波粒二象性課件

1、波粒二象性第十五章量子物理波粒二象性 相對論相對論 1905 狹義相對論狹義相對論; 1916 廣義相對論廣義相對論. 量子力學量子力學 舊量子論的形成：舊量子論的形成： 1900 Planck 振子能量量子化振子能量量子化 1905 Einstein 電磁輻射能量量子化電磁輻射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化原子能量量子化 近代物理（近代物理（20世紀）包括：世紀）包括： MM實驗實驗 相對論相對論 黑體輻射黑體輻射 量子論量子論波粒二象性 1925 Heisenberg 矩陣力學矩陣力學 量子力學的建立：量子力學的建立：量子力學量子力學 原子、分子、原子核、固體原子、分子

2、、原子核、固體量子電動力學（量子電動力學（QED） 電磁場電磁場量子場論量子場論 原子核和粒子原子核和粒子 量子力學的進一步發(fā)展：量子力學的進一步發(fā)展：1924 de Broglie 電子具有波動性電子具有波動性1928 Dirac 相對論波動方程相對論波動方程1927 Davisson， G.P.Thomson 電子衍射實驗電子衍射實驗1926 Schroedinger 波動方程波動方程 從經(jīng)典物理學到量子力學過渡時期的三個重大問題的提出從經(jīng)典物理學到量子力學過渡時期的三個重大問題的提出 光電效應光電效應 康普頓效應?？灯疹D效應。 黑體輻射問題，即所謂黑體輻射問題，即所謂“紫外災難紫外災難”

3、。 原子的穩(wěn)定性和大小。原子的穩(wěn)定性和大小。波粒二象性15-1-1黑體輻射黑體輻射（Black-body radiation） 一一. . 熱輻射及其特點熱輻射及其特點溫度不同時溫度不同時, ,輻射的波長（或頻率）也不同，輻射的波長（或頻率）也不同，1. . 熱輻射熱輻射15-1 15-1 黑體輻射和普朗克能量子假設黑體輻射和普朗克能量子假設 熱輻射：熱輻射：物體內的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射物體內的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁輻射的現(xiàn)象。電磁輻射的現(xiàn)象。 任何物體（氣、液、固）在任何溫度下，都會有熱輻射任何物體（氣、液、固）在任何溫度下，都會有熱輻射極高溫物體發(fā)出的是極高溫物體發(fā)出的是紫外

4、光。紫外光。熾熱物體發(fā)出的是熾熱物體發(fā)出的是可見光，可見光，低溫物體發(fā)出的是低溫物體發(fā)出的是紅外光，紅外光， 溫度溫度 短波長的電磁波的比例短波長的電磁波的比例 。波粒二象性紅外照相機拍攝的人的頭部的紅外照相機拍攝的人的頭部的熱圖熱圖 熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色波粒二象性2. . 描述熱輻射的基本物理量描述熱輻射的基本物理量1)1)單色輻出度單色輻出度2)（總）輻出度（總發(fā)射本領）（總）輻出度（總發(fā)射本領）M(T)（radiant exitance）單位：單位：w/m-2M: 從物體表面單位面積上輻射出的波長介于從物體表面單位面積上輻射出的波長介于 與與 之間

5、的輻射功率之間的輻射功率 與與 的比值。的比值。 d Md d d,d,TMTM 3mW d,0 TMTM波粒二象性這種這種溫度不變溫度不變的熱輻射稱之為的熱輻射稱之為平衡熱輻射。平衡熱輻射。3. 平衡熱輻射平衡熱輻射加熱一物體，若物體所吸收的能量等于在同一時加熱一物體，若物體所吸收的能量等于在同一時間內輻射的能量，間內輻射的能量，則物體的溫度恒定。則物體的溫度恒定。)()(dd)(入入射射吸吸收收 EETa 光譜吸收比（率）光譜吸收比（率）a (T)同一溫度下同一溫度下 與材料種類無關與材料種類無關)( aM二二. .黑體黑體（black body） 1. 黑體：黑體：黑體是理想化模型，黑體

6、是理想化模型，能能完全完全吸收吸收照射到它上面的照射到它上面的各種頻率的光各種頻率的光的物體的物體即使是煤黑，對太陽光的即使是煤黑，對太陽光的a也小于也小于 99%。即即 的物體。的物體。1)( a描述物體的吸收能力描述物體的吸收能力波粒二象性維恩設計的黑體維恩設計的黑體 小孔空腔小孔空腔u維恩公式維恩公式2.黑體的黑體的M 關系曲線關系曲線 維恩公式在高頻段與實驗曲線符合得很好，維恩公式在高頻段與實驗曲線符合得很好，但在但在低頻段明顯偏離實驗曲線。低頻段明顯偏離實驗曲線。u瑞利瑞利 金斯公式金斯公式，時時， 0M“紫外災難紫外災難”！該公式在低頻段與實驗曲線符合得很好。該公式在低頻段與實驗曲

7、線符合得很好。5102),( TcecTM 402),( kTcTM 波粒二象性由經(jīng)典理論導出的由經(jīng)典理論導出的 M0 (T) 公式都與公式都與實驗曲線不完全符合！實驗曲線不完全符合！ “ 物理學晴朗物理學晴朗 天空中的一朵天空中的一朵 烏云烏云!”這正所謂是這正所謂是 /1014HzM0 (10 - 9 W/(m2 Hz)0波粒二象性維恩公式維恩公式瑞利瑞利 金斯公式金斯公式u普朗克的能量子假說和黑體輻射公式普朗克的能量子假說和黑體輻射公式 很大時很大時 很小時很小時普朗克公式普朗克公式（Planck formula）他提出：金屬空腔壁中電子的振動可他提出：金屬空腔壁中電子的振動可 視為一維

8、諧振子，諧振子可視為一維諧振子，諧振子可 能具有的能量是能具有的能量是量子化量子化的。的。 輻射的振子模型輻射的振子模型即輻射即輻射“能量子能量子”的能量的能量 E=nh ，n =1,2,3，sJ106260755. 6 34 h普朗克常量 112,520 kThcehcTM n 稱為稱為量子數(shù)量子數(shù) h稱為稱為能量子能量子 波粒二象性M0 (10 -8 W/(m2 Hz) /1014Hz1）維恩位移定律）維恩位移定律3. 黑體輻射定律黑體輻射定律（Wien displacement law）2）斯特藩）斯特藩 玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律4)(TTM 斯特藩斯特藩 玻耳茲曼常量玻耳茲曼常量428

9、Kw/m1067. 5 對普公式求導對普公式求導對普公式積分對普公式積分bTm Km10517685897. 23 b波粒二象性光電效應：光電效應：光照射到金屬表面光照射到金屬表面時，電子會從金屬表面逸出時，電子會從金屬表面逸出光電效應中光電效應中產生的電產生的電子稱為子稱為“光電子光電子”。15-2 15-2 光電效應光電效應 愛因斯坦光量子理論愛因斯坦光量子理論 15-2-1 15-2-1 光電效應光電效應 回路中形成電流稱為回路中形成電流稱為光光電流。電流。 波粒二象性一一. .光電效應實驗的結果：光電效應實驗的結果： 1. 存在存在截止頻率截止頻率（又稱（又稱紅限紅限）0 當入射光的頻

10、率當入射光的頻率 大于截止頻率大于截止頻率 時，才能時，才能產生光電效應；反之，無論入射光的強度多大，都產生光電效應；反之，無論入射光的強度多大，都不能產生光電效應。不同材料的截止頻率不同。不能產生光電效應。不同材料的截止頻率不同。 02. 在入射光頻率不變時，飽和光在入射光頻率不變時，飽和光電流隨入射光強度電流隨入射光強度 I 增加而增大；增加而增大；在在 一定時，一定時，。 Iim 達到達到 im說明：單位時間內從陰極說明：單位時間內從陰極逸出的光電子全部被陽極吸收逸出的光電子全部被陽極吸收單位時間內從陰極逸出的光電子數(shù)和光強成正比單位時間內從陰極逸出的光電子數(shù)和光強成正比iVOV入射光較

11、弱入射光較弱入射光較強入射光較強im波粒二象性3. 遏止電壓與入射光強度遏止電壓與入射光強度I無關，無關，但與入射光的頻率成正比。但與入射光的頻率成正比。 OV銫鉀04. 光電效應具有瞬時響應特性光電效應具有瞬時響應特性( t W 時才能產生光電效應，時才能產生光電效應，0Wh 不發(fā)生光電效應，不發(fā)生光電效應，所以存在紅限頻率所以存在紅限頻率當當 W/h時，時，在確定的光強下在確定的光強下I = N h ，打出的最多電子數(shù)就是打出的最多電子數(shù)就是 N飽和電流飽和電流光電效應方程光電效應方程 光的頻率決定光子能量，光的頻率決定光子能量，I只決定光子數(shù)目只決定光子數(shù)目波粒二象性Wmh 2m21v2

12、m21,vmeV 根據(jù)根據(jù)eWehV 遏止電壓與入射光的頻率成正比，比例系數(shù)遏止電壓與入射光的頻率成正比，比例系數(shù)與材料的性質無關。與材料的性質無關。 光子打出光電子光子打出光電子是瞬時發(fā)生的是瞬時發(fā)生的波粒二象性15-2-315-2-3光的波粒二象性光的波粒二象性（dualismdualism）波動性特征：波動性特征： 粒子性特征：粒子性特征：波長大或障礙物小波長大或障礙物小波動性突出波動性突出波長小或障礙物大波長小或障礙物大粒子性突出粒子性突出 、pmE、 hE 2chm hchp ch 光子靜止質量光子靜止質量 m0 = 0 2mcE Epc 20/1cvmm 傳播過程中傳播過程中光和物質相光和物質相互作用時互作用時例：波長為例：波長為1 1的的X光光子的質量為光光子的質量為