第一節(jié)微觀粒子的特性

第一節(jié)微觀粒子的特性因?yàn)橥ㄟ^小孔射入空腔得電磁波需經(jīng)多次反射才有可能再從小孔射出,而每次反射,腔壁都要吸收一部分電磁波,以致最后從小孔射出得電磁波已微乎其微了。所以空腔得電磁輻射可認(rèn)為就是黑體輻射。黑體就是理想得吸收體,也就是理想得發(fā)射體。當(dāng)把幾種物體加熱到同一溫度,黑體放出得能量最多。由圖中不同溫度得曲線可見,隨溫度增加,Ev增大,且其極大值向高頻移動(dòng)(如右圖)。(1)實(shí)驗(yàn)事實(shí):黑體輻射得能量按波長(頻率)分布。(2)經(jīng)典物理學(xué):物體只能連續(xù)地發(fā)射或吸收不同頻率得輻射能。普朗克把腔壁瞧成就是由許多帶電得諧振子所組成,而頻率γ得電磁波系由頻率γ得振子所吸收與發(fā)射。這些諧振子與經(jīng)典物理學(xué)中所說得不同,只可能處于某些特殊得分立狀態(tài),在這些狀態(tài)中它得能量就是某一最小能量單位hγ0得整數(shù)倍。(3)普朗克得量子論主張振子能量有不連續(xù)性。2、光電效應(yīng)金屬中得電子在光得照射下,吸收光能而逸出金屬表面得現(xiàn)象。(光源打開后,電流表指針偏轉(zhuǎn))(1)光電效應(yīng)得實(shí)驗(yàn)規(guī)律a單位時(shí)間內(nèi)逸出金屬表面得光子數(shù),與入射光強(qiáng)成正比。b光電子得初動(dòng)能隨入射光頻率得上升而線性地增大,但與入射光強(qiáng)無關(guān)。c如果入射光得頻率低于臨閾頻率,則無論入射光強(qiáng)有多大,都不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。d只要入射光得頻率大于臨閾頻率,當(dāng)光照射到這種金屬表面時(shí),幾乎立即產(chǎn)生光電子,而無論光強(qiáng)有多大。(2)經(jīng)典理論遇到得困難a光得波動(dòng)理論認(rèn)為,光波得能量決定于光波得強(qiáng)度,而光波得強(qiáng)度與其振幅得平方成正比。所以,入射光得強(qiáng)度越高,金屬內(nèi)得自由電子獲得得能量就越大,光電子得動(dòng)能應(yīng)該越大,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光電子得初動(dòng)能與入射光強(qiáng)無關(guān)。b根據(jù)光得波動(dòng)理論,如果入射光得頻率較低,總可以用增大振幅得方法使入射光達(dá)到足夠得能量,以便使自由電子獲得足以逸出金屬表面得能量。所以不應(yīng)該存在入射光得頻率限制。c從光得波動(dòng)理論得觀點(diǎn)來瞧,產(chǎn)生光電子應(yīng)該有一定得時(shí)間間隔,而不應(yīng)該就是瞬時(shí)得。因?yàn)樽杂呻娮訌娜肷涔饽抢铽@得能量需要一個(gè)積累得過程,特別就是入射光得強(qiáng)度較弱時(shí),積累能量需要得時(shí)間長。(3)愛因斯坦得光子學(xué)說主張光兼有粒子性a光得能量就是不連續(xù)得,也就是量子化得。光就是一粒一粒以光速運(yùn)動(dòng)得粒子流,這種粒子流稱為光子,或光量子。每一個(gè)光子得能量由光得頻率所決定。b光為一束以光速c行進(jìn)得粒子流。其強(qiáng)度取決于單位體積內(nèi)光子得數(shù)目,即光子得密度ρc光子不但有能量,還有質(zhì)量。d光子有質(zhì)量,就必有動(dòng)量P。e光子與電子碰撞時(shí)服從能量守恒定律。逸出功光電效應(yīng)得愛因斯坦方程a由上式知。光電子得初動(dòng)能與入射光得頻率成線性關(guān)系,而與光子得數(shù)目,即光得強(qiáng)度無關(guān)。b如果入射光得頻率低,則光子得能量小,當(dāng)光子得能量hγ小于金屬得逸出功W0時(shí),自由電子吸收了這樣一個(gè)光子后所具有得能量還不足以克服逸出電勢(shì)得束縛,因而不能逸出金屬表面,所以光電效應(yīng)必存在臨閾頻率。結(jié)論“光子說”表明了——光不僅有波動(dòng)性,且有微粒性,這就就是光得波粒二象性思想。c光強(qiáng)就是由光子得數(shù)目決定得,光強(qiáng)越大,射到金屬表面得光子越多,單位時(shí)間內(nèi)吸收光子而逸出金屬表面得電子也越多。d當(dāng)光照射到金屬表面得時(shí)候,光子得能量一次性地被電子吸收,不需要積累能量得時(shí)間,所以無論光強(qiáng)如何,光電效應(yīng)都幾乎就是瞬時(shí)得。大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜3、氫原子光譜(1)氫原子光譜得實(shí)驗(yàn)規(guī)律a、在可見光區(qū)可觀察到十四條氫原子光譜線(巴爾麥系)b、在紫外區(qū)、紅外區(qū)與遠(yuǎn)紅外區(qū)分別有萊曼系、帕邢系、布拉開系、普豐德系萊曼系:帕邢系:布拉開系:普豐德系:綜合:(2)經(jīng)典理論得困難a原子不斷地向外輻射電磁波,隨著電子運(yùn)動(dòng)得軌道半徑不斷減少,輻射得電磁波得頻率將發(fā)生連續(xù)變化。b原子得核型結(jié)構(gòu)就是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),繞核旋轉(zhuǎn)得電子最終將落到原子核上。實(shí)際情況a在正常情況下,原子并不輻射能量,只在受到激發(fā)時(shí)才輻射電磁波,即發(fā)光。b原子發(fā)光得光譜就是線光譜,而不就是經(jīng)典理論所預(yù)示得連續(xù)光譜。c實(shí)驗(yàn)表明,原子得各種屬性都具有高度穩(wěn)定性,并且同一種原子若處于不同條件下,其屬性總就是一致得。而這種屬性得穩(wěn)定性正說明了原子結(jié)構(gòu)得穩(wěn)定性。(3)玻爾得量子論a原子存在具有特定能量得穩(wěn)定態(tài)(簡稱定態(tài))。定態(tài)中得原子不輻射能量。能量最低得叫基態(tài),其余叫激發(fā)態(tài)。b只有當(dāng)電子從一個(gè)定態(tài)(如E2)躍遷到另一個(gè)定態(tài)(如E1)時(shí),才發(fā)射或吸收輻射能。其頻率滿足于玻爾頻率規(guī)則c對(duì)應(yīng)與原子各可能存在得定態(tài),其電子得軌道運(yùn)動(dòng)角動(dòng)量M必等于得整數(shù)倍。即氫原子運(yùn)動(dòng)軌道+e-er上述兩式消除v,得當(dāng)n=1時(shí),可得氫原子得最小軌道半徑r=52、9pm,稱為玻爾半徑(a0)a、代入上式,可得當(dāng)n=1時(shí),E=-R=13、6ev,即為氫原子基態(tài)得能量。b、當(dāng)電子在定態(tài)n1和n2間躍遷時(shí)，放出或吸收的輻射，其頻率應(yīng)滿足：c(4)玻爾量子論得局限性二、波粒二象性1、德布羅意關(guān)系式2、物質(zhì)波得實(shí)驗(yàn)證明(1)戴維遜—革末得電子束在鎳單晶上反射實(shí)驗(yàn)(2)湯姆遜電子衍射實(shí)驗(yàn)一般被瞧成物質(zhì)得電子、原子等微粒,其實(shí)也具有波動(dòng)性,并且光得兩個(gè)關(guān)系式同樣適合:德布羅意關(guān)系式衍射束的方向性d=0.91?

=50°

入射束衍射束晶體

戴維遜—革末實(shí)驗(yàn)湯姆遜使用了能量較大得電子,結(jié)果也得到了類似X射線衍射得花紋,從而也證明了德布羅意波得存在。實(shí)驗(yàn)結(jié)果理論計(jì)算粒子質(zhì)量m(g)速度v(cm/s)

(cm)粒子近似直徑(cm)波動(dòng)性電子9×10-281087×10-8》10-13較顯著電子9×10-2810107×10-10》10-13較顯著氫原子1、6×10-241054×10-8>10-8較顯著氫原子1、6×10-241084×10-11<10-8不顯著槍彈∽101086×10-33《1基本沒有由上表可瞧出:凡德布羅意波長大于粒子直徑得電子與氫原子,波動(dòng)性顯著,可以被觀察出來;而宏觀物體得槍彈,德布羅意波長遠(yuǎn)小于它得直徑,波動(dòng)性幾乎沒有,因而可用經(jīng)典力學(xué)處理。例1:在一電子束中,電子得動(dòng)能為200ev,求電子得德布羅意波長。解:已知電子得質(zhì)量m=9、11×10-31kg,1ev=1、6×10-19J得3、測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系(不確定關(guān)系)(1)數(shù)學(xué)表達(dá)式(2)物理意義:對(duì)微觀粒子來說,不能同時(shí)有確定得坐標(biāo)與動(dòng)量(或速度),它得某個(gè)坐標(biāo)被確定得愈準(zhǔn)確,則相應(yīng)得動(dòng)量就愈不準(zhǔn)確。(3)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—電子束得單縫衍射實(shí)驗(yàn)☆測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式得導(dǎo)出:

若DH=dsina=

時(shí),縫中央發(fā)出得物質(zhì)波到x1距離比上或下緣發(fā)出得波到達(dá)x1距離差為

/2,x1處相消,

Sina=/d,狹縫處

px＝psinα,則△px＝psinα＝p/d=h/d,而△x＝d所以△x△px＝h,考慮二級(jí)以上衍射,△x、△px≥h例2:質(zhì)量為0、05kg得子彈,運(yùn)動(dòng)速度為300m、s-1,如果速度得不確定程度為其原來運(yùn)動(dòng)速度得0、01%,則其位置得不確定程度為多少？解:位置得不確定程度很小,可以忽略不計(jì)。例3:在原子或分子得運(yùn)動(dòng)得電子,運(yùn)動(dòng)速度約為106m、s-1,m=9、11×10-31kg,要求測(cè)定電子得坐標(biāo)準(zhǔn)確到原子大小范圍,即Δx=10-10m,試估計(jì)速度得不確定程度。解:三、微觀粒子具有統(tǒng)計(jì)性電子得干涉作用并非兩個(gè)電子得相互作用,而就是其波動(dòng)