第二十一章 光的量子性
一 选择题
1. 所谓绝对黑体，是指：（ D ）
A. 不吸收不反射任何光的物体；
B. 不反射不辐射任何光的物体；
C. 不辐射而能全部吸收所有光的物体；
D. 不反射而能全部吸收所有光的物体。
2. 若一黑体的绝对温度增加一倍，则它的总辐射能是原来的： ( C )
A. 4倍
B. 8倍
C. 16倍
D. 32倍
3．用频率为ν的单色光照射某种金属时，逸出光电子的最大动能为E k ；若改用频率为2ν的单色光照射此金属时，则逸出光电子的最大初动能为：( D )
A. 2E k
B. 2h ν - E k
C. h ν - E k
D. h ν + E k
4．光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程。
对此，在以下几种理解中，正确的是： ( C )
A. 两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程。
B. 两种效应都属于电子吸收光子的过程。
C. 光电效应是电子吸收光子的过程，而康普顿效应则相当于光子和自由电子的弹性碰撞过程。
D. 康普顿效应是电子吸收光子的过程，而光电效应则相当于光子和自由电子的弹性碰撞过程。
5．用强度为I ，波长为λ的X 射线分别照射锂(Z = 3)和铁(Z =26)。
若在同一散射角下测得康普顿散射的X 射线波长分别为λLi 和λFe (λLi ，λFe >λ)，它们对应的强度分别为I Li 和I Fe ，则 ( C )
A ．λLi >λF e ，I Li < I Fe
B ．λLi =λFe ，I Li = I Fe
C ．λLi =λFe ，I Li > I Fe
D ．λLi <λFe ，I Li > I Fe
解：因为散射角θ 确定时，波长的增加量∆λ与散射物质的性质无关；原子序数小的散射物质，康普顿散射较强。
故选C 。
6．根据玻尔氢原子理论，氢原子中的电子在第一和第三轨道上运动时速度大小之比v 1 / v 3是： ( C )
A. 1 / 3
B. 1 / 9
C. 3
D. 9
解： 33311==v v mr mr ，，3)3/(/1331==r r v v
7．将处于第一激发态的氢原子电离，需要的最小能量为：( B )
A. 13.6eV
B. 3.4eV
C. 1.5eV
D. 0eV
二 填空题
1. 大爆炸宇宙论预言存在宇宙背景辐射，其温度为
2.7K ，则对应这种辐射的能谱峰值的波长为_1.06mm 。
2. 频率为100MHz 的一个光子的能量是 6.626⨯10-26J ，动量的大小是
2.21⨯10-34kg.m / s 。
3. 在光电效应实验中，测得某金属的截止电压U c
与入射光频率ν的关系曲线如图所示，由此可知该金
属的红限频率ν0 = 5⨯1014 Hz ；逸出功A = 2.1 eV 。
4. 在光电效应中，当频率为3⨯1015 Hz 的单色光照射在逸出功为4.0eV 的金属表面时，金属中逸出的光电子的最大初速率为 1.72⨯106 m /s 。
5. 康普顿散射中，当出射光子与入射光子方向成夹角θ = π 时，光子的频率减少得最多；当θ = 0 时，光子的频率保持不变。
6. 根据玻尔氢原子理论，若大量氢原子处于主量子数n = 5的激发态，则跃迁辐射的谱线可以有 10 条，其中属于巴耳末系的谱线有 3 条。
7．在氢原子光谱的巴耳末系中，波长最长的谱线和与其相邻的谱线的波长比值是:
1.35 解：)141(1
2n R -==λσ，365)3141(12max min R R =-==λσ，163)4141(1
222R R =-==λσ，所以 35.120
272max ==λλ
三 计算题
1. 在加热黑体的过程中，单色辐出度的峰值波长由0.69µm 变化到0.50µm, 其辐出度增加了多少倍？
解：由斯忒蕃——玻耳兹曼定律得
12M M =414
2T T σσ=（41
2)T T 由维恩位移定律得
2
112M M T T λλ=
-14Hz)
故得 4412)50.0/69.0()(2
1==M M M M λλ=3.63 故其辐出度增加了2.63倍。
2. 功率为P 的点光源，发出波长为λ的单色光，在距光源为d 处，每秒钟落在垂直于光线的单位面积上的光子数为多少？若λ=66
3.0nm ，则光子的质量为多少？
解：设光源每秒钟发射的光子数为n ，每个光子的能量为h ν
则由P = n h ν= n h c /λ
得： n = P λ / ( h c )
令每秒钟落在垂直于光线的单位面积的光子数为n 0，则
n 0 = n / S = n / (4πd 2 ) = P λ / (4πd 2 h c )
光子的质量
m = h ν/ c 2 = h c / ( c 2λ) = h / ( c λ) =3.33×10-36kg 。
3. 图中所示为在一次光电效应实验中得出的曲线，（1）求证对不同材料的金属，AB 线的斜率相同。
（2）由图上数据求出普朗克常量h 。
解：（1）由光电效应的爱因斯坦方程：A h m eU -==ν2m e c 21v ，得 c e A h U -=ν 所以AB 线的斜率
)( d d c 恒量h U =ν
由此可知，对不同金属，曲线的斜率相同。
（2）根据曲线的斜率，得到
() J.s 104.6 10
0.50.1000.2 tan 3414-=--==××e e h θ 4. 试证明：静止的自由电子不可能吸收一个光子，即对于自由电子不可能有光电效应。
解：假如静止的自由电子吸收了一个光子，光子的频率为ν，电子的静止质量为m 0，电子吸收光子后的动量为p e ，则根据动量守恒有
e p c
h =ν （1） 而根据能量守恒有
22022e 20)(c m c p c m h +=+ν （2）
将上式两边平方，有
22022e 202202)()(2)()(c m c p c m h c m h +=++νν
利用（1）式得到
0=ν
U Hz) 计算题3图
这要求光子的频率为0，这就证明了静止的自由电子不可能吸收一个光子。
5. 处于基态的氢原子被外来单色光激发后发出的仅有三条谱线，问此外来光的频率为多少？
解：由于发出的光线仅有三条，按
)11( 22n
k cR c -=⋅=σν
当n =3，k =2得一条谱线；当n =3，k =1得一条谱线；当n =2，k =1得一条谱线，可见如果氢原子吸收外来光子后，处于n =3的激发态，发出的谱线将仅有以上三条。
这三条光谱线中，频率最大的一条是 Hz 1092.2)3
111( 1522×=-=cR ν 这也就是外来光的频率。
6. 处于基态的氢原子吸收了一个能量为h ν = 15 eV 的光子后，其电子成为自由电子，求该电子的速率。
解：把一个基态氢原子电离所需最小能量为
E min = 13.6 eV
则根据能量守恒有
2
1 2e min v m E h +
=ν 该电子获得的速度大小为 ()[] m 100.72=51e min ×=-m E h νv。