物理与文化物理与文化物理与文化 (30).pdf

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1、第五讲：无处不在的波2光电效应光电效应当当光照射光照射到一块金属表面上时，立即有到一块金属表面上时，立即有电子电子从表面从表面逃逸出来逃逸出来光的波粒二重性3波动光学的解释：波动光学的解释：电磁波对束缚在金属表面的电子施加一个振电磁波对束缚在金属表面的电子施加一个振动力，摇晃这些电子，直到一些结合松散的电子被摇动力，摇晃这些电子，直到一些结合松散的电子被摇下来。下来。光的波粒二重性4电磁波电子解释似乎可信，但也出现两个麻烦解释似乎可信，但也出现两个麻烦:首先首先，光电效应，光电效应是瞬时发生的是瞬时发生的光照射到金属表面，光照射到金属表面，立刻立刻有有大量电子被激发出来，甚至大量电子被激发出来

2、，甚至有的能量还比较大，运动速有的能量还比较大，运动速度很快。度很快。光的波粒二重性5其次其次，入射光的频率有一个最小阈值（相当于波长有一个最大的，入射光的频率有一个最小阈值（相当于波长有一个最大的阈值）阈值）小于阈值的光，不论它的强度多么大，也不论照射多长时间，小于阈值的光，不论它的强度多么大，也不论照射多长时间，都打不出电子来。都打不出电子来。反之，频率高于阈值的光，即使强度相当地弱，也能立即打反之，频率高于阈值的光，即使强度相当地弱，也能立即打出电子。出电子。与波动图像解释矛盾与波动图像解释矛盾光的波粒二重性6普朗克假定普朗克假定：物体在向外辐射能量（即电磁波）时，物体在向外辐射能量（即

3、电磁波）时，不能连续地辐射，只能以分立的形式一不能连续地辐射，只能以分立的形式一份份进行份份进行。光的波粒二重性1900年12月14日能量的最小单元E0决定于波的频率0Eh一份份交换的电磁辐射能量 E 就是,1,2,3Enh n普朗克（M.Planck,1858-1947）78受普朗克受普朗克量子化量子化的思想的启发，的思想的启发，1905年，爱因斯坦发表了论年，爱因斯坦发表了论文文光的产生和转化的一个启发性观点光的产生和转化的一个启发性观点假定光的能量也是量子化的，光辐射以一个个小包、小粒子的假定光的能量也是量子化的，光辐射以一个个小包、小粒子的形式出现，形象地称为光量子，后被称为形式出现，

4、形象地称为光量子，后被称为光子光子。光的波粒二重性Albert Einstein won the 1921 Nobel Prize for Physics(awarded in 1922)for his explanation of the photoelectric effect.13日到达上海时，瑞典驻上海总领事正式通知爱因斯坦获得诺贝尔奖光的波粒二重性9爱因斯坦爱因斯坦：辐射能在本质上就是一份一份不连续的辐射能在本质上就是一份一份不连续的，不论是在原子发射不论是在原子发射、吸收它们的时候吸收它们的时候，还是在还是在传播过程中传播过程中，都是一份一份的都是一份一份的。爱因斯坦称之爱因斯坦称

5、之为为光量子光量子。光的波粒二重性10对光电效应的解释：对光电效应的解释：光子像子弹一样落在金属表面，光子像子弹一样落在金属表面，立即打出电子。每个光子的能量立即打出电子。每个光子的能量只与光波的频率相关只与光波的频率相关满足能量守恒定律满足能量守恒定律:光子能量光子能量 打出的电子动能逸出功打出的电子动能逸出功光的波粒二重性11Eh212hmvA12光的波粒二重性光量子理论遭受到冷遇 没有得到实验的精确验证 传统观念的束缚1914年，密立根从实验上验证了光电方程的正确性。获得1923年诺贝尔物理学奖。密立根严谨作风和实事求是的科学态度13光的波粒二重性1909年，爱因斯坦 论我们关于辐射本质

6、和结构的观点的发展“我认为，理论物理学发展的最近一个阶段，将给我们提供一种光的理论，这一理论可以被理解为波动理论和微粒说的一种统一”“波粒二象性”（wave-partical duality）1916年，爱因斯坦 关于辐射的量子理论hpEh如何理解波粒二重性？如何理解波粒二重性？光子是微观世界的客观存在，在宏观世界永远找不到它光子是微观世界的客观存在，在宏观世界永远找不到它对应的具体图像。测量它通过小孔的对应的具体图像。测量它通过小孔的传播传播特征时，就表特征时，就表现出连续特征的波动图像；当测量它现出连续特征的波动图像；当测量它与物质相互作用与物质相互作用时，时，就表现出经典的粒子特性。就表现出经典的粒子特性。光的波粒二重性14人们经常使用“双重影象”来人们经常使用“双重影象”来帮助理解帮助理解微观粒子波粒二重性微观粒子波粒二重性少女？老妇？光的波粒二重性15162015年国际光年2015年距离阿拉伯学者海塞木（Ibn Al-Haytham）的五卷本光学著作诞生恰好一千年。1815年菲涅尔提出的光波概念、1865年麦克斯韦提出的光电磁传播理论、1905年爱因斯坦的光电效应理论和1915年通过广义相对论将光列为宇宙学的内在要素，1965年彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景、高锟提出光纤通信等。谢谢大家！谢谢大家！