波粒性二象性课件.ppt

1、11、热辐射热辐射2、光电效应、光电效应3、康普顿效应、康普顿效应4、德布罗意波、德布罗意波5、不确定关系、不确定关系2 光是怎样发射和吸收的？在研光是怎样发射和吸收的？在研究黑体辐射实验曲线时，根据波动究黑体辐射实验曲线时，根据波动理论所得到的公式与实验结果有差理论所得到的公式与实验结果有差异。普朗克异。普朗克1900年提出了量子假设，年提出了量子假设，解决了以上矛盾。解决了以上矛盾。1905年爱因斯坦年爱因斯坦假定电磁辐射的能量是由大小为假定电磁辐射的能量是由大小为 的量子组成。物体吸收或发射光的的量子组成。物体吸收或发射光的能量只能是能量只能是 的整数倍。光子具有的整数倍。光子具有能量，

2、还具有动量。光的波粒二象能量，还具有动量。光的波粒二象性。用统一的理论来描述，导致了性。用统一的理论来描述，导致了量子电动力学的诞生。量子电动力学的诞生。hh31、热辐射热辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设热辐射：热辐射：一、基尔霍夫定律：一、基尔霍夫定律：1、单色发射本领：、单色发射本领：单位时间内从物体表面的单位面积上辐射，波长范围单位时间内从物体表面的单位面积上辐射，波长范围 的电磁波能量为的电磁波能量为ddE ddEe 称为单色发射本领称为单色发射本领 是波长、温度的函数是波长、温度的函数总发射本领总发射本领 d0 eE温度一定，单位时间、单位面积温度一定，单位时间、单位面积电磁波的总

3、能量电磁波的总能量42、物体对电磁波的反射和吸收、物体对电磁波的反射和吸收单色反射率单色反射率 ：对一定波长的波，单位时间、单位：对一定波长的波，单位时间、单位 面积上反射能与入射能之比面积上反射能与入射能之比 r单色吸收率单色吸收率 ：吸收能与入射能之比吸收能与入射能之比 a3、绝对黑体：、绝对黑体：单色吸收率恒为单色吸收率恒为1的物体的物体4、平衡热辐射场：、平衡热辐射场：1A2A0A它们靠发射和吸收交换能量它们靠发射和吸收交换能量a、每个物体，射向该物体的辐射能每个物体，射向该物体的辐射能 必等于离开物体的辐射能必等于离开物体的辐射能 b、空间内各种波长辐射能密度处空间内各种波长辐射能密

4、度处 处均匀稳定处均匀稳定1ar真空容器真空容器5c、单位时间、投射到单位面积、单位时间、投射到单位面积、的辐的辐 射能相等。射能相等。dd、同一点、不同波长区间的辐射能密度不同；同一点、不同波长区间的辐射能密度不同；不同点、相同波长区间的辐射能密度相同不同点、相同波长区间的辐射能密度相同5、单色辐射通量：、单色辐射通量：在上述空间任一个小面积元，单位时间、单位面积、在上述空间任一个小面积元，单位时间、单位面积、单位波长向各个方向辐射（穿过）的物理量单位波长向各个方向辐射（穿过）的物理量uce40u是波长是波长 的场能密度的场能密度66、基尔霍夫定律：、基尔霍夫定律：00eere发射发射 反射

5、反射 辐射辐射01ere0ea0eae002211eeaeaeaeii黑体黑体单色辐射通量单色辐射通量任何物体在某一温度下对于某一波长的单色发射本领和任何物体在某一温度下对于某一波长的单色发射本领和单色吸收率的比值都相同，都等于绝对黑体在同一温度单色吸收率的比值都相同，都等于绝对黑体在同一温度下对同一波长的发射本领。下对同一波长的发射本领。7同温度下两个物体相比，甲对某波长吸收的多，对同同温度下两个物体相比，甲对某波长吸收的多，对同波长发射的多；对某波长不吸收者，也不发射。波长发射的多；对某波长不吸收者，也不发射。对任何波长的辐射能来说，在单位时间内，以单位面对任何波长的辐射能来说，在单位时间

6、内，以单位面积计，绝对黑体发出的和吸收的，都要比同温度的任积计，绝对黑体发出的和吸收的，都要比同温度的任何其他物体多。何其他物体多。AB二、黑体辐射定律：二、黑体辐射定律：吸收很强。吸收很强。温度一定，是平衡热辐射场。温度一定，是平衡热辐射场。小孔处的单色辐射通量就近似为平衡热辐射场的单小孔处的单色辐射通量就近似为平衡热辐射场的单色辐射通量，即为黑体的单色发射本领。色辐射通量，即为黑体的单色发射本领。小孔视为绝对黑体小孔视为绝对黑体800e黑体单色辐射本领黑体单色辐射本领棱镜棱镜平行光管平行光管透透镜镜黑黑体体测定黑体辐射本领测定黑体辐射本领91、斯忒藩、斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律：曲线表

7、示一定温度下单色发射本领依波长分布的情况曲线表示一定温度下单色发射本领依波长分布的情况总发射本领（单位时间、单位面积、对各种波长的总总发射本领（单位时间、单位面积、对各种波长的总辐射能）辐射能）400,0dTEeETTT 理论计算理论计算实验确定实验确定为常数为常数工业用此法测炉温工业用此法测炉温2、维恩位移定律：、维恩位移定律：极值点所对应的波长为极值点所对应的波长为 ，表明波长在，表明波长在 附近附近时，发射本领最大。时，发射本领最大。向短波移动。向短波移动。mmTmbTmb为常数为常数底温炉火发出的光大部分是波长较长的红光底温炉火发出的光大部分是波长较长的红光10可以计算太阳表面的温度可

8、以计算太阳表面的温度三、普朗克量子假设：三、普朗克量子假设：维恩从热力学理论推出了适用于短波区的公式。维恩从热力学理论推出了适用于短波区的公式。瑞利和金斯从电磁场理论和能均分原理导出一个适瑞利和金斯从电磁场理论和能均分原理导出一个适用于长波区公式。用于长波区公式。nhE h为普朗克常数为普朗克常数 n为量子数为量子数振子所吸收或发射的能量是量子化的振子所吸收或发射的能量是量子化的普朗克的量子假设：普朗克的量子假设：绝对黑体腔壁的原子可看作带电的线性谐振子，它们绝对黑体腔壁的原子可看作带电的线性谐振子，它们能够与周围的电磁场交换能量，这些频率为能够与周围的电磁场交换能量，这些频率为 的谐振的谐振

9、子只可能处于某些特殊的状态，在这些特殊的状态上，子只可能处于某些特殊的状态，在这些特殊的状态上，振子的能量是最小能量的整数倍。振子的能量是最小能量的整数倍。11普朗克根据量子假设推得普朗克根据量子假设推得绝对黑体的辐射公式绝对黑体的辐射公式：TkhcTehce1252,12 普朗克后来又为这种与经典物理格格普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相图都以失败而告终之后，他才坚定地相信信h的引入确实反映了新理论的本质。的引入确实反映了新理

10、论的本质。1918年他荣获诺贝尔物理学奖年他荣获诺贝尔物理学奖。他的墓碑上只刻着他的姓名和他的墓碑上只刻着他的姓名和秒尔格 271062.6h13VGRKA+_2、光电效应光电效应一、实验规律：一、实验规律：1、用频率一定的单色光实验、用频率一定的单色光实验sI2IaV0VsII1I142、保持频率一定、增加光强：、保持频率一定、增加光强：a、I随随V的增大而增大的增大而增大,饱和电流饱和电流b、I=0 时所对应的电势差称为遏止电势差时所对应的电势差称为遏止电势差aVaV反映光电子逸出时的最大动能反映光电子逸出时的最大动能eVmva221C、与光强无关与光强无关aV3、与光的频率有关与光的频率

11、有关aVaV0aNaC0V0VKVaK为直线的斜率，是普适为直线的斜率，是普适恒量，对所有金属都一样恒量，对所有金属都一样150V为直线在为直线在 轴上的截距，各金属不同。轴上的截距，各金属不同。aV00221eVekVkemv实验测定实验测定ek即为普朗克常数即为普朗克常数当当 时，无论光强多大，都不会有光电子逸出。时，无论光强多大，都不会有光电子逸出。0只要只要 ，无论光强如何，光电子几乎立刻逸出。，无论光强如何，光电子几乎立刻逸出。00称为金属的红限频率称为金属的红限频率kV00二、波动理论的困难二、波动理论的困难1、电子的逸出功应决定于光强；、电子的逸出功应决定于光强；2、任何频率的光

12、，只要有足够的光强，都应该产生、任何频率的光，只要有足够的光强，都应该产生 光电效应；光电效应；163、电子积累能量需要时间，光电效应不是瞬时的。、电子积累能量需要时间，光电效应不是瞬时的。三、爱因斯坦的光子理论：三、爱因斯坦的光子理论：光是以光速运动的粒子流，这些粒子称为光量子或光子，光是以光速运动的粒子流，这些粒子称为光量子或光子，光子的能量是光子的能量是 。光强决定于单位时间内通过单位面积。光强决定于单位时间内通过单位面积的光子数的光子数N.单色光的光强是单色光的光强是 。光子只能作为一个整。光子只能作为一个整体被发射和吸收。体被发射和吸收。hNhAmvh221光电效应方程光电效应方程0

13、hA 逸出功逸出功00221eVekVkemv171、电子的逸出与频率有关，、电子的逸出与频率有关，2、光强的大小说明光子数的多少，影响到饱和电流。、光强的大小说明光子数的多少，影响到饱和电流。3、光子是一个整体而被电子吸收，不需要时间积累。、光子是一个整体而被电子吸收，不需要时间积累。00 m光子静止质量光子静止质量光子能量光子能量光子动量光子动量 爱因斯坦爱因斯坦“因在数学物理方面的成就，尤其发因在数学物理方面的成就，尤其发现了光电效应的规律现了光电效应的规律”，获得了，获得了1921年诺贝尔物年诺贝尔物理奖。理奖。2chmhE hchmcp 18例：某金属的逸出功为例：某金属的逸出功为A

14、，用频率为用频率为 的光照射该的光照射该 金属能产生光电效应，求金属的红限频率，金属能产生光电效应，求金属的红限频率，问遏止电势差是多少，问遏止电势差是多少101解：解：红限頻率满足红限頻率满足hAAh 00 遏止电势差遏止电势差0VKVa 而而0ehVa所以所以hekhAeV 00 193、康普顿效应康普顿效应一、实验装置和实验结果一、实验装置和实验结果AK+-探测器探测器X射线源射线源光栏光栏石墨石墨晶体晶体1926年康普顿测量了年康普顿测量了各方向的散射光的波各方向的散射光的波长。长。20I0I045I090I0135实验结果表明：随散射角的实验结果表明：随散射角的增大，在一个确定的方向

15、上，增大，在一个确定的方向上，除了有除了有x射线的波射线的波 外，还外，还有波长为有波长为 的射线出射，且的射线出射，且 00随散射角的增大而增大随散射角的增大而增大称为康普顿效应称为康普顿效应nm2sin00241.0220 o21二、波动理论的困难二、波动理论的困难电磁波通过物体时，会使物体中带电粒子作受迫振动，电磁波通过物体时，会使物体中带电粒子作受迫振动，其频率应和入射光的频率相同，向四周辐射电磁波，波其频率应和入射光的频率相同，向四周辐射电磁波，波长也应该一样。长也应该一样。X射线光子与射线光子与“静止静止”的的“自由电子自由电子”弹性碰弹性碰撞撞 碰撞过程中能量与动量守恒碰撞过程中

16、能量与动量守恒 sinsin0coscos02200mvchmvchchmchcmhench 00nch m 三、康普顿的解释三、康普顿的解释22)cos1(00 cmh2sin220 cmh nm2sin002426.022 碰撞后光子失去能量：碰撞后光子失去能量：000 hh康普顿：美国实验物理学家，芝加哥大康普顿：美国实验物理学家，芝加哥大学教授。因发现康普顿效应而获得学教授。因发现康普顿效应而获得1927年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。23例例:波长波长 的的X射线与静止的自由电子碰撞射线与静止的自由电子碰撞.在与入射方向成在与入射方向成 角的方向上观察时角的方向上观察时,散射散射

17、X射线的射线的 波长多大波长多大?反冲电子的动能和动量各如何反冲电子的动能和动量各如何?nm01.00 090解解:ccmh cos100电子的康普电子的康普顿波长顿波长c nmc0124.00 在这一方向上还有波长不变的散射光在这一方向上还有波长不变的散射光反冲电子获得的动能等于入射光子损失的能量反冲电子获得的动能等于入射光子损失的能量 evhchhEk400104.211 24e0h hepxy 如图所示如图所示 hphpee sincos0解之解之 0234438.105.8 smkgpe25光光(波波)具有粒子性具有粒子性一一.德布罗意假设德布罗意假设实物粒子具有波动性实物粒子具有波动

18、性？hmcPhmcE 2电子在电场里加速电子在电场里加速所获得的能量所获得的能量eVmmeVmvmmvpvmeV0000202221 4、德布罗意波、德布罗意波26视为波视为波eVmhphheVcmhE0202 nmvVnmvV01225.0100001.0150 X射线范围射线范围二、实验验证二、实验验证Vmd26.12sin2G镍单晶镍单晶27实验中，实验中，d不变，不变，不不变，观察反射方向电变，观察反射方向电流的变化，只有当流的变化，只有当V满满足布喇格公式时，足布喇格公式时，I是是极大值。极大值。电子通过金多晶薄膜的衍射实验电子通过金多晶薄膜的衍射实验（汤姆逊（汤姆逊1927）VI2

19、8 电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验（约恩逊（约恩逊1961)电子数目少，则出现衍射斑点；电子数目少，则出现衍射斑点；电子数目多，则出现衍射条纹。电子数目多，则出现衍射条纹。三、德布罗意波的统计解释：三、德布罗意波的统计解释：粒子的观点：亮处，粒子的观点：亮处，粒子到达该处的粒子到达该处的几率大几率大，几会多，几会多，可能性大；可能性大；29 暗处，粒子到达该处的几率小，几会少，暗处，粒子到达该处的几率小，几会少，可能性小。可能性小。波的观点波的观点：亮处，干涉加强，亮处，干涉加强，合振幅大，光强大合振幅大，光强大；暗处，干涉消弱，合振幅小，光强小。暗处

20、，干涉消弱，合振幅小，光强小。在某处德布罗意波的在某处德布罗意波的振幅平方振幅平方与该处粒子出现的与该处粒子出现的几率几率成正比成正比例题例题1 1：m=0.01kg，v=300m/s的子弹的子弹mmhph341021.230001.0341063.6 难以测量难以测量 ，“宏观物体只表现出粒子性宏观物体只表现出粒子性”极其微小，宏观物体的波长小得实验极其微小，宏观物体的波长小得实验30 对波粒二象性的理解对波粒二象性的理解(1)(1)粒子性粒子性 “原子性原子性”或或“整体性整体性”不是经典的粒子不是经典的粒子,抛弃了抛弃了“轨道轨道”概概念念(2)(2)波动性波动性“弥散性弥散性”“”“可

21、叠加性可叠加性”“”“干涉干涉”“”“衍射衍射”“”“偏振偏振”具有频率和波矢具有频率和波矢 不是经典的波不是经典的波 不代表实在的物理量的波动不代表实在的物理量的波动31德布罗意：法国理论物理学家，巴黎大学教授，31岁时（1923年）在他的博士论文中提出了物质波的理论，两年后薛定鄂在他的思想基础上创立了波动力学，德布罗意的贡献闻名于世，1927年，电子波动性为实验所证实，他为此而获得诺贝尔物理学奖。325、不确定关系、不确定关系在经典力学中，我们可以通过实验同时测定在经典力学中，我们可以通过实验同时测定质点的位置和动量，对于微观粒子，则不能，质点的位置和动量，对于微观粒子，则不能，也不存在粒

22、子轨道的概念。也不存在粒子轨道的概念。xpxpX光的单缝衍射光的单缝衍射一级暗纹一级暗纹 sinaxpapppx sin33而而xhphpx hpxx 考虑到次级衍射考虑到次级衍射,3,2 mmhpxx hpzhpyhpxzyx 测不准关系测不准关系微观粒子不能同时用确定的位置和确定的动量来描述微观粒子不能同时用确定的位置和确定的动量来描述34例：质量为例：质量为10克的子弹，速度是克的子弹，速度是200米米/秒秒 ，动量的，动量的 不准确量为不准确量为 ，求位置的不确定量。，求位置的不确定量。0001.0smkgmvp/220001.0 解：解：严格的理论给出严格的理论给出光子不确定性关系光子不确定性关系2,2,2 zyxpzpypxsmkgp/10220001.04 mphx30103.3