假设，空腔内的电磁辐射形空腔内的电磁辐射形成一切可能形成的驻波，其波节在空腔壁处；成一切可能形成的驻波，其波节在空腔壁处；系统处于热辐系统处于热辐射平衡时，根据能量均分定理，每个驻波平均具有的能量为射平衡时，根据能量均分定理，每个驻波平均具有的能量为kTkT。他根据这两个假设，推导出了另一个辐射能量分布公式，但公他根据这两个假设，推导出了另一个辐射能量分布公式，但公式中错了一个因子式中错了一个因子8 8，后来被金斯于，后来被金斯于19051905年所纠正。公式为：年所纠正。公式为：但但是是，这

11、这一一公公式式却却只只有有在在长长波波区区和和实实验验结结果果符符合合，而而在在短短波波区区不不符符。由由于于辐辐射射能能量量与与频频率率的的平平方方成成正正比比，因因此此当当波波长长接接近近紫紫外外时时，能能量量为为无无限限大大!即即在在紫紫色色端端发发散散。这这一一结结果果后后来被埃伦菲斯特来被埃伦菲斯特(P.EhrenfestP.Ehrenfest)称为称为“紫外灾难紫外灾难”。称为瑞利称为瑞利-金斯辐射定律。金斯辐射定律。瑞瑞利利像像紫外灾难也就是紫外灾难也就是经典物理的灾难！经典物理的灾难！但但瑞利、金斯瑞利、金斯两人得出的两人得出的共识，是根据经典物理的理论共识，是根据经典物理的理

12、论严密推导的，瑞利和金斯也是严密推导的，瑞利和金斯也是物理学界公认的治学严谨的人，物理学界公认的治学严谨的人，理论值与实验值在短波区的北理论值与实验值在短波区的北辙南辕，揭示了经典物理学面辙南辕，揭示了经典物理学面临的严重困难，使人们不得不临的严重困难，使人们不得不称之为称之为“紫外灾难紫外灾难”。二二.普朗克普朗克的研究的研究 1.普朗克普朗克(1858-1947)诞生在德国，其父在慕尼黑大学诞生在德国，其父在慕尼黑大学任教，中学毕业后，踌躇于物理、数任教，中学毕业后，踌躇于物理、数学和音乐之间，学和音乐之间，18741874年考入慕尼黑大年考入慕尼黑大学数学系，因为爱好又转向物理，他学数学

13、系，因为爱好又转向物理，他的老师的老师约里约里(P.Jolly)劝他不要选物劝他不要选物理，但普朗克选了物理并于理，但普朗克选了物理并于18791879年获年获得博士学位。得博士学位。18801880年起先后在慕尼黑年起先后在慕尼黑大学和麦基尔大学任教。大学和麦基尔大学任教。18881888年柏林年柏林大学任命他为大学任命他为基尔霍夫的继任人基尔霍夫的继任人和为他新设立的理论物理研究所所长。在此和为他新设立的理论物理研究所所长。在此岗位一直工作到退休。岗位一直工作到退休。1894年当选为普鲁士皇家科学院院士，年当选为普鲁士皇家科学院院士，1918年被选为英国皇家学会会员，年被选为英国皇家学会会

14、员，1930-1937年任威廉皇帝协年任威廉皇帝协会会长。会会长。1918年因发现能量子获得诺贝尔物理学奖。年因发现能量子获得诺贝尔物理学奖。2.普朗克的内插公式普朗克的内插公式 普朗克将代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的实验结普朗克将代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的实验结果结合在一起，得到普朗克辐射定律：果结合在一起，得到普朗克辐射定律：当当00，即在长波范围，即在长波范围，普朗克定律普朗克定律变为变为瑞利瑞利金斯公式。金斯公式。当当，即在短波范围，又与，即在短波范围，又与维恩定律维恩定律一致。一致。鲁本斯鲁本斯得知这一公式后，立即把自己的实验结果和理论得知这一公式后，立即把自己的

15、实验结果和理论曲线相比较，完全符合。于是两人于曲线相比较，完全符合。于是两人于19001900年年1010月月1919日向德国日向德国物理学会做了报告。物理学会做了报告。题目是题目是维恩光谱方程的改进维恩光谱方程的改进。MM 维恩线维恩线瑞利金斯线瑞利金斯线普朗克线普朗克线实验结果实验结果紫外紫外灾难灾难3.普朗克的能量子假设普朗克的能量子假设 普朗克普朗克作为一理论物理学家，他不满足于找到一个经验作为一理论物理学家，他不满足于找到一个经验公式，普朗克写道公式，普朗克写道:“即使这个新的辐射公式证明是绝对精确即使这个新的辐射公式证明是绝对精确的，但若仅仅是一个侥幸揣测出来的公式，它的价值也只能

16、的，但若仅仅是一个侥幸揣测出来的公式，它的价值也只能是有限的。因此从是有限的。因此从10月月19日提出这个公式开始，我就致力于日提出这个公式开始，我就致力于找出这个公式的真正物理意义。这个问题使我直接去考虑熵找出这个公式的真正物理意义。这个问题使我直接去考虑熵和几率之间的关系，也就是说把我引到了波尔兹曼的思想。和几率之间的关系，也就是说把我引到了波尔兹曼的思想。”插曲：插曲：最初最初普朗克普朗克并不同意并不同意玻耳兹曼玻耳兹曼的统计观点，曾经跟的统计观点，曾经跟波尔兹曼进行过论战。但是，普朗克经过几个月的努力，没波尔兹曼进行过论战。但是，普朗克经过几个月的努力，没有从热力学的普遍理论推出新的辐

17、射定律，后来只好用波尔有从热力学的普遍理论推出新的辐射定律，后来只好用波尔兹曼的热力学几率理论进行尝试。从而导出普朗克辐射公式。兹曼的热力学几率理论进行尝试。从而导出普朗克辐射公式。普朗克量子假说普朗克量子假说 辐射黑体中分子和原子的振动可视辐射黑体中分子和原子的振动可视为线性谐振子，这些线性谐振子可以发为线性谐振子，这些线性谐振子可以发射和吸收辐射能。这些谐振子只能处于射和吸收辐射能。这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态下，谐振某些分立的状态，在这些状态下，谐振子的能量不能取任意值，只能是某一最子的能量不能取任意值，只能是某一最小能量小能量 的整数倍。的整数倍。对频率为对频率为 的的

18、谐振子谐振子,最小能量最小能量 为为:n为整数，为整数，称为称为量子量子数数 称为能量子称为能量子能量不连续，只能量不连续，只能取某一最小能能取某一最小能量的整数倍量的整数倍!普朗克根据黑体辐射的数据计算出常数普朗克根据黑体辐射的数据计算出常数h值：值：h=6.6510-34焦耳焦耳秒秒普朗克从普朗克从这些假设出发可以得到他的这些假设出发可以得到他的黑体辐射公式：黑体辐射公式：h普朗克常数普朗克常数 ，就好象，就好象普罗米修斯普罗米修斯从天上引来的一粒从天上引来的一粒火种，使人们从传统思想的束缚下获得了解放火种，使人们从传统思想的束缚下获得了解放!黑体辐射，光黑体辐射，光电效应，原子光谱，康普

19、顿效应等都是普朗克假说的发展结电效应，原子光谱，康普顿效应等都是普朗克假说的发展结果，是经典物理所不能解释的。果，是经典物理所不能解释的。普朗克的矛盾普朗克的矛盾 普朗克普朗克的能量子假说，对能量连续的观点形成了严重冲击，的能量子假说，对能量连续的观点形成了严重冲击，人们只承认普朗克公式，却不接受他的能量子假说。就连普朗人们只承认普朗克公式，却不接受他的能量子假说。就连普朗克本人也不能正确理解能量子的物理意义。克本人也不能正确理解能量子的物理意义。对此，他的心情非对此，他的心情非常矛盾，一方面直觉告诉他：这个发现不同寻常，另一方面他常矛盾，一方面直觉告诉他：这个发现不同寻常，另一方面他又总想回

20、到经典理论的立场上去。又总想回到经典理论的立场上去。他说：他说：“在将作用量子在将作用量子h引引入理论时，应当尽可能保守从事；这就是说，除非业已表明绝入理论时，应当尽可能保守从事；这就是说，除非业已表明绝对必要，否则不要改变现有理论。对必要，否则不要改变现有理论。”1911年普朗克认为只是在发射过程中才是量子化的，而吸年普朗克认为只是在发射过程中才是量子化的，而吸收则完全是连续进行的。到了收则完全是连续进行的。到了1914年，干脆取消了量子假说年，干脆取消了量子假说（0 0），认为发射过程也是连续的。但一次一次的失败使，认为发射过程也是连续的。但一次一次的失败使他最终放弃了自己的倒退立场。为此

21、他百感交集他最终放弃了自己的倒退立场。为此他百感交集：“为了使作为了使作用量子能以某种方式容入经典理论中，我花了几年的时间（一用量子能以某种方式容入经典理论中，我花了几年的时间（一直到直到1915年），它们耗费了我大量的精力。年），它们耗费了我大量的精力。现在我懂得了现在我懂得了一件事实，基本作用量子在物理学中所起的作用远比我最初设一件事实，基本作用量子在物理学中所起的作用远比我最初设想的要深刻的多。想的要深刻的多。”由由于于在在玻玻尔尔兹兹曼曼影影响响下下，于于1900年年12月月14日日，普普朗朗克克明明确确提提出出了了能能量量子子概概念念，并并指指出出每每个个能能量量子子的的能能量量E与

22、与频频率率成成正正比比，这这一一天天，被被称为称为量子力学的诞生日。量子力学的诞生日。紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的的 量量 子子 假假 说说普朗克于普朗克于1918年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。这这个个发发现现将将人人类类的的观观念念不不仅仅是是有有关关经经典典科科学学的的观观念念，而而且且是是有有关关通通常常思思维维方方式式的的观观念念的的基基础础砸砸得得粉粉碎碎。玻玻尔尔普普朗朗克克像像紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的的 量量 子子 假假 说说一一.光电效应光电效应 1光电效应光电效应 2光电效应的有关规律光电效应的有关规律 3爱因斯坦的光量子假设爱因

23、斯坦的光量子假设 4光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用 5光子的质量、动量和能量光子的质量、动量和能量二二.康普顿效应康普顿效应 1康普顿散射康普顿散射 2康普顿关系康普顿关系 3康普顿散射的光量子解释康普顿散射的光量子解释 4康普顿成功的因素康普顿成功的因素 10.2 光电效应和光电效应和爱因斯坦爱因斯坦光量子理论光量子理论1.1.光电效应的发现光电效应的发现 18871887年年赫兹赫兹发现了发现了光电效应。光电效应。当时赫兹在验证麦克撕韦的当时赫兹在验证麦克撕韦的电磁理论的火花放电实验时，意外发现：如果接收电磁波的电电磁理论的火花放电实验时，意外发现：如果接收电磁波的电

24、极受到紫外线照射，火花放电就变的容易产生。并将这一现象极受到紫外线照射，火花放电就变的容易产生。并将这一现象发表于论文发表于论文紫外线对放电的影响紫外线对放电的影响。18881888年，德国物理学家年，德国物理学家霍尔瓦克斯霍尔瓦克斯(HallwachsHallwachs)证实，这证实，这是由于放电间隙内出现了荷电体的缘故。是由于放电间隙内出现了荷电体的缘故。18991899年，年，J.J.J.J.汤姆逊汤姆逊测出产生的光电流的荷质比，结果与测出产生的光电流的荷质比，结果与阴极射线粒子的荷质比相近，说明产生的光电流和阴极射线一阴极射线粒子的荷质比相近，说明产生的光电流和阴极射线一样是电子流。样

25、是电子流。一、光电效应一、光电效应金属金属 于是得出结论：于是得出结论：光照射到光照射到金属表面使金属内部的自由电金属表面使金属内部的自由电子获得更大的动能，因而从金子获得更大的动能，因而从金属表面逸出。属表面逸出。但是但是:截止电压的发现：截止电压的发现：1899189919021902年，勒纳德为了研究光电子从金属表面逸出时年，勒纳德为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量，在两电极间加上可调节的反向电压，直到使所具有的能量，在两电极间加上可调节的反向电压，直到使光电流截止。从反向电压的截止值推算出逸出电子的最大速光电流截止。从反向电压的截止值推算出逸出电子的最大速度。但在这一研究的过程

26、中度。但在这一研究的过程中发现逸出电子的能量与光的强度发现逸出电子的能量与光的强度无关。无关。截止频率的发现：截止频率的发现：勒纳德进一步实验发现，光电效应的产生还与入射光的勒纳德进一步实验发现，光电效应的产生还与入射光的频率有关，当光的频率小于某一值时，无论光强多大，光电频率有关，当光的频率小于某一值时，无论光强多大，光电效应都不能产生，只有大于临界值时，光电效应才会发生。效应都不能产生，只有大于临界值时，光电效应才会发生。光电效应的瞬时性：光电效应的瞬时性：不管光强多小，只要频率大于临界值，就立即产生光电不管光强多小，只要频率大于临界值，就立即产生光电效应。效应。2.2.光电效应的有关规律

27、光电效应的有关规律阳阳极极阴阴极极石英窗石英窗光电效应实验及装置图光电效应实验及装置图勒纳德的解释：勒纳德的解释：19021902年他提出触发假说：电子原本就是以某年他提出触发假说：电子原本就是以某一速度在原子内部运动，光照到原子上，当光的频率与电子一速度在原子内部运动，光照到原子上，当光的频率与电子本身的振动频率一致时本身的振动频率一致时发生共振发生共振，原子就以其自身的速度从，原子就以其自身的速度从原子内部逸出。原子内部逸出。经典理论遇到的困难经典理论遇到的困难 经典理论认为，经典理论认为，产生的光电子的初动能应与入射光的强度产生的光电子的初动能应与入射光的强度成正比。但实验表明成正比。但

28、实验表明,光电子的初动能与入射光强无关。光电子的初动能与入射光强无关。根据经典波动理论，根据经典波动理论，只要入射光达到足够的能量只要入射光达到足够的能量(可用增可用增加光强度和光照时间的方法获得加光强度和光照时间的方法获得)，便可使自由电子获得，便可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。率限制。与实验结果相矛盾。从经典波动理论观看，从经典波动理论观看，光电子的产生需要一定时间的能光电子的产生需要一定时间的能量积累。但实验结果表明光电子的产生是瞬时的。量积累。但实验结果表明光电子的产生是瞬时的

29、3.3.爱因斯坦的光量子假说的提出爱因斯坦的光量子假说的提出 19051905年年6 6月、月、19061906年年3 3月、月、1111月，爱因斯坦连续发表了三月，爱因斯坦连续发表了三篇论文篇论文关于光的产生和转化的一个启发性观点关于光的产生和转化的一个启发性观点论光的论光的产生与吸收产生与吸收普朗克的辐射和比热理论普朗克的辐射和比热理论。他在论文中指。他在论文中指出：出：“当人们把用连续空间函数进行运算的光的理论应用到当人们把用连续空间函数进行运算的光的理论应用到光的产生和转化的现象上去时，这个理论会导致和经验矛盾。光的产生和转化的现象上去时，这个理论会导致和经验矛盾。如果用光的能量在空

30、间中不是连续分布的这种假设来解释，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假设来解释，似乎就更好理解。似乎就更好理解。按照这种假设，从点光源发出的光束的能按照这种假设，从点光源发出的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间中，而是量在传播中不是连续分布在越来越大的空间中，而是由个数由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个的被吸收或产生出来运动，但不能再分割，而只能整个的被吸收或产生出来。”19091909年年9 9月又在德国自然科学协会上作了相关报告。月又在德国自然科学协会上作了相关报告。

31、1 1）内容）内容 光不仅在发射和吸收时以能量为光不仅在发射和吸收时以能量为h 的微粒形式出现，而的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为频率为 的的光是由大光是由大量能量为量能量为 =h=h 光量子组成的粒子流，这些光子沿光的传光量子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速播方向以光速 c c 运动运动。（2 2）爱因斯坦光电效应方程）爱因斯坦光电效应方程 在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功消耗在电子逸出功A A，另一部分变为光电子的动能，另一部分变为光电子的

32、动能 E Ek k0 0。由能由能量守恒可得出：量守恒可得出：式中：式中：A A为电子逸出金属表面所需作的功，称为逸出功；为电子逸出金属表面所需作的功，称为逸出功；为光电子的最大初动能。为光电子的最大初动能。美国实验物理学家美国实验物理学家密立根密立根(R.A.Millikan)，开始不接受开始不接受爱因斯坦爱因斯坦的观点，试图从实验上否定光量子理论，他从的观点，试图从实验上否定光量子理论，他从19051905年起，花了十年时间，利用巧妙而复杂的装置，做了大量实年起，花了十年时间，利用巧妙而复杂的装置，做了大量实验，结果做成了验，结果做成了“光电效应光电效应”实验，检验了爱因斯坦方程，实验，检

33、验了爱因斯坦方程，其其h 的值与理论值完全一致，从而证明了的值与理论值完全一致，从而证明了“光量子光量子”理论的理论的正确。密立根在他正确。密立根在他19491949年为爱因斯坦年为爱因斯坦7070寿辰所发贺词中说：寿辰所发贺词中说：“在我的一生中我花了十年的时间检验爱因斯坦方程，结果在我的一生中我花了十年的时间检验爱因斯坦方程，结果和我所有的预期相反，在和我所有的预期相反，在19151915年我不得不宣布它毫不含糊的年我不得不宣布它毫不含糊的实验鉴定，尽管它似乎和我所知道的光的干涉的每一件事都实验鉴定，尽管它似乎和我所知道的光的干涉的每一件事都相违而不合常理。相违而不合常理。”（3 3）光电

34、效应理论的验证）光电效应理论的验证 这一结果使这一结果使爱因斯坦爱因斯坦 “因对理论物理所做的贡献，特因对理论物理所做的贡献，特别是发现了光电效应定律别是发现了光电效应定律”获获19211921年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。密立根密立根 “因测量基本电荷和研究光电效应因测量基本电荷和研究光电效应”获获19231923年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。密立根光电效应实验装置图密立根光电效应实验装置图外光电效应外光电效应 由于金属表面的电子吸收外界的光子，由于金属表面的电子吸收外界的光子，克服金属的束缚而逸出金属表面的现象。克服金属的束缚而逸出金属表面的现象。内光电效应内光电效应 由于半导

35、体表面的电子吸收外界的光子，由于半导体表面的电子吸收外界的光子，使其导电性能增强的现象。使其导电性能增强的现象。可以用于自动控制，自动可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟计数、自动报警、自动跟踪等。踪等。4.4.4.4.光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用1.1.光控继电器光控继电器可对微弱光线进行放大，可对微弱光线进行放大，可使光电流放大可使光电流放大10105 510108 8 倍，灵敏度高，用在工程、倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。天文、科研、军事等方面。2.2.光电倍增管光电倍增管放大器放大器控

36、制机构控制机构 康普顿效应进一步证实了光量子理论的正确性。康普顿效应进一步证实了光量子理论的正确性。1918年美国物理学家康普顿年美国物理学家康普顿(A.H.Compton)开始研究开始研究X射射线的散射，线的散射，1922年，他把年，他把X射线投射到石墨上，以观察被散射射线投射到石墨上，以观察被散射后的后的X射线，射线，发现其中有两种不同的频率成分：一种频率与入发现其中有两种不同的频率成分：一种频率与入射线相同，另一种频率则低于入射线。按照经典理论，散射过射线相同，另一种频率则低于入射线。按照经典理论，散射过程不会改变入射线的频率。程不会改变入射线的频率。1923年康普顿利用爱因斯坦年康普顿

37、利用爱因斯坦1916年提出的光量子的动量表达式，对光子与电子的碰撞过程应用年提出的光量子的动量表达式，对光子与电子的碰撞过程应用质能守恒和动量守恒定律，圆满解释了实验结果。质能守恒和动量守恒定律，圆满解释了实验结果。英国物理学家威尔逊英国物理学家威尔逊(C.T.R.Wilson)用自己发明的用自己发明的“云云室室”发现了这些反冲电子。发现了这些反冲电子。康普顿因发现康普顿效应、威尔逊康普顿因发现康普顿效应、威尔逊“因发现用蒸汽凝聚因发现用蒸汽凝聚观察电子粒子轨迹的方法观察电子粒子轨迹的方法”分享了分享了1927年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。二、康普顿效应二、康普顿效应1.康普顿效应的

38、发现和研究过程康普顿效应的发现和研究过程 19201920年秋，麦基尔大学的格雷年秋，麦基尔大学的格雷(G.A.GrayG.A.Gray)研究研究X X射线散射线散射时首先发现射时首先发现X X射线散射后波长的改变。射线散射后波长的改变。当时康普顿正在从事当时康普顿正在从事射线的研究，他立即用射线的研究，他立即用X X射线做散射线做散射实验，并将所得的结果写成论文射实验，并将所得的结果写成论文二次二次X X射线的软化射线的软化发表发表在在自然自然杂志上。但是他认为二次杂志上。但是他认为二次X X射线的软化，是由于辐射线的软化，是由于辐射的性质发生了变化，射的性质发生了变化，“我的结论是：这一变

39、化激发了某种我的结论是：这一变化激发了某种荧光射线，其波长略大于入射射线。荧光射线，其波长略大于入射射线。”为了解释这一现象，为了解释这一现象，康普顿花费了心血，康普顿花费了心血，19611961年他曾回忆说：年他曾回忆说：“从从19171917年开始，年开始，我花了五年的时间，企图调和我花了五年的时间，企图调和X X射线散射强度分布实验和射线散射强度分布实验和J.J.J.J.汤姆逊关于这一现象的电子理论，但都没有成功。汤姆逊关于这一现象的电子理论，但都没有成功。”19231923年，康普顿将爱因斯坦的光量子论运用到散射问题，年，康普顿将爱因斯坦的光量子论运用到散射问题，终于解释了这一现象，并

40、将论文终于解释了这一现象，并将论文X X射线受轻元素散射的量射线受轻元素散射的量子理论子理论发表在发表在物理评论物理评论上。上。康普顿效应的实验康普顿效应的实验1、实验装置、实验装置 1926年年康普顿观量了康普顿观量了X射线沿各方向的散射波射线沿各方向的散射波,发现在发现在散射光线中有波长散射光线中有波长大于入射光波长的现象大于入射光波长的现象 。康普顿效应康普顿效应光栏光栏石墨石墨晶体晶体KA-X射射线线源源 探测器探测器式中：式中：称为康普顿波长，它表示散射称为康普顿波长，它表示散射角为角为9090o o时，散射波长改变的值。时，散射波长改变的值。2 2、康普顿散射的康普顿散射的实验规律

41、实验规律(1)在散射光线中有与入射光波长相同在散射光线中有与入射光波长相同的射线也有波长的射线也有波长大于入射光的射线大于入射光的射线;(2)在原子量较小的物质中，在原子量较小的物质中，康普顿散康普顿散射较强。对射较强。对原子量较大的物质，原子量较大的物质，康普顿康普顿散射较弱散射较弱;(4)在同一散射角下，所有散射物质波在同一散射角下，所有散射物质波长的改变长的改变 都是相同的。都是相同的。IIII(3)波长的改变量波长的改变量 随散射角随散射角 的增加的增加而增加而增加;X 射线光子与电子的碰撞射线光子与电子的碰撞3 3、康普顿效应的理论解释、康普顿效应的理论解释(1)(1)碰撞前碰撞前*

42、电子电子*光子光子能量能量动量动量(2)(2)碰撞后碰撞后*光子光子 能量能量动量动量能量能量动量动量*电子电子 能量能量动量动量 e碰撞过程中能量守恒碰撞过程中能量守恒碰撞过程中动量守恒碰撞过程中动量守恒消去消去 与与v v 可得可得,散射使波长的改变量为散射使波长的改变量为康普顿散射波长康普顿散射波长 e4 4 康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义(1)(1)进一步确认了光的粒子性，及关系式进一步确认了光的粒子性，及关系式正确性正确性(2)(2)确认了动量守恒定律与能量守恒定律在确认了动量守恒定律与能量守恒定律在 微观粒子相互作用中的正确性。微观粒子相互作用中的正确性。注意几点注意几点

43、散射光中有与入射光相同的波长的射线，是由于光子与散射光中有与入射光相同的波长的射线，是由于光子与原子碰撞，原子质量很大，光子碰撞后，能量不变，散射原子碰撞，原子质量很大，光子碰撞后，能量不变，散射光频率不变。光频率不变。在重原子中，内层电子比轻原子多，而内层电子束缚很紧，在重原子中，内层电子比轻原子多，而内层电子束缚很紧，所以原子量大的物质，康普顿效应比原子量小的弱。所以原子量大的物质，康普顿效应比原子量小的弱。当当=0 时，光子频率保持不变；时，光子频率保持不变；=时，光子频率时，光子频率减小最多。减小最多。散射波长改变量散射波长改变量 的数量级为的数量级为 10-12m，对于可见光对于可

44、见光波长波长 10-7m，Ek，则原子将放出一个光，则原子将放出一个光子，子，其频率：其频率：将定态能量代入跃迁公式，即得氢光谱规律公式：将定态能量代入跃迁公式，即得氢光谱规律公式：从而使氢光谱的谱线规律很自然的得到解释。从而使氢光谱的谱线规律很自然的得到解释。由定态跃迁原理由定态跃迁原理通过运用经典力学的计算和引入量子条通过运用经典力学的计算和引入量子条件，玻尔推出了原子的玻尔半径大小件，玻尔推出了原子的玻尔半径大小a，并得到了定态能量，并得到了定态能量En。氢光谱的巴尔末线系氢光谱的巴尔末线系氢光谱能级图氢光谱能级图赖曼系赖曼系巴尔末系巴尔末系帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系1.1.匹克林谱线

45、的观测：匹克林谱线的观测：1896-1897年间，美国天文学家皮克林年间，美国天文学家皮克林(E.C.Pickering)在船舻座在船舻座星的光谱中发现一个很象巴尔末系的线系，这个星的光谱中发现一个很象巴尔末系的线系，这个线系中每隔一条谱线和巴尔末系的谱线重合。里德伯得出这线系中每隔一条谱线和巴尔末系的谱线重合。里德伯得出这个线系符合带有半整数的巴尔末频率公式。个线系符合带有半整数的巴尔末频率公式。玻尔指出，玻尔指出，皮克林系的频率公式中不应包含有半整数，皮克林系的频率公式中不应包含有半整数，而应都取整数，只是其而应都取整数，只是其里德伯常数为氢的里德伯常数为氢的4 4倍，倍，并认为这些谱并认

46、为这些谱线线是电离了的氦原子发射的。是电离了的氦原子发射的。19131913年给卢瑟福去信，请求他要求光谱学家否勒年给卢瑟福去信，请求他要求光谱学家否勒(A.FowlerA.Fowler)检验这种氦假说。由于否勒不太相信这种说法，检验这种氦假说。由于否勒不太相信这种说法，卢瑟福就请卢瑟福就请伊万斯伊万斯作这一实验，作这一实验，伊万斯在一个玻璃管中充入伊万斯在一个玻璃管中充入极纯的氦气，得到了匹克林谱线极纯的氦气，得到了匹克林谱线。否勒又提出，就这些谱线而言，其里德伯常数并不精确否勒又提出，就这些谱线而言，其里德伯常数并不精确等于氢的等于氢的4 4倍。玻尔回答说，这个微小的差别产生于氦原子核倍。

47、玻尔回答说，这个微小的差别产生于氦原子核的不可忽略的运动。的不可忽略的运动。3.玻尔理论的验证：玻尔理论的验证：2.2.玻尔预言的氢光谱的其它线系的陆续发现玻尔预言的氢光谱的其它线系的陆续发现，如如T.T.赖赖曼于曼于19141914年发现在紫外区的赖曼系。年发现在紫外区的赖曼系。灯灯灯灯丝丝丝丝栅栅栅栅极极极极板板板板极极极极实验原理：实验原理：充有低压水银蒸充有低压水银蒸汽的玻璃管，电子与汞原子碰撞，汽的玻璃管，电子与汞原子碰撞，使汞原子吸收电子能量而激发。使汞原子吸收电子能量而激发。原子吸收的能量是不连续的。原子吸收的能量是不连续的。K、G1 之间加正向电压，电子之间加正向电压，电子在在

48、 E 作用下向作用下向 G 运动。运动。G2、P 之间加反向电压，电子穿过之间加反向电压，电子穿过 G2 达到达到 P 形成电流形成电流,作作IP U0 图。图。3.3.夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验:J.J.夫兰克和夫兰克和G.G.赫兹通过碰撞测出原子赫兹通过碰撞测出原子的的“电离能电离能”，玻尔指出这是原子的，玻尔指出这是原子的“激发能激发能”，由此可以，由此可以肯定地证明原子定态的存在。肯定地证明原子定态的存在。从而验证了玻尔理论的正确性。从而验证了玻尔理论的正确性。设汞原子基态能量为设汞原子基态能量为E E1 1，第一激发态第一激发态为为E E2 21.当当电子动能电子动能EkE2-E

49、1 电子电子Ek随着随着U0的增加而增加，电子和的增加而增加，电子和HgHg原子产生弹性碰撞，原子产生弹性碰撞，电子由于无能量损失，能克服遏止电压作用到达极板电子由于无能量损失，能克服遏止电压作用到达极板P形成电形成电流，所以流，所以I IP P增加。直到增加。直到Ek=2（E2-E1）。）。即即U U0 0EkvIp4.4.当当Ek=2（E2-E1）时时 电子第二次使电子第二次使 Hg 原子激发后能量减小，不足以克服原子激发后能量减小，不足以克服G2-P间的反压到达极板间的反压到达极板P P，所以电流又减小至谷底。，所以电流又减小至谷底。HgHg 原子第二次原子第二次从从E1 E2 电子电子

50、EkvIp第二个波峰第二个波峰5.5.依次类推依次类推6.6.HgHg原子第一激发态与基态能量之差原子第一激发态与基态能量之差:E2-E1=4.9eV7 7.实验中可观察到光环，受激实验中可观察到光环，受激 Hg Hg 原子从高能态跳回低能态放原子从高能态跳回低能态放出光子。出光子。从而验证了原子能级的存在。从而验证了原子能级的存在。4.4.玻尔理论的历史地位和缺陷玻尔理论的历史地位和缺陷1.1.玻尔理论的历史地位玻尔理论的历史地位 波波尔尔将将量量子子推推进进到到原原子子物物理理学学中中，提提出出了了电电子子角角动动量量的的量量子子化化条条件件和和量量子子跃跃迁迁理理论论，解解决决了了原原子