第二十五章波粒二象性

第二十五章波粒二象性第1頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本章教學(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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月白熾燈火爐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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單位時(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(wú)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(wú)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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例如：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

=5.67

10-8W/m2K4第6頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)維恩位移定律

m=b/Tb=2.897756×10-3m·K第7頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)普朗克能量子假設(shè)的意義第11頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二.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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)，與入射光頻率線性地增加

遏止電壓第14頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月只有當(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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬金屬鎢（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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(wú)關(guān)，電子吸收的能量也與頻率無(wú)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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）光子理論對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的圓滿解釋第19頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月R第21頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月參考答案課堂練習(xí)第22頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2341原始=450=900=13500.0700.075(nm)強(qiáng)度=00第24頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、康普頓光子動(dòng)量假設(shè)第25頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光子能量光子動(dòng)量電子能量電子動(dòng)量第26頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月康普頓散射公式完全彈性碰撞康普頓波長(zhǎng)第27頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月討論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。康普頓榮獲1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第28頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第29頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月課堂練習(xí)第30頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四.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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第33頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：自由電子的動(dòng)能為54eV第34頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三.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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月x第38頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

推廣到三維空間，在直角坐標(biāo)系還有無(wú)法消除！?。〉?9頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二.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)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：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(lái)描述。第41頁(yè)，課件共43頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：一質(zhì)量為0.4kg的足球，以10m/s的速度飛來(lái)，如動(dòng)量的不確定量為10%，求其位置的不確定量。