诺贝尔奖与光学光的量子性
2 m
0 称为截止频率或红限频率
• 光电效应是瞬时发生的
驰豫时间不超过10-9s
im2 im1
·饱和光电流强度 i
光强 i成正比
m
与入射
-Uc
光电效应-实验规律
• 时间分辩:
hv- t - e发射 测不出t (< 10-9 s, 1928年实验 ) 经典电磁理论:需要一定t以积累能量
光电效应的基本规律
• 1899年,J.J.汤姆生用磁场偏转法测光电流 的荷质比,结果与阴极射线一样,于是肯定光 电流也是由电子组成的。光照到金属表面,使 金属表面释放电子,这就是光电效应的本质。 • 1900年,勒纳(P.Lenard,1862—1947)创造了 一种独特的测量方法,使光电效应的研究取得 重要成果。他的办法就是在电极间加一反向电 压,使光电流截止到零,然后从反向电压值推 算出电子逸出金属表面的最大速度。
• 实验结果与经典电磁理论相悖:
• Max Born wrote about Planck: "He was by nature and by the tradition of his family conservative, averse to revolutionary novelties and skeptical towards speculations. But his belief in the imperative power of logical thinking based on facts was so strong that he did not hesitate to express a claim contradicting to all tradition, because he had convinced himself that no other resort was possible."
Nineteenth Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light
• “There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement.” ——From an address to the British Association for the Advancement of Science (1900) “The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds. I. The first came into existence with the undulatory theory of light, and was dealt with by Fresnel and Dr. Thomas Young; it involved the question, how could the earth move through an elastic solid, such as essentially is the luminiferous ether? II. The second is the Maxwell–Boltzmann doctrine regarding the partition of energy.” ——From a 1900, April 27, Royal Institution lecture. Lord Kelvin (William Thomson)
Light–matter interaction
• Low-energy phenomena
– Photoelectric effect
• Mid-energy phenomena
– Thomson scattering – Compton scattering
• High-energy phenomena
• 1887年,H•赫兹(Heinrich Hertz,1857— 1894)在进行电磁波实验时,注意到电极之 间的放电,会受光辐射的影响。 • 1888年,德国物理学家霍耳瓦克斯 (W.Hallwacks)用弧光照射带负电的锌板, 发现锌板上的电荷迅速消失;锌板带正电 则无此现象。 • 俄国的斯托列托夫(Stoletov) 更详细地研究 了光电效应。实验表明负电极在弧光照射 下放出了负电荷,形成了电流。
– 强:表面黑色,粗糙 – 弱:表面明亮,光滑
• 黑体:完全吸收辐射-最大辐射能力-黑 体辐射(理想模型)
– 与材料无关 – 实验实现:空腔
黑体和黑体辐射
• 维恩 (1911 Nobel Prize in Physics, On the Laws of Thermal Radiation)
– 用内壁涂黑、打孔的空腔代替黑体: 光从小孔进入腔内-吸收或多次反 射-从小孔逃逸几率~0(完全吸 收) – 空腔辐射~黑体辐射
From left to right: W. Nernst, A. Einstein, M. Planck, R.A. Millikan and von Laue at a dinner given by von Laue in Berlin on 11 November 1931
光电效应和爱因斯坦的光量子论
人物及获奖时间
获奖原因
玻尔 1922年
for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them 原子结构理论
人物及获奖时间
获奖原因
"for his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect“ 测量电子电荷和光电效应实 验
诺贝尔奖与光学 Nobel Prize and Optics
光的量子性
光量子理论
• 光的粒子性
– 黑体辐射 – 光电效应 – 康普顿散射 – 正负电子的产生和湮灭
• 光的波粒二象性 • 原子的分裂谱线和原子结构
部分与光学有关的诺贝尔奖获得者
人物及获奖时间 获奖原因 in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by 普朗克 his discovery of energy 1918 quanta 能量子 for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery 爱因斯坦 of the law of the photo1921 electric effect 光电效应
光电效应-光电子
光照(紫外光)-金 属-发射电子 实验参数:
光:v, 光强 电流:i, V 材料:不同金属 hv C e V
DC
E
G
E:金属板(光阴级) C:收集电子
光电效应-实验规律
• Uc= K - U0 与入射光强无关
光电子的最大初动能
1 2 m um eU c e K-U 0 2
0
黑体辐射的规律
• 斯忒潘-玻尔兹曼 定律 R (T) = σT4 = 5.6710-8 W/m2K4 • 维恩位移定律 λmax T = C
C=2.898×10-3 m· K 1000K ~ 2.898 μm 6000K ~ 0.5 μm
黑体辐射的规律• 瑞利-金 Nhomakorabea公式8v (T , v)dv 3 dvkT c
Uc(V) 2.0 1.0 Cs Na Ca
im2 im1
0.0 4.0
6.0
-Uc
8.0 10.0 (1014Hz)
• 只有当入射光频率 v大于一定的 频率v0时,才会产生光电 效应
1
U0 m u e ( K U 0 ) Ke Ke 0 K 2
密立根 1923年
威廉· 汤姆逊(开尔文勋爵)
• 在已经建成的科学大厦上,后辈物理学家 只要做一些零碎的修补工作就可以了。 • 在物理学晴朗天空的远处,只有两朵小小 的令人不安的乌云。
《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》 1900年于英国Royal Institution
两朵乌云
• 热辐射实验:紫外灾难 - 量子论 • 迈克耳孙-莫雷实验 :以太? -相对论
• 特征:E(v)
– 连续谱(近似);形状依赖于温度
热辐射
• 特征:E(v)
– T上升, 热辐射功 率增加,vmax增大 (600度,暗红) – 吸收-发射对等: 热平衡下吸收=发 射
E()
E600K E800K E1000K
0
h ( eV )
1
2
黑体和黑体辐射
• 不同物体辐射(吸收)的本领不同
– Pair production
光电效应
• 现象:赫兹Heinrich Hertz(~1887)、勒纳德 (~1900)(Nobel Prize 1905)、汤姆孙 (~1899)(Nobel Prize 1906) • 理论:爱因斯坦 (1905)(Nobel Prize 1921) • 系统实验:密立根(1904-1914)(Nobel Prize 1923)
2
v增大, ρ 无限增大 (紫外灾难)
• 瑞利:(John William Strutt)尊称瑞利男爵三 世(Third Baron Rayleigh), 1904年诺贝尔物 理学奖(在研究一些气体的密度中发现了惰性 气体氩)。