第-1-章-波粒二象性.ppt

q当当物物体体辐辐射射的的能能量量等等于于在在同同一一时时间间内内所所吸吸收收的的能能量量，物物体体和和辐辐射射场场达达到到热热平平衡衡，称称为为平平衡衡热热辐辐射射。这这时时物物体体的的温温度度固固定定。以以下下只只讨讨论论平平衡衡热热辐辐射。射。q辐辐出出度度（总总辐辐射射本领）本领）M（T）一、黑体辐射一、黑体辐射q单单位位时时间间内内从从物物体体单单位位表表面面发发出出的的波波长长在在 附附近近单单位位波波长长间间隔隔内内的的电电磁磁波波的的能能量量称称为为单单色色辐辐出出度（单色辐射本领）度（单色辐射本领）M SI单位单位 W/m32.2.黑体辐射的基本规律黑体辐射的基本规律q黑黑体体：能能完完全全吸吸收收各各种种波波长长电电磁磁波波而而无无反反射射的物体的物体一、黑体辐射一、黑体辐射q物物体体辐辐射射的的电电磁磁波波和和吸吸收收的的电电磁磁波波相相同同（实实验结果）验结果）q黑黑体体能能完完全全辐辐射射各各种种波波长长的的光光，M M 最最大大且且只只与温度有关而和材料及表面状态无关与温度有关而和材料及表面状态无关q利利用用黑黑体体可可撇撇开开材材料料的的具具体体性性质质来来普普遍遍地地研研究热辐射本身的规律究热辐射本身的规律 q维恩设计的黑体维恩设计的黑体不不透透明明材材料料空空腔腔开开一一个个面面积积远远小小于于空空腔腔内内表表面面积积的的小小孔孔。小小孔孔能能完完全全吸吸收收各各种种波波长的入射电磁波而长的入射电磁波而成为黑体成为黑体。q斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律M(T)=M(T)=T T 4 4其其中中 =5.675.67 1010-8-8 W/mW/m2 2K K4 4，称称为为斯斯特特藩藩玻耳兹曼常量。玻耳兹曼常量。一、黑体辐射一、黑体辐射q维思位移定律维思位移定律一、黑体辐射一、黑体辐射 m m T=b T=bb b =2.8977562.8977561010-3-3 m mK K如太阳如太阳kT6000=，白光，白光nm500max=l白炽灯白炽灯kT2000=色泽偏红色泽偏红nm1448max=l3.3.经典物理的困难经典物理的困难q空空腔腔壁壁产产生生的的热热辐辐射射可可想想象象成成以以壁壁为为节节点点的的许多驻波许多驻波。一、黑体辐射一、黑体辐射由由经经典典理理论论导导 出出 的的 M M(T T)公公式式都都与与实实验验结果不符合！结果不符合！4.4.普朗克的能量子假说和黑体辐射公式普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 一、黑体辐射一、黑体辐射q普朗克假定（普朗克假定（19001900）对对频频率率为为 的的电电磁磁辐辐射射，物物体体只只能能以以 h h 为为能能量单位发射或吸收它。量单位发射或吸收它。h=h=6.6260755 6.62607551010-34-34 J Js s 是是普朗克常数普朗克常数 经典经典 量子量子能能 量量q普朗克公式普朗克公式一、黑体辐射一、黑体辐射5.5.宇宙背景辐射宇宙背景辐射 A AA.A.Penzias Penzias 和和R RW WWilsonWilson（19641964）在在用用射射电电望望远远镜镜探探测测中中性性氢氢原原子子谱谱时时，发发现现了了T T=3.1 3.1 K K 的的宇宇宙宙背背景景辐辐射射,这这是是宇宇宙宙大大爆爆炸炸后留下的充满整个宇宙的电磁辐射。后留下的充满整个宇宙的电磁辐射。一、黑体辐射一、黑体辐射二、二、光电效应光电效应 1.1.实验装置和相关概念实验装置和相关概念 q金金属属及及其其化化合合物物在在电电磁磁辐辐射射下下发发射射电电子子的的现现象象称称为为光光电电效效应应，所所发发射的电子称为射的电子称为光电子。光电子。qK K阴极，阴极，A A阳极阳极二、二、光电效应光电效应 2.2.实验规律实验规律（1 1）饱和饱和光电流光电流强度强度 i im m 与入射光与入射光强强 I I 成正成正比。比。二、二、光电效应光电效应 （2 2）截止电压截止电压 U Uc c电子能从电子能从K KA A，说，说明电子具有动能；明电子具有动能；加反向电压，加反向电压，U=U=U Uc c 时，光电流时，光电流 i i 才为零才为零，光电子光电子具有最大初动能具有最大初动能二、二、光电效应光电效应 （2 2）截止电压截止电压 U Uc c随入射光频率随入射光频率线性增加线性增加,与光与光的强度无关。的强度无关。U Uc c=K=K -U-U0 04.0 6.08.0 10.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCaK K 是与金属种类是与金属种类有关的一个常量。有关的一个常量。则则二、二、光电效应光电效应 （3 3）只有当入射光频率只有当入射光频率 v v大于一定的频率大于一定的频率v v0 0时，才会产生光电效应。时，才会产生光电效应。U Uc c=K=K -U-U0 0称为称为截止频率截止频率或或红限频率红限频率，相应的波长称为相应的波长称为红限波长红限波长。二、二、光电效应光电效应 （4 4）只要只要 0 0，无论光多微弱，从光照，无论光多微弱，从光照射阴极到光电子逸出的响应时间都不超过射阴极到光电子逸出的响应时间都不超过1010-9-9s s。几种金属的红限频率几种金属的红限频率二、二、光电效应光电效应 3.3.经典理论的困难经典理论的困难按照光的经典电磁理论：按照光的经典电磁理论：（1 1）光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也）光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，更与频率无关，更不存在截止频率！不存在截止频率！（2 2）光波的能量分布在波面上，为克服）光波的能量分布在波面上，为克服逸出功逸出功（work functionwork function，电子逸出金属表面时克服阻力，电子逸出金属表面时克服阻力做的功做的功），阴极电子吸收能量需要一定的时间积），阴极电子吸收能量需要一定的时间积累，光电效应累，光电效应不可能瞬时发生！不可能瞬时发生！（3 3）光电子初动能应该与入射光强度成正比。）光电子初动能应该与入射光强度成正比。三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 1.1.爱因斯坦光子理论爱因斯坦光子理论 q表表面面上上看看起起来来连连续续的的光光波波是是量量子子化化的的。单单色色光光由由大大量量不不连连续续的的光光子子组组成成。若若单单色色光光频频率率为为n n，那么每个光子的能量为，那么每个光子的能量为 E Ehnhn普朗克常数普朗克常数 h h=6.6260755=6.62607551010-34-34 J Js sq光子具有光子具有“整体性整体性”。一个光子只能。一个光子只能“整个整个地地”被电子吸收或放出。被电子吸收或放出。三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 2.2.爱因斯坦对光电效应的解释爱因斯坦对光电效应的解释 q按按照照爱爱因因斯斯坦坦光光子子理理论论：光光照照射射到到金金属属K K极极，实实际际上上是是单单个个光光子子能能量量为为 hnhn 的的光光子子束束入入射射到到K K极极，光光子子与与 K K 极极内内的的电电子子发发生生碰碰撞撞。当当电电子子一一次次性性地地吸吸收收了了一一个个光光子子后后，便便获获得得了了hnhn 的的能能量量而而立立刻刻从从金金属属表表面面逸逸出出，没没有有明明显显的的时时间间滞滞后后，这也正是光的这也正是光的“粒子性粒子性”表现。表现。（1 1）瞬时性）瞬时性三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 q光光照照射射到到金金属属表表面面，一一个个光光子子的的能能量量可可立立即即被被金金属属中中的的自自由由电电子子吸吸收收。但但只只有有当当入入射射光光的的频频率率足足够够高高，以以致致每每个个光光量量子子的的能能量量 h h 足足够够大大时时，电电子子才才有有可可能能克克服服逸逸出出功功 A A 逸逸出出金金属属表表面。面。称为称为 光电效应方程光电效应方程 q逸出电子的最大初动能为逸出电子的最大初动能为三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 （2 2）存在截止频率）存在截止频率 0 0有有由此式可以测量普朗克常数。由此式可以测量普朗克常数。所以，当所以，当 A A/h h 时，电子的能量不足以克时，电子的能量不足以克服逸出功而发生光电效应。服逸出功而发生光电效应。红限频率红限频率q比较比较三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 金属金属钨钨钙钙钠钠钾钾铷铷铯铯 红限红限 0（014Hz）10.97.735.535.445.154.69逸出功逸出功A（eV）4.543.202.292.252.131.94几种金属的红限频率和几种金属的红限频率和逸出功逸出功三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 （3 3）饱和光电流与入射光强成正比）饱和光电流与入射光强成正比 当当外外来来光光频频率率和和电电压压固固定定时时，光光强强增增大大，意意味味着着撞撞击击金金属属表表面面的的光光子子数数增增多多。只只要要 v v v v0 0，被被撞撞击击出出来来的的光光电电子子数数目目就就按按比比例例增增大大，饱饱和和光光电电流流也也就就越越来来越越大。大。三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 3.3.光的二象性光的二象性q爱因斯坦爱因斯坦 光的光的“粒子性粒子性”q麦克斯韦麦克斯韦 光的光的“波动性波动性”这里的粒子不是经典意义上的这里的粒子不是经典意义上的“单纯单纯”粒子，粒子，波也不是经典意义上的波也不是经典意义上的“单纯单纯”电磁波！而是电磁波！而是光的本性在两个不同的则面的反映！光的这种光的本性在两个不同的则面的反映！光的这种本性称为本性称为波粒二象性波粒二象性。三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 q光子光子能量能量E E=h h 因为因为q光子光子质量质量由相对论质能关系，由相对论质能关系，E E=mcmc2 2可得可得所以，光子的所以，光子的静止质量为零静止质量为零。三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 q光子光子动量动量由相对论能量由相对论能量-动量关系，动量关系，对光子，对光子，m m0 0=0=0所以，光子动量所以，光子动量或或例例 P.14P.14四、四、康普顿散射康普顿散射 1.1.实验装置实验装置 q康康普普顿顿（A.H.ComptonA.H.Compton）19231923年年研研究究了了X X射射线线与与石墨的散射。石墨的散射。四、四、康普顿散射康普顿散射 2.2.实验结果实验结果 q X X 射射线线通通过过物物质质散散射射时时，波波长长发发生生变变化化，散散射射后后的的波波长长有有两两个个峰峰值值，一一个个与与原原来来波波长长相相同同，而而另另一一个个较较长长的的 与与散散射射角有关。角有关。q这这种种有有波波长长改改变变的的散散射射称称为为康普顿散射康普顿散射或或康普顿效应康普顿效应。THANK YOUSUCCESS2024/1/28 周日27可编辑四、四、康普顿散射康普顿散射 3.3.经典解释经典解释 q单单色色电电磁磁波波作作用用于于比比波波长长尺尺寸寸小小的的带带电电粒粒子子上上时时，引引起起受受迫迫振振动动，向向各各方方向向辐辐射射同同频频率率的的电电磁磁波波。对对于于存存在在的的散散射射光光的的波波长长变变化化经经典典理理论论不能作出合理解释！不能作出合理解释！四、四、康普顿散射康普顿散射 4.4.光子理论的解释光子理论的解释 q定性说明定性说明 光光子子与与电电子子作作弹弹性性碰碰撞撞，光光子子传传递递一一部部分分能能量量给给电电子子，光光子子的的能能量量减减少，波长变长。少，波长变长。四、四、康普顿散射康普顿散射 q定量计算定量计算 X X 射射线线光光子子与与“静静止止”的的“自自由由电电子子”弹性碰撞。弹性碰撞。e 碰撞过程中能碰撞过程中能量与动量守恒量与动量守恒四、四、康普顿散射康普顿散射 散射后的散射后的X X光子波长偏移光子波长偏移称为称为康普顿散射公式，康普顿散射公式，波长偏移只与散射角波长偏移只与散射角有关。有关。称为电子的称为电子的康普顿波长康普顿波长,它与短波它与短波 X X 射线的波射线的波长相当。长相当。四、四、康普顿散射康普顿散射 q讨论讨论康康普普顿顿散散射射进进一一步步证证实实了了EinsteinEinstein的的光光子子理理论论，光光确确实实具具有有波波粒粒二二象象性性。另另外外证证明明光光电电相相互互作作用过程严格遵守能量、动量守恒定律。用过程严格遵守能量、动量守恒定律。散射后为什么还有原波长的峰值？散射后为什么还有原波长的峰值？当当光光子子与与束束缚缚电电子子碰碰撞撞时时，是是与与整整个个原原子子碰碰撞撞，失失去去能能量量较较少少，散散射射后后频频率率几几乎乎不不变变。这这种种波波长不变的散射称为长不变的散射称为瑞利散射瑞利散射。为什么选用为什么选用 X X 射线观察？射线观察？四、四、康普顿散射康普顿散射 5.5.康普顿散射二步过程康普顿散射二步过程 例例 P.20P.20五、五、粒子的波动性粒子的波动性 1.1.德布罗意假设德布罗意假设 q19241924年年，德德布布罗罗意意问问道道：“整整个个世世纪纪以以来来，在在光光学学上上，比比起起波波动动的的研研究究方方法法来来，是是过过于于忽忽视视了了粒粒子子的的研研究究方方法法，在在物物质质理理论论上上，是是否否发发生生了了相相反反的的错错误误呢呢；是是不不是是我我们们把把关关于于粒粒子子的的图图象象想想得得太太多多，而而过过份份地地忽忽视视了了波波的的图图象象?”q光光(波波)具有粒子性具有粒子性q实物粒子具有波动性实物粒子具有波动性五、五、粒子的波动性粒子的波动性 q德布罗意假设德布罗意假设实物粒子具有波动性。并且实物粒子具有波动性。并且与粒子相联系的波称为与粒子相联系的波称为概率波概率波或或德布罗意波德布罗意波五、五、粒子的波动性粒子的波动性 2.2.实验验证：实验验证：戴维孙戴维孙-革末实验革末实验 （a a）装置简图）装置简图（b b）散射电子束强度分布）散射电子束强度分布入射电子能量入射电子能量 E Ek k=54eV=54eV五、五、粒子的波动性粒子的波动性 d d 为晶面间距，则散为晶面间距，则散射电子束极大的方向满射电子束极大的方向满足足对镍晶面对镍晶面d=2.15d=2.15 1010-10-10 m m则则五、五、粒子的波动性粒子的波动性 德布罗意电子波长德布罗意电子波长和实验结果和实验结果符合得很好！符合得很好！五、五、粒子的波动性粒子的波动性 汤姆逊汤姆逊19271927年电子通过金多晶薄膜的衍射年电子通过金多晶薄膜的衍射实验实验衍射图样衍射图样五、五、粒子的波动性粒子的波动性 约恩逊约恩逊19611961年电子的单缝、双缝、三缝和年电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验四缝衍射实验单缝单缝双缝双缝三缝三缝四缝四缝五、五、粒子的波动性粒子的波动性 扫描电子显微镜扫描电子显微镜当探针针尖与物质表面排布原子的距离小到一当探针针尖与物质表面排布原子的距离小到一定程度时，其隧道电流会发生明显变化。定程度时，其隧道电流会发生明显变化。五、五、粒子的波动性粒子的波动性 纳米纳米“皇冠皇冠”，量子，量子“围栏围栏”五、五、粒子的波动性粒子的波动性 几个纳米大小的汉字几个纳米大小的汉字例题例题 P.25P.25五、五、粒子的波动性粒子的波动性 3.3.对波粒二象性的理解对波粒二象性的理解q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”概念概念q波动性波动性 “弥散性弥散性”“”“可叠加性可叠加性”“”“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六、六、概率波与概率幅概率波与概率幅 1.1.电子双缝衍射实验电子双缝衍射实验 电子通过单缝和双缝的衍射结果不一样！电子通过单缝和双缝的衍射结果不一样！六、六、概率波与概率幅概率波与概率幅 2.2.玻恩假定玻恩假定波函数、概率振幅波函数、概率振幅),(trY Yr 电子通过双缝中的任意一个狭缝的概率电子通过双缝中的任意一个狭缝的概率 上式中的交叉项是两缝之间的上式中的交叉项是两缝之间的干涉干涉结果。结果。六、六、概率波与概率幅概率波与概率幅 波函数统计诠释涉及对世界本质的认识争论波函数统计诠释涉及对世界本质的认识争论至今未息至今未息F哥本哈根学派哥本哈根学派 坚持波函数的概率解释坚持波函数的概率解释F爱因斯坦爱因斯坦 反对反对F狄拉克（狄拉克（19721972）对量子力学的发展做出了对量子力学的发展做出了重要贡献重要贡献七、七、不确定关系不确定关系 q电子单缝衍射电子单缝衍射电电子子通通过过单单缝缝的的位位置置不不确确定定量是量是电电子子通通过过单单缝缝后后动动量量的的不不确确定是定是七、七、不确定关系不确定关系 由于由于故故七、七、不确定关系不确定关系 严格的理论给出严格的理论给出不确定性关系不确定性关系七、七、不确定关系不确定关系 能量与时间的不确定性关系能量与时间的不确定性关系例题例题 P.35P.35 能级自然宽度和寿命能级自然宽度和寿命 宇宙宇宙THANK YOUSUCCESS2024/1/28 周日53可编辑