第二十五章波粒二象性

第二十五章波粒二象性第1頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三本章教學(xué)要求：了解熱輻射和黑體輻射的基本概念。理解光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律以及愛因斯坦的光子理論對(duì)這兩個(gè)效應(yīng)的解釋，理解光的波粒二象性。了解德布羅意的物質(zhì)波假設(shè)及其正確的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。了解實(shí)物粒子的波粒二象性。理解描述物質(zhì)波動(dòng)性的物理量（波長(zhǎng)、頻率）和粒子性的物理量（動(dòng)量、能量）間的關(guān)系。本章重點(diǎn)：電磁波的粒子假設(shè)，德布羅意的物質(zhì)波假設(shè)，光與實(shí)物粒子的波粒二象性。描述物質(zhì)波動(dòng)性的物理量（波長(zhǎng)、頻率）和粒子性的物理量（動(dòng)量、能量）間的關(guān)系。本章難點(diǎn)：波粒二象性概念的建立第2頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§1光的粒子性一.普朗克能量子假設(shè)1、熱輻射的基本概念定義分子的熱運(yùn)動(dòng)使物體輻射電磁波例如：加熱鐵塊基本性質(zhì)溫度發(fā)射的能量電磁波平衡熱輻射物體輻射的能量等于在同的短波成分一時(shí)間內(nèi)所吸收的能量熱輻射第3頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三白熾燈火爐400度1000度600度因輻射與溫度有關(guān)，故稱熱輻射處于平衡熱輻射時(shí)物體的溫度保持恒定第4頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三單位時(shí)間內(nèi)從物體單位表面發(fā)出的波長(zhǎng)在2、黑體和黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1）黑體能完全吸收各種波長(zhǎng)電磁波而無反射的物體M

最大且只與溫度有關(guān)而和材料附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的電磁波的能量。及表面狀態(tài)無關(guān)輻射能量按波長(zhǎng)的分布—單色輻出度M總輻出度M（T）第5頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例如：一個(gè)開有小孔的內(nèi)表面粗糙的空腔可近似看成理想的黑體。如遠(yuǎn)處不點(diǎn)燈的建筑物的窗口2)黑體輻射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)斯特藩-玻耳茲曼定律M(T)=T

4=5.6710-8W/m2K4第6頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(2)維恩位移定律m=b/Tb=2.897756×10-3m·K第7頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、經(jīng)典物理學(xué)的困難1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)維恩公式：瑞利—金斯公式：紫外災(zāi)難！第8頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4、普朗克能量子理論1)普朗克公式在全波段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驚人符合第9頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2)普朗克能量子假設(shè)(1)（諧振子）能量狀態(tài)是量子化的。)1,2,(n

n

,2

,LLLL=eee(2)不同型式的輻射，每一小份能量是不同的。n=ehnμe能量的最小單元

稱為“能量子”1918年獲諾貝爾獎(jiǎng)第10頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(3)普朗克能量子假設(shè)的意義第11頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二.愛因斯坦光子假設(shè)

1.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1)．光電效應(yīng)光電子光電效應(yīng)2)．實(shí)驗(yàn)裝置第12頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3)實(shí)驗(yàn)規(guī)律

飽和光電流強(qiáng)度

im

與入射光強(qiáng)

I成正比第13頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)無關(guān)，與入射光頻率線性地增加

遏止電壓第14頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三只有當(dāng)入射光頻率

v大于一定的頻率v0時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)0

稱為截止頻率或紅限頻率產(chǎn)生光電效應(yīng)第15頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三金屬金屬鎢（W）10.95鉀（K）2.25鈦（Ti）9.96鈉（Na）2.29鈣（Ca）7.73銫（Cs）1.94表25-1幾種金屬的紅限頻率馳豫時(shí)間不超過10-9s光電效應(yīng)是瞬時(shí)發(fā)生的第16頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.經(jīng)典物理學(xué)所遇到的困難按照光的經(jīng)典電磁理論：

光波的能量分布在波面上，陰極電子積光波的強(qiáng)度與頻率無關(guān)，電子吸收的能量也與頻率無關(guān)，更不存在截止頻率！累能量克服逸出功需要一段時(shí)間，光電效應(yīng)不可能瞬時(shí)發(fā)生！第17頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.愛因斯坦光子理論(1905)=h（1）愛因斯坦光子假設(shè)（2）愛因斯坦光電效應(yīng)方程第18頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）光子理論對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的圓滿解釋第19頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（4）愛因斯坦光子假設(shè)的意義05101520TiCsUa4.02.0遏止電壓與頻率的實(shí)驗(yàn)曲線

密立根實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（1923年獲諾貝爾獎(jiǎng)）第20頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三R第21頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三參考答案課堂練習(xí)第22頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三實(shí)驗(yàn)裝置X光石墨0.71?光欄X射線光譜儀X射線源三.康普頓光子動(dòng)量假說(1923)1、康普頓散射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)規(guī)律第23頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2341原始=450=900=13500.0700.075(nm)強(qiáng)度=00第24頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、康普頓光子動(dòng)量假設(shè)第25頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光子能量光子動(dòng)量電子能量電子動(dòng)量第26頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三康普頓散射公式完全彈性碰撞康普頓波長(zhǎng)第27頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三討論2.證明了光子理論的正確性。3.微觀領(lǐng)域也遵守動(dòng)量守恒和能量守恒定律?？灯疹D榮獲1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第28頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第29頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三課堂練習(xí)第30頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四.光的波粒二象性波動(dòng)性--它能在空間表現(xiàn)出干涉、衍射等波動(dòng)現(xiàn)象，具有一定的波長(zhǎng)、頻率。粒子性--是指它具有集中的不可分割的性質(zhì)。第31頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§2電子的波動(dòng)性

一.德布羅意物質(zhì)波假說

實(shí)物粒子具有波動(dòng)性。并且與粒子相聯(lián)系的波稱為概率波或德布羅意波第32頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第33頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例：自由電子的動(dòng)能為54eV第34頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三.德布羅意物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1、戴維遜--革末實(shí)驗(yàn)2、電子通過金多晶薄膜的衍射實(shí)驗(yàn)（湯姆遜1927）3、電子的單縫、雙縫、三縫和四縫衍射實(shí)驗(yàn)（約恩遜1961)第35頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(1)粒子性“原子性”或“整體性”不是經(jīng)典的粒子,拋棄了“軌道”概念(2)波動(dòng)性“彌散性”“可疊加性”“干涉”“衍射”“偏振”具有頻率和波矢不是經(jīng)典的波不代表實(shí)在的物理量的波動(dòng)對(duì)波粒二象性的理解第36頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§3海森伯不確定關(guān)系一.位置和動(dòng)量的不確定關(guān)系第37頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三x第38頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

推廣到三維空間，在直角坐標(biāo)系還有無法消除?。?！第39頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二.能量與時(shí)間的不確定性關(guān)系能級(jí)自然寬度和壽命設(shè)體系處于某能量狀態(tài)的壽命為則該狀態(tài)能量的不確定程度DE（能級(jí)自然寬度)第40頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例：H原子的線度的數(shù)量級(jí)為10-10m，H原中電子的速度為V=106m/s，求其速度的不確定量。+MrnmV解：不確定量已達(dá)106m/s數(shù)量級(jí)，已不能用經(jīng)典物理中的速度來描述。第41頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例：一質(zhì)量為0.4kg的足球，以10m/s的速度飛來，如動(dòng)量的不確定量為10%，求其位置的不確定