第二十二章波粒二象性.pptx

第二十二章第二十二章 波粒二象性波粒二象性221热辐射热辐射物体在任一温度下发射从红外线、物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的现象。可见光到紫外线的现象。火火炉炉600度度1000度度400度度因辐射与温度有关，因辐射与温度有关，故称热辐射故称热辐射1、热辐射、热辐射一、基本概念一、基本概念2、黑体、黑体定义：物体的吸收率定义：物体的吸收率黑体模型黑体模型空腔上的小孔空腔上的小孔绝对黑体：绝对黑体：的物体的物体3、辐射出射度（辐出度）、辐射出射度（辐出度）定义：在单位时间内从物体单位表面上所辐射出去的各定义：在单位时间内从物体单位表面上所辐射出去的各 种波长电磁能量的总和称为该物体的辐射出射度种波长电磁能量的总和称为该物体的辐射出射度 （简称辐出度）。（简称辐出度）。如果单位时间从物体单位表面上辐射出去的在如果单位时间从物体单位表面上辐射出去的在的电磁能量为的电磁能量为 ，则定义单色辐出度，则定义单色辐出度 为为表示单位时间内从物体单位表面辐射出去的在表示单位时间内从物体单位表面辐射出去的在附近单位波长间隔内的电磁能量。表示了辐射能量附近单位波长间隔内的电磁能量。表示了辐射能量随波长随波长 的分布，有：的分布，有：吸收多的物体辐射也多，吸收多的物体辐射也多，好的吸收体也是好的辐射体好的吸收体也是好的辐射体这说明，只要知道黑体的单色这说明，只要知道黑体的单色辐出度，就可以了解各种物体辐出度，就可以了解各种物体的单色辐出度。的单色辐出度。4、基尔霍夫定律、基尔霍夫定律1860年，基尔霍夫指出：物体单色辐出度与吸收率的年，基尔霍夫指出：物体单色辐出度与吸收率的比值与物体的性质无关，是温度比值与物体的性质无关，是温度T和波长和波长 的普适函的普适函数数实际物体单色辐出度与黑体单色辐出度之比为发射率：实际物体单色辐出度与黑体单色辐出度之比为发射率：黑体黑体 ，黑体的单色辐出度为，黑体的单色辐出度为二、黑体辐射实验规律二、黑体辐射实验规律1、黑体辐出度、黑体辐出度 的实验规律的实验规律1879年，斯特藩实验指出：年，斯特藩实验指出：2、黑体单色辐出度、黑体单色辐出度 的实验规律的实验规律曲线最大值对应的波长称为峰值波长曲线最大值对应的波长称为峰值波长3、维恩位移定律（、维恩位移定律（1839年）（理论推导）年）（理论推导）随温度升高向短波方向移动随温度升高向短波方向移动地球上常温物体地球上常温物体太阳表面太阳表面只有只有T800K以上的物体，可见光部分才有可能观察以上的物体，可见光部分才有可能观察能量。能量。三、普朗克黑体辐射公式三、普朗克黑体辐射公式1、经典物理学公式、经典物理学公式1896年，维恩根据统计物理学导出黑体辐射理论公式年，维恩根据统计物理学导出黑体辐射理论公式短波部分与实验相符，但短波部分与实验相符，但长波部分与实验偏离。长波部分与实验偏离。1900年，瑞利根据电动力学与统计物理学能量按自由度年，瑞利根据电动力学与统计物理学能量按自由度均分原理，得出：均分原理，得出：短波部分与实验偏离。短波部分与实验偏离。长波部分与实验结果相符。长波部分与实验结果相符。2、普朗克黑体辐射公式、普朗克黑体辐射公式1900年，普朗克综合维恩公式与瑞利公式年，普朗克综合维恩公式与瑞利公式“凑出凑出”经验经验公式公式（1）由普朗克公式，得出斯特藩定律）由普朗克公式，得出斯特藩定律（2）由普朗克公式，得出维恩位移公式）由普朗克公式，得出维恩位移公式（3）长波段）长波段 普朗克公式过渡到瑞利金斯公式普朗克公式过渡到瑞利金斯公式（4）短波段）短波段普朗克公式过渡到维恩公式普朗克公式过渡到维恩公式4、伟大意义、伟大意义 1905年年 爱因斯坦的光子假说爱因斯坦的光子假说1913年年 玻尔氢原子理论（旧量子论）玻尔氢原子理论（旧量子论）1924年年 德布罗意物质波假设德布罗意物质波假设1927年年 海森伯、薛定谔的量子力学海森伯、薛定谔的量子力学1931年年 狄拉克的相对论量子力学狄拉克的相对论量子力学（但经典理论认为谐振子的能量是连续分布的）（但经典理论认为谐振子的能量是连续分布的）可推导出黑体单色辐出度公式可推导出黑体单色辐出度公式3、普朗克量子假说、普朗克量子假说1900年普朗克指出：假设对于一定频率年普朗克指出：假设对于一定频率 的带电谐振的带电谐振子具有能量子具有能量 是是 的整数倍，即的整数倍，即222光的波粒二象性光的波粒二象性一、光电效应一、光电效应1、光电效应现象、光电效应现象RK1K2EGV光电管光电管KA2、光电效应的实验规律、光电效应的实验规律3、光电效应方程、光电效应方程1905年，爱因斯坦提出了光子理论：年，爱因斯坦提出了光子理论：光在空间传播时以能量子的形式一份一份传播。光在空间传播时以能量子的形式一份一份传播。一束光则是以光速一束光则是以光速c运动的粒子流，称为运动的粒子流，称为光子光子。（1）在单位时间内，受光照射的金属表面释出的光电子）在单位时间内，受光照射的金属表面释出的光电子数与入射光强度成正比。数与入射光强度成正比。（2）光电子的初动能随入射光的频率）光电子的初动能随入射光的频率 线形增加，而线形增加，而与入射光强度无关。与入射光强度无关。（3）每种金属都有一个截止频率（称为红限频率），当）每种金属都有一个截止频率（称为红限频率），当入射光的频率低于红限频率时，不可能产生光电效应。入射光的频率低于红限频率时，不可能产生光电效应。（4）光电效应是瞬时发生的。）光电效应是瞬时发生的。频率为频率为 的光子具有的能量：的光子具有的能量：h为普朗克常量为普朗克常量光电效应的实质解释为光电效应的实质解释为光子与电子的碰撞光子与电子的碰撞作用。电子吸收作用。电子吸收了一个光子的能量了一个光子的能量 ，一部分消耗于逸出金属表面是所，一部分消耗于逸出金属表面是所需的逸出功需的逸出功 ；另一部分则是光电子的初动能；另一部分则是光电子的初动能 。由能量守恒定律有：由能量守恒定律有：光电效应方程光电效应方程h-金金属属束缚束缚电子电子-A由光子理论（光子假设和光电效应方程）对光电效应现象由光子理论（光子假设和光电效应方程）对光电效应现象的解释：的解释：（1）由方程看出光电子初动能与入射光频率的线性关系）由方程看出光电子初动能与入射光频率的线性关系解释了第二条。解释了第二条。（2）按光子假说，一定频率的光，强度愈大，其光子数目）按光子假说，一定频率的光，强度愈大，其光子数目愈多。因此，照到金属上，释出的光电子数目愈多，饱和愈多。因此，照到金属上，释出的光电子数目愈多，饱和光电流愈大。解释了第一条。光电流愈大。解释了第一条。（3）按光子理论，光照射金属时，一个光子的全部能量一）按光子理论，光照射金属时，一个光子的全部能量一次由一个电子吸收，无需积累时间，因而解释了瞬时性次由一个电子吸收，无需积累时间，因而解释了瞬时性（第四条）。（第四条）。（4）关于红限频率的解释，）关于红限频率的解释，由由可看出可看出不逸出电子不逸出电子红限频率红限频率二、康普顿效应（散射）二、康普顿效应（散射）1、康普顿效应现象及实验规律、康普顿效应现象及实验规律 早在早在1904年伊夫（年伊夫（AS.Eve)发现发现 射线射线 被物质散射后波长变长的现象被物质散射后波长变长的现象,康普顿康普顿 相继研究了相继研究了 射线及射线及X射线的散射射线的散射,他先他先 确定了伊夫的发现又用自制的确定了伊夫的发现又用自制的X射线分射线分 光计光计,测定了测定了X射线经石墨沿不同方向的射线经石墨沿不同方向的散射的定量关系散射的定量关系,1923年发表论文作出了解释年发表论文作出了解释.ComptonCompton实验是实验是X射线散射的实验，按经典理论是射线散射的实验，按经典理论是X射射线的电场迫使散射物中的电子作强迫振荡，而向周围线的电场迫使散射物中的电子作强迫振荡，而向周围辐射同频率的电磁波的过程。辐射同频率的电磁波的过程。Compton实验实验否定了这一说法。否定了这一说法。1)实验装置实验装置2)实验结果实验结果:X光光光光栏栏石墨石墨0.71X射线分析仪射线分析仪2341原始原始=450=900=13500.700.75()强强度度散射线中有与入射线相同的散散射线中有与入射线相同的散 射线存在，也有波长射线存在，也有波长 0的散的散 射线存在（射线存在（Compton散射）。散射）。2341原始原始=450=900=13500.700.75()强强度度原子量较小的物质原子量较小的物质 散射较强。散射较强。也增加也增加 一定，一定，散射线波长的增量与散射线波长的增量与 散射角有关散射角有关（增加，增加，也一定，与散射物质也一定，与散射物质无关）无关）2、康普顿散射的理论解释（光子理论解释）、康普顿散射的理论解释（光子理论解释）e emV（1）碰前碰前碰后碰后光子能量光子能量电子能量电子能量电子动量电子动量与与x轴成轴成 角角光子动量光子动量沿沿x轴轴与与x轴成轴成 角角能量守恒：能量守恒：动量守恒：动量守恒：在在x方向方向在垂直在垂直x方向方向可改写为：可改写为：（2）（）（3）平方后相加）平方后相加得，得，（1）平方后减（）平方后减（4）得，）得，得，得，康普顿散射公式康普顿散射公式即即电子的康普顿波长：电子的康普顿波长：其物理意义：入射光子的能量与电子的静止能量相等时其物理意义：入射光子的能量与电子的静止能量相等时 所对应的光子的波长。所对应的光子的波长。康普顿散射公式表明，波长的改变量康普顿散射公式表明，波长的改变量 仅与散射角仅与散射角 有关，与散射物质无关。有关，与散射物质无关。时时 。增大时，增大时，也增大，也增大，时时 最大。最大。（2）光子除与原子中的自由电子发生碰撞外，还可能与）光子除与原子中的自由电子发生碰撞外，还可能与束缚很紧的电子碰撞，这时光子将与整个原子间交换能束缚很紧的电子碰撞，这时光子将与整个原子间交换能量。由于原子的质量比光子大很多，根据碰撞理论知，量。由于原子的质量比光子大很多，根据碰撞理论知，碰撞前后光子能量几乎不变，因此散射光的频率基本保碰撞前后光子能量几乎不变，因此散射光的频率基本保持不变。持不变。（3）轻原子中的电子受原子核的束缚较弱，可看作自由）轻原子中的电子受原子核的束缚较弱，可看作自由电子，同时康普顿效应较强，峰值较高。重原子中的电子，电子，同时康普顿效应较强，峰值较高。重原子中的电子，除外层电子束缚较弱外，内层电子束缚紧，因而康普顿效除外层电子束缚较弱外，内层电子束缚紧，因而康普顿效应较弱。应较弱。三、光的波粒二象性三、光的波粒二象性1、光的波动性：衍射、散射、干涉等。、光的波动性：衍射、散射、干涉等。2、光的粒子性：光电效应、康普敦效应等。、光的粒子性：光电效应、康普敦效应等。光子的能量光子的能量光子的动量光子的动量光子的质量光子的质量光子的静止质量光子的静止质量223实物粒子的波动性实物粒子的波动性一、德布罗意假设一、德布罗意假设1、1924年，年，De Broglie在他的博士论文在他的博士论文“量子论研究量子论研究”中，大胆地提出了如下假设中，大胆地提出了如下假设：De Broglie假设：假设：一切实物粒子也具有波粒二象性。称为物质波一切实物粒子也具有波粒二象性。称为物质波（或德布罗意波）是几率波。（或德布罗意波）是几率波。2、德布罗意公式、德布罗意公式德布罗意公式德布罗意公式如用静止质量表示，如用静止质量表示，时时动能动能动量动量所以所以二、德布罗意假设的实验验证二、德布罗意假设的实验验证1923年年Clnton Davisson发表了慢电子从铂片反射的角分布发表了慢电子从铂片反射的角分布实验情况，他发现弹性反射电子束强度在某些角度出现了实验情况，他发现弹性反射电子束强度在某些角度出现了极大值。玻恩（极大值。玻恩（Born）认为是一种干涉现象，可能与德布）认为是一种干涉现象，可能与德布罗意波有关，这引起了戴维逊和革末（罗意波有关，这引起了戴维逊和革末（Lester Germer）继）继续对慢电子在镍单晶表面散射进行研究。续对慢电子在镍单晶表面散射进行研究。1 1）戴维逊）戴维逊-革末实验与汤姆逊实验革末实验与汤姆逊实验实验装置：实验装置：Ia=0.215nm d=0.0908nm电流出现了周期性变化电流出现了周期性变化UGNi单晶单晶电电流流计计MBK发射电发射电子阴级子阴级加加速速电电极极Ni单晶单晶da实验结果：实验结果：实验解释：实验解释：将电子看成波，其波长为德布罗意波长：将电子看成波，其波长为德布罗意波长：既然是波，电流出现最大值时正好满足布喇格既然是波，电流出现最大值时正好满足布喇格公式：公式：即：即：实验装置：实验装置：GNi单晶单晶电电流流计计UBK发射电发射电子阴级子阴级加加速速电电极极显然将电显然将电子看成微子看成微粒无法解粒无法解释。释。实验表实验表明电流明电流最大值最大值正好满正好满足足M1927 年汤姆逊（年汤姆逊（GPThomson）以）以600伏慢电子伏慢电子（=0.5）射向铝箔，也得到了像）射向铝箔，也得到了像X射线衍射一射线衍射一样的衍射，再次发现了电子的波动性。样的衍射，再次发现了电子的波动性。1937年戴维逊与年戴维逊与GP汤姆逊共获当年诺贝尔奖汤姆逊共获当年诺贝尔奖（GPThomson为电子发现人为电子发现人JJThmson的儿子）的儿子）尔后又发现了质子、中子的衍射尔后又发现了质子、中子的衍射2）电子双缝实验）电子双缝实验1961年琼森（年琼森（Claus Jnsson）将一束电子加速）将一束电子加速到到50Kev，让其通过一缝宽为，让其通过一缝宽为a=0.5 10-6m，间，间隔为隔为d=2.0 10-6m的双缝的双缝,当电子撞击荧光屏时当电子撞击荧光屏时,发现了类似于双缝衍射发现了类似于双缝衍射.大量电子一次大量电子一次 行为行为电子双缝实验电子双缝实验-一个电子多次重复行为一个电子多次重复行为3)量子围栏量子围栏(Quantum Corral)中的驻波中的驻波1993年克罗米年克罗米(MFCorrie)等人用扫描电子显微等人用扫描电子显微镜技术镜技术,把铜把铜(111)表面上的铁原子排列成半径为表面上的铁原子排列成半径为7.13nm的圆环性量子围栏的圆环性量子围栏,并观测量到了围栏内并观测量到了围栏内的同心圆柱状驻波的同心圆柱状驻波,直接证实了物质波的存在直接证实了物质波的存在.+探针探针注意注意:物质波被广泛用作探索手段物质波被广泛用作探索手段.例核反应产生例核反应产生的中子的中子(=0.1nm)可作为晶体探测器可作为晶体探测器.中子衍射显示的苯结构中子衍射显示的苯结构224不确定关系不确定关系1927年，海森伯提出了不确定关系。年，海森伯提出了不确定关系。以电子的单缝衍射为例导出不确定关系。以电子的单缝衍射为例导出不确定关系。XYId电子位置不确定量电子位置不确定量仅考虑零级极大，电子被限制在第一级极小的衍射范围，仅考虑零级极大，电子被限制在第一级极小的衍射范围，电子动量在电子动量在x轴方向分量的不确定量轴方向分量的不确定量电子的德布罗意波长电子的德布罗意波长即即如果也考虑其他级次极大，有如果也考虑其他级次极大，有严格推导有：严格推导有：其中其中推广到其他坐标：推广到其他坐标：对三维直角坐标系有：对三维直角坐标系有：海森伯不海森伯不确定关系确定关系表述为：某一时刻粒子在某一方向上位置的不确定量与表述为：某一时刻粒子在某一方向上位置的不确定量与 同一时刻在同一方向上的动量的不确定量的乘同一时刻在同一方向上的动量的不确定量的乘 积大于或等于积大于或等于（2）这种不确定性，完全是由微观粒子的波粒二象性决定）这种不确定性，完全是由微观粒子的波粒二象性决定的。反映了微观粒子运动的基本规律。的。反映了微观粒子运动的基本规律。说明：说明：（1）则则 反之亦然，所以不能同时确定反之亦然，所以不能同时确定（3）不确定关系指出了经典力学的适用范围。普朗克常量）不确定关系指出了经典力学的适用范围。普朗克常量h是一个判据，划出了经典力学和量子力学的界限。是一个判据，划出了经典力学和量子力学的界限。时，时，则，则 ，则，则 所以位置和动量可以同时确定。过渡到经典力学。所以位置和动量可以同时确定。过渡到经典力学。