大学物理波粒性

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,1,光是怎样发射和吸收的？在研究黑体辐射实验曲线时，根据波动理论所得到的公式与实验结果有差异。普朗克1900年提出了量子假设，解决了以上矛盾。1905年爱因斯坦假定电磁辐射的能量是由大小为 的量子组成。物体吸收或发射光的能量只能是 的整数倍。光子具有能量，还具有动量。光的波粒二象性。用统一的理论来描述，导致了量子电动力学的诞生。,2,1、热辐射 普朗克量子假设,热辐射：,一、基尔霍夫定律：,1、单色发射本领：,单位时间内从物体表面的单位面积上辐射，波长范围,的电磁波能量为,称为单色发射本领,是波长、温度的函数,总发射本领,温度一定，单位时间、单位面积,电磁波的总能量,3,2、物体对电磁波的反射和吸收,单色反射率 ：对一定波长的波，单位时间、单位,面积上反射能与入射能之比,单色吸收率 ：吸收能与入射能之比,3、绝对黑体：单色吸收率恒为1的物体,4、平衡热辐射场：,它们靠发射和吸收交换能量,a、,每个物体，射向该物体的辐射能,必等于离开物体的辐射能,b、,空间内各种波长辐射能密度处,处均匀稳定,真空容器,4,c,、单位时间、投射到单位面积、的辐,射能相等。,d,、同一点、不同波长区间的辐射能密度不同；,不同点、相同波长区间的辐射能密度相同,5、单色辐射通量：,在上述空间任一个小面积元，单位时间、单位面积、,单位波长向各个方向辐射（穿过）的物理量,是波长,的场能密度,5,6、基尔霍夫定律：,发射 反射 辐射,黑体,单色辐射通量,任何物体在某一温度下对于某一波长的单色发射本领和单色吸收率的比值都相同，都等于绝对黑体在同一温度下对同一波长的发射本领。,6,同温度下两个物体相比，甲对某波长吸收的多，对同波长发射的多；对某波长不吸收者，也不发射。,对任何波长的辐射能来说，在单位时间内，以单位面积计，绝对黑体发出的和吸收的，都要比同温度的任何其他物体多。,A,B,二、黑体辐射定律：,吸收很强。,温度一定，是平衡热辐射场。,小孔处的单色辐射通量就近似为平衡热辐射场的单色辐射通量，即为黑体的单色发射本领。,小孔视为绝对黑体,7,0,黑体单色辐射本领,棱镜,平行光管,透镜,黑体,测定黑体辐射本领,8,1、斯忒藩玻耳兹曼定律：,曲线表示一定温度下单色发射本领依波长分布的情况,总发射本领（单位时间、单位面积、对各种波长的总辐射能）,理论计算,实验确定,为常数,工业用此法测炉温,2、维恩位移定律：,极值点所对应的波长为 ，表明波长在 附近时，发射本领最大。向短波移动。,b,为常数,底温炉火发出的光大部分是波长较长的红光,9,可以计算太阳表面的温度,三、普朗克量子假设：,维恩从热力学理论推出了适用于短波区的公式。,瑞利和金斯从电磁场理论和能均分原理导出一个适用于长波区公式。,h,为普朗克常数,n,为量子数,振子所吸收或发射的能量是量子化的,普朗克的量子假设：,绝对黑体腔壁的原子可看作带电的线性谐振子，它们能够与周围的电磁场交换能量，这些频率为 的谐振子只可能处于某些特殊的状态，在这些特殊的状态上，振子的能量是最小能量的整数倍。,10,普朗克根据量子假设推得绝对黑体的辐射公式,：,11,普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信,h,的引入确实反映了新理论的本质。,1918年他荣获诺贝尔物理学奖,。,他的墓碑上只刻着他的姓名和,12,V,G,R,K,A,+,_,2、光电效应,一、实验规律：,1、用频率一定的单色光实验,0,V,I,13,2、保持频率一定、增加光强：,a、I,随,V,的增大而增大,饱和电流,b、I=0,时所对应的电势差称为遏止电势差,反映光电子逸出时的最大动能,C、,与光强无关,3、与光的频率有关,K,为直线的斜率，是普适恒量，对所有金属都一样,14,为直线在 轴上的截距，各金属不同。,实验测定,ek,即为普朗克常数,当 时，无论光强多大，都不会有光电子逸出。,只要 ，无论光强如何，光电子几乎立刻逸出。,称为金属的红限频率,二、波动理论的困难,1、电子的逸出功应决定于光强；,2、任何频率的光，只要有足够的光强，都应该产生,光电效应；,15,3、电子积累能量需要时间，光电效应不是瞬时的。,三、爱因斯坦的光子理论：,光是以光速运动的粒子流，这些粒子称为光量子或光子，,光子的能量是 。光强决定于单位时间内通过单位面积,的光子数,N.,单色光的光强是 。光子只能作为一个整,体被发射和吸收。,光电效应方程,逸出功,16,1、电子的逸出与频率有关，,2、光强的大小说明光子数的多少，影响到饱和电流。,3、光子是一个整体而被电子吸收，不需要时间积累。,光子静止质量,光子能量,光子动量,爱因斯坦“因在数学物理方面的成就，尤其发现了光电效应的规律”，获得了1921年诺贝尔物理奖。,17,例：某金属的逸出功为,A，,用频率为 的光照射该,金属能产生光电效应，求金属的红限频率，,，问遏止电势差是多少,解：红限頻率满足,遏止电势差,而,所以,18,3、康普顿效应,一、实验装置和实验结果,A,K,+,-,探测器,X,射线源,光栏,石墨,晶体,1926年康普顿测量了各方向的散射光的波长。,19,I,I,I,I,实验结果表明：随散射角的增大，在一个确定的方向上，除了有,x,射线的波 外，还有波长为 的射线出射，且,随散射角的增大而增大,称为康普顿效应,20,二、波动理论的困难,电磁波通过物体时，会使物体中带电粒子作受迫振动，其频率应和入射光的频率相同，向四周辐射电磁波，波长也应该一样。,X,射线光子与,“,静止,”,的,“,自由电子,”,弹性碰撞,碰撞过程中能量与动量守恒,e,三、康普顿的解释,21,碰撞后光子失去能量：,康普顿：美国实验物理学家，芝加哥大学教授。因发现康普顿效应而获得1927年诺贝尔物理学奖。,22,例:波长 的,X,射线与静止的自由电子碰撞.,在与入射方向成 角的方向上观察时,散射,X,射线的,波长多大?反冲电子的动能和动量各如何?,解:,电子的康普,顿波长,在这一方向上还有波长不变的散射光,反冲电子获得的动能等于入射光子损失的能量,23,e,x,y,如图所示,解之,24,光(波)具有粒子性,一.德布罗意假设,实物粒子具有波动性,？,电子在电场里加速所获得的能量,4、德布罗意波,25,视为波,X,射线范围,二、实验验证,G,镍单晶,26,实验中，,d,不变，不变，观察反射方向电流的变化，只有当,V,满足布喇格公式时，,I,是极大值。,电子通过金多晶薄膜的衍射实验,（汤姆逊1927）,V,I,27,电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验,（约恩逊1961),电子数目少，则出现衍射斑点；,电子数目多，则出现衍射条纹。,三、德布罗意波的统计解释：,粒子的观点：亮处，,粒子到达该处的,几率大,，几会多，,可能性大；,28,暗处，粒子到达该处的几率小，几会少，,可能性小。,波的观点,：,亮处，干涉加强，,合振幅大，光强大,；,暗处，干涉消弱，合振幅小，光强小。,在某处德布罗意波的,振幅平方,与该处粒子出现的,几率,成正比,例题1,：,m=0.01kg，,v,=300m/s,的子弹,难以测量,，,“,宏观物体只表现出粒子性,”,极其微小，宏观物体的波长小得实验,29,对波粒二象性的理解,(1),粒子性,“,原子性,”,或,“,整体性,”,不是经典的粒子,抛弃了,“,轨道,”,概念,(2),波动性,“,弥散性,”“,可叠加性,”“,干涉,”“,衍射,”“,偏振,”,具有频率和波矢,不是经典的波 不代表实在的物理量的波动,30,德布罗意：法国理论物理学家，巴黎大学教授，31岁时（1923年）在他的博士论文中提出了物质波的理论，两年后薛定鄂在他的思想基础上创立了波动力学，德布罗意的贡献闻名于世，1927年，电子波动性为实验所证实，他为此而获得诺贝尔物理学奖。,31,5、不确定关系,在经典力学中，我们可以通过实验同时测定质点的位置和动量，对于微观粒子，则不能，也不存在粒子轨道的概念。,p,X,光的单缝衍射,一级暗纹,32,而,考虑到次级衍射,测不准关系,微观粒子不能同时用确定的位置和确定的动量来描述,33,例：质量为10克的子弹，速度是200米/秒 ，动量的,不准确量为 ，求位置的不确定量。,解：,严格的理论给出,光子不确定性关系,