波粒二象性PPT

1、1900年，在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年慶祝會(huì)上,著名物理學(xué)家開(kāi)爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言,科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！?開(kāi)爾文,也就是說(shuō)：物理學(xué)已經(jīng)沒(méi)有什么新東西了，后一輩只要把做過(guò)的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面在加幾位罷了,但開(kāi)爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到,但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，,這兩朵烏云是指什么呢,一朵與黑體輻射有關(guān)， 另一朵與邁克爾遜實(shí)驗(yàn)有關(guān),事隔不到一年(1900年底)，就從第一朵烏云中降生了量子論，緊接著(1905年)從第二朵烏云中降生了相對(duì)論。經(jīng)典物理學(xué)的大廈被

2、徹底動(dòng)搖，物理學(xué)發(fā)展到了一個(gè)更為遼闊的領(lǐng)域。正可謂“山重水復(fù)疑無(wú)路, 柳暗花明又一村,17.1能量量子化： 物理學(xué)的新紀(jì)元,一、黑體與黑體輻射,1、熱輻射,1）定義：一切物體在任何溫度下都在輻射 各種波長(zhǎng)的電磁波，這種輻射與 物體的溫度有關(guān)，稱為熱輻射,2）特征：輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布情況隨 物體的溫度而有所不同,固體在溫度升高時(shí)顏色的變化,例如：鐵塊 溫度 從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色,溫度 發(fā)射的能量,電磁波的短波成分,直覺(jué): 低溫物體發(fā)出的是紅外光 熾熱物體發(fā)出的是可見(jiàn)光 高溫物體發(fā)出的是紫外光,3）平衡熱輻射,加熱一物體, 物體的溫度恒定時(shí)，物體所吸收的能量等于在同一時(shí)間內(nèi)輻射的能量

3、，這時(shí)得到的輻射稱為平衡熱輻射,2、黑體,1）定義：能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射 而不發(fā)生反射，折射和透射的 物體稱為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體,2）黑體模型,3）特征：黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況無(wú)關(guān),0 1 2 3 4 5 6,m,1700k,1500k,1300k,1100k,二、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,隨著溫度的增高，一方面各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加，另一方面輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng),o,實(shí)驗(yàn)值,m,維恩線,瑞利-金斯線,紫,外,災(zāi),難,1,2,3,4,5,6,7,8,黑體輻射實(shí)驗(yàn) 是物理學(xué)晴朗 天空中一朵 令人不安的烏云,三、能量子：超越牛頓

4、的發(fā)現(xiàn),1、普朗克能量子假說(shuō)：微觀粒子的能量是某一最小能量（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：, 1, 2, 3, . n，n為正整數(shù)，稱為量子數(shù),2、能量子,普朗克常量,m,1 2 3 5 6 8 9,4,7,普朗克,實(shí)驗(yàn)值,普朗克后來(lái)又為這種與經(jīng)典物理格格不入的觀念深感不安，只是在經(jīng)過(guò)十多年的努力證明任何復(fù)歸于經(jīng)典物理的企圖都以失敗而告終之后，他才堅(jiān)定地相信h的引入確實(shí)反映了新理論的本質(zhì)。1918年他榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他的墓碑上只刻著他的姓名和,m.planck 德國(guó)人 18581947,1888年，霍瓦(hallwachs)發(fā)現(xiàn)金屬板被紫外光照射會(huì)放電。近10年以后（因?yàn)?897年，j.tho

5、mson才發(fā)現(xiàn)電子）人們認(rèn)識(shí)到那就是從金屬表面射出的電子，這些電子被稱作光電子(photoelectron)，相應(yīng)的效應(yīng)叫做光電效應(yīng),物理難題,17.2科學(xué)的轉(zhuǎn)折： 光的粒子性,回顧人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過(guò)程,波動(dòng)說(shuō)（惠更斯） 微粒說(shuō)（牛頓,電磁說(shuō) （麥克斯韋,用紫外線燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電器張角增大到約為 30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過(guò)的玻璃棒去靠近鋅板，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器的指針張角變大,表明鋅板在紫外線照射下失去電子而帶正電,實(shí)驗(yàn),一、光電效應(yīng)現(xiàn)象,在光(包括不可見(jiàn)光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng),發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子,二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)

6、規(guī)律,光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出-光電子,光電子在電場(chǎng)作用下 形成光電流,1、每種金屬都存在截止頻率（極限頻率）c,當(dāng)入射光頻率 c 時(shí)，電子才能逸出金屬表面； 當(dāng)入射光頻率 c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面,2、光子的最大初動(dòng)能隨入射光的頻率增大而增大,遏止電壓uc=ekm（使光電流減小到零的反向電壓） 隨著入射光的頻率的增大而增大，與光強(qiáng)無(wú)關(guān),3、光電效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)間為10-9秒，幾乎瞬時(shí),4、飽和光電流與入射光的強(qiáng)度成正比,入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多,三、光電效應(yīng)解釋中的疑難,經(jīng)典理論只能解釋第4條規(guī)律,四、愛(ài)因斯坦的光子說(shuō),1、內(nèi)容：光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)能量

7、是一份一份的，而且頻率為的光本身是由大量能量為h的光（量）子組成的，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運(yùn)動(dòng),2.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程,電子逸出金屬表面所需做功的最小值，稱為逸出功,為光電子的最大初動(dòng)能,3、光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋,4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證,美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，h 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確,由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功地說(shuō)明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),密立根由于研究基本電荷和光

8、電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),密立根的實(shí)驗(yàn)的目的是：測(cè)量金屬的遏止電壓uc與入射光頻率，由此算出普朗克常數(shù)h,作出uc-圖象,求普朗克常數(shù)h,這種金屬的截止頻率c,五、光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用,光電管：把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),光控繼電器,可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等,如圖所示是做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的裝置簡(jiǎn)圖。在抽成真空的玻璃管內(nèi)，k為陰極（用金屬銫制成，發(fā)生光電效應(yīng)的逸出功為1.9ev），a為陽(yáng)極。在a、b間不接任何電源，用頻率為（高于銫的極限頻率）的單色光照射陰極k，會(huì)發(fā)現(xiàn)電流表指針有偏轉(zhuǎn)。這時(shí)，若在a、b間接入直流電源，a

9、接正極，b接負(fù)極，并使a、b間電壓從零開(kāi)始逐漸增大，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表的示數(shù)增大到2.1v時(shí)，電流表的示數(shù)剛好減小到零。求,a、b間未接直流電源時(shí)， 通過(guò)電流表的電流方向,從陰極k發(fā)出的光電子的 最大初動(dòng)能ek是多少焦,入射單色光的頻率是多少,六、康普頓效應(yīng),1.光的散射,光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射,1923年康普頓在做 x 射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射的x射線中除有與入射波長(zhǎng)0相同的成分外，還有波長(zhǎng)大于0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng),2、康普頓效應(yīng),3、經(jīng)典電磁理論的困難,根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻

10、率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率,4、光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋,光子不僅具有能量也具有動(dòng)量，在與電子碰撞時(shí)要遵守能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律，光子的部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng),5、康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義,1）有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子”假設(shè),2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量”的假設(shè),3）證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中， 動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的,康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng),七、光子的能量和動(dòng)量,光子的動(dòng)質(zhì)量,既然光子有動(dòng)量，那么光照射到物體表面被吸收或被反射時(shí)就會(huì)對(duì)物體有壓力，叫做 “光壓”。有人設(shè)想在遙遠(yuǎn)

11、的宇宙探測(cè)中利用光壓力作動(dòng)力推動(dòng)航天器加速，這樣可以大大減少航天器發(fā)射時(shí)自身的體積和重量的影響，在某個(gè)設(shè)計(jì)方案中，計(jì)劃給探測(cè)器安上面積極大，反射率極高的薄膜，并設(shè)法讓它始終正對(duì)太陽(yáng),已知在地球繞日軌道上，每平方米面積上得到的太陽(yáng)光的功率為p0 = 1.35kw，探測(cè)器本身的質(zhì)量為m=100kg，薄膜面積為s=4104m2，那么探測(cè)器由地球發(fā)射到太空時(shí)，由于太陽(yáng)光的光壓而得到的加速度將為多大,17.2嶄新的一頁(yè)： 粒子的波動(dòng)性,動(dòng)量能量是描述粒子的, 頻率和波長(zhǎng)則是用來(lái)描述波的,光到底是什么,一、光的波粒二象性,光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性，而熱輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)又表明光具有

12、粒子性，單獨(dú)使用任何一種都無(wú)法完整地描述光的所有性質(zhì)，因此光具有波粒二象性,1、波長(zhǎng)越長(zhǎng)，波動(dòng)性越明顯， 頻率越大，粒子性越明顯,2、大量光子的行為表現(xiàn)波動(dòng)性， 單個(gè)光子的行為表現(xiàn)粒子性,3、傳播過(guò)程中表現(xiàn)波動(dòng)性， 和其他物質(zhì)相互作用時(shí)表現(xiàn)粒子性,二、德布羅意波（物質(zhì)波,de . broglie 1923年發(fā)表了題為“波和粒子”的博士學(xué)位論文，提出了物質(zhì)波的概念,他認(rèn)為，“整個(gè)世紀(jì)以來(lái)（指19世紀(jì)）在光學(xué)中比起波動(dòng)的研究方法來(lái)，如果說(shuō)是過(guò)于忽視了粒子的研究方法的話，那么在實(shí)物的理論中，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過(guò)分忽略了波的現(xiàn)象呢”于是他提出假設(shè)“實(shí)物粒子也具有

13、波動(dòng)性,能量為e、動(dòng)量為p的粒子與頻率為、波長(zhǎng)為的波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系,e=mc2=hv,p=h,這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(物質(zhì)波或概率波),其波長(zhǎng)稱為德布羅意波長(zhǎng),一個(gè)質(zhì)量為m的實(shí)物粒子以速率v 運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能量e和動(dòng)量p所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率n和波長(zhǎng)l所描述的波動(dòng)性,德布羅意關(guān)系,三、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄利用晶體中排列規(guī)則的物質(zhì)微粒作為衍射光柵檢驗(yàn)x射線的波動(dòng)性，證明x射線就是波長(zhǎng)為十分之幾納米的電磁波,x射線經(jīng)晶體的衍射圖,電子射線經(jīng)晶體的衍射圖,1927年，戴維孫和湯姆孫分別分別利用晶體做了電子束衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了電子的波動(dòng)性,后來(lái)

14、的實(shí)驗(yàn)證明原子、分子、中子等微觀粒子也具有波動(dòng)性,德布羅意公式成為揭示微觀粒子波粒二象性統(tǒng)一性的基本公式，1929年，de broglie榮獲nobel 物理學(xué)獎(jiǎng),四、電子顯微鏡,閱讀課本42頁(yè)科學(xué)漫步回答問(wèn)題,17.4概率波,一、經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波,1、經(jīng)典物理學(xué)中粒子運(yùn)動(dòng)的基本特征,任意時(shí)刻具有確定的位置和速度,2、經(jīng)典物理學(xué)中波的基本特征,具有頻率和波長(zhǎng)也就是具有時(shí)空的周期性,二、概率波,1、光子說(shuō)對(duì)明暗條紋的解釋,明紋處到達(dá)的光子數(shù)多， 暗紋處到達(dá)的光子數(shù)少,2、光的波動(dòng)性不是光子之間的相互作用 引起的，而是光子自身固有的性質(zhì),玻恩1926年提出概率波,玻恩(m. born. 188

15、2-1970) 德國(guó)物理學(xué)家,不能肯定某個(gè)光子落在哪一點(diǎn)，但大量光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過(guò)波動(dòng)規(guī)律確定，即光波是一種概率波,3、電子干涉條紋對(duì)概率波的驗(yàn)證,對(duì)于電子和其他微觀粒子，單個(gè)粒子位置是不確定的，但在某點(diǎn)附近出現(xiàn)的概率的大小可以用波動(dòng)的規(guī)律確定,三、經(jīng)典波動(dòng)與德布羅意波(物質(zhì)波)的區(qū)別,經(jīng)典的波動(dòng)(如機(jī)械波、電磁波等)是可以測(cè)出的、實(shí)際存在于空間的一種波動(dòng)。 而德布羅意波(物質(zhì)波)是一種概率波。簡(jiǎn)單的說(shuō)，是為了描述微觀粒子的波動(dòng)性而引入的一種方法,17.5不確定性關(guān)系,一、不確定度關(guān)系,經(jīng)典力學(xué)：運(yùn)動(dòng)物體有完全確定的位置、動(dòng)量、能量等,微觀粒子：位置、動(dòng)量等具有不確定量（概率,一束微

16、觀粒子以速度 v 沿 oy 軸射向狹縫,粒子在中央主極大區(qū)域出現(xiàn)的幾率最大,電子通過(guò)狹縫的瞬間，其位置在 x 方向上的不確定量為,電子的位置和動(dòng)量分別用 和 來(lái)表示,同一時(shí)刻，由于衍射效應(yīng)，粒子的速度方向有了改變，縫越小，動(dòng)量的分量 px變化越大,分析計(jì)算可得,我們知道，原子核的數(shù)量級(jí)為10-15m，所以，子彈位置的不確定范圍是微不足道的。可見(jiàn)子彈的動(dòng)量和位置都能精確地確定，不確定關(guān)系對(duì)宏觀物體來(lái)說(shuō)沒(méi)有實(shí)際意義,例1.一顆質(zhì)量為10g 的子彈，具有200ms-1的速率，若其動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的0. 01%(這在宏觀范圍是十分精確的了)，則該子彈位置的不確定量范圍為多大,解: 子彈的動(dòng)量,動(dòng)

17、量的不確定范圍,由不確定關(guān)系式(17-17)，得子彈位置的不確定范圍,原子大小的數(shù)量級(jí)為10-10m，電子則更小。在這種情況下，電子位置的不確定范圍比原子的大小還要大幾億倍，可見(jiàn)企圖精確地確定電子的位置和動(dòng)量已是沒(méi)有實(shí)際意義,例2. 一電子具有200 m/s的速率，動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的0. 01%(這已經(jīng)足夠精確了)，則該電子的位置不確定范圍有多大,解: 電子的動(dòng)量為,動(dòng)量的不確定范圍,由不確定關(guān)系式，得電子位置的不確定范圍,宏觀物體 微觀粒子 具有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量 沒(méi)有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量 可用牛頓力學(xué)描述。 需用量子力學(xué)描述。 有連續(xù)可測(cè)的運(yùn)動(dòng)軌道，可 有概率分布特性，不可能分辨 追蹤各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。 出各個(gè)粒子的軌跡。 體系能量可以為任意的、連 能量量子化 。 續(xù)變化的數(shù)值。 不確定度關(guān)系無(wú)實(shí)際意義 遵循不確定度關(guān)系,二、微觀粒子和宏觀物體的特性對(duì)比,三、不確定關(guān)系的物理意義和微觀本質(zhì),1. 物理意義,微觀粒子不可能同時(shí)具有確定的位置和動(dòng)量。粒子位置的不確定量 x越小，動(dòng)量的不確定量px就越大，反之亦然,2. 微觀本質(zhì),是微觀粒子的波粒二象性及粒子空間分布遵從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的必然結(jié)果,不確定關(guān)系式表明： 微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)得愈準(zhǔn)確( x0) ，動(dòng)量就愈不準(zhǔn)確(px) ； 微觀粒子的動(dòng)量測(cè)得愈準(zhǔn)確(px0) ，坐標(biāo)就愈不準(zhǔn)確( x) 。 但這里