波粒二象性 整章.pptx

《波粒二象性 整章.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《波粒二象性 整章.pptx（60页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、这两朵乌云是指什么呢？这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射有关，一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。另一朵与迈克尔逊实验有关。事隔不到一年事隔不到一年(1900(1900年底年底)，就从第一朵乌，就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着云中降生了量子论，紧接着(1905(1905年年)从第二朵从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓正可谓“山重水复疑无路山重水复疑无路,柳暗花明又一村柳暗花明又一村第1页/共60页17.1能量量子化：能量量子化：物理学的

2、新纪元物理学的新纪元第2页/共60页一、黑体与黑体辐射一、黑体与黑体辐射1、热辐射、热辐射（1）定义：一切物体在任何温度下都在辐射 各种波长的电磁波，这种辐射与 物体的温度有关，称为热辐射。（2）特征：辐射强度按波长的分布情况随）特征：辐射强度按波长的分布情况随 物体的物体的温度温度而有所不同。而有所不同。固体在温度升高时颜色的变化1400K800K1000K1200K第3页/共60页 例如：铁块例如：铁块 温度温度 从从看不出发光看不出发光到到暗红暗红到到橙色橙色到到黄白色黄白色温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波的短波成分电磁波的短波成分 直觉:低温物体发出的是红外光 炽热物体发出的是可

3、见光 高温物体发出的是紫外光第4页/共60页（3 3）平衡热辐射）平衡热辐射 加热一物体,物体的温度恒定时，物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。第5页/共60页2、黑体、黑体（1）定义：能全部吸收各种波长的辐射 而不发生反射，折射和透射的 物体称为绝对黑体，简称黑体。（2）黑体模型）黑体模型（3）特征：）特征：黑体辐射电磁波的强度按黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的波长的分布只与黑体的温度温度有关，与有关，与材料的种类及表面状况材料的种类及表面状况无关。无关。第6页/共60页0123456(m)1700K1500K1300K1100K二、黑体辐射的

4、实验规律二、黑体辐射的实验规律 随着温度的增高，随着温度的增高，一方面各种波长的辐射一方面各种波长的辐射强度都有增加，另一方强度都有增加，另一方面辐射强度的极大值向面辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。波长较短的方向移动。第7页/共60页o实验值/m维恩线瑞利-金斯线紫外灾难12345678黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。第8页/共60页三、能量子：超越牛顿的发现三、能量子：超越牛顿的发现1、普朗克能量子假说：微观粒子的能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：,1,2,3,.n，n为正整数，称为量子数。2、能量子：、能量子：普朗克常量普朗克常量第9页/共60页(m)1

5、 2 3 5 6 8 947普朗克实验值第10页/共60页 普朗克后来又为这种与经典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，他才坚定地相信终之后，他才坚定地相信h h的引入确的引入确实反映了新理论的本质。实反映了新理论的本质。19181918年他年他荣获诺贝尔物理学奖，他的墓碑上荣获诺贝尔物理学奖，他的墓碑上只刻着他的姓名和只刻着他的姓名和M.Planck 德国人德国人 18581947第11页/共60页18881888年，

6、霍瓦年，霍瓦(Hallwachs)(Hallwachs)发现金属板被紫发现金属板被紫外光照射会放电。近外光照射会放电。近1010年以后（因为年以后（因为18971897年，年，J.ThomsonJ.Thomson才发现电子）人们认识到那才发现电子）人们认识到那就是从金属表面射出的电子，这些电子被就是从金属表面射出的电子，这些电子被称作称作光电子光电子(photoelectron)(photoelectron)，相应的效应，相应的效应叫做叫做光电效应光电效应。物理难题：第12页/共60页17.2科学的转折：科学的转折：光的粒子性光的粒子性第13页/共60页回顾人类对光的本性回顾人类对光的本性的认

7、识的发展过程。的认识的发展过程。波动说（惠更斯）波动说（惠更斯）微粒说（牛顿）微粒说（牛顿）电磁说电磁说（麦克斯韦）（麦克斯韦）第14页/共60页用用紫外线紫外线灯照射擦得很灯照射擦得很亮的锌板，亮的锌板，(注意用导注意用导线与不带电的验电器相线与不带电的验电器相连连），），使验电器张角增使验电器张角增大到约为大到约为 3030度时，再度时，再用与用与丝绸磨擦过的玻璃丝绸磨擦过的玻璃棒棒去靠近锌板，发现验去靠近锌板，发现验电器的指针张角电器的指针张角变大变大。表明锌板在紫外线照射下失去电子而带正电。实验实验第15页/共60页一、光电效应现象一、光电效应现象在光(包括不可见光)的照射下，从物体发

8、射电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫做光电子。第16页/共60页二、光电效应的实验规律阳阳极极阴阴极极光线经石英窗照在阴极光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出上，便有电子逸出-光电子光电子。光电子在电场作用下光电子在电场作用下形成形成光电流光电流。第17页/共60页1、每种金属都存在截止频率（极限频率）c；当入射光频率 c 时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率 W0才有光电子逸出，所以c=W0/h。最大初动能 EKm与成线性关系。瞬时效应电子一次性吸收一个光子的全部能量，不需要积累。饱和光电流 光强较大时，单位时间内发射的光子数较多，照射金属时产生的光电子多。第21页/共60页4.光电

9、效应理论的验证美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。第22页/共60页爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。第23页/共60页密立根的实验的目的是：测量金属的遏止电密立根的实验的目的是：测量金属的遏止电压压UC与入射光频率与入射光频率，由此算出普朗

10、克常数，由此算出普朗克常数h h。UC/V0.5410.637 0.7140.809 0.878/10/101414HZHZ5.6445.888 6.0986.303 6.501作出作出UC-图象。图象。第24页/共60页求普朗克常数求普朗克常数h这种金属的截止频率这种金属的截止频率C C第25页/共60页五、光电效应在近代技术中的应用光电管：把光信号转化为电信号。光电管：把光信号转化为电信号。光控继电器放大器放大器控制机构控制机构可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等第26页/共60页如图所示是做光电效应实验的装置简图。在抽成真空的玻璃管内，K为阴极（用金属铯制成，发生光电效应的逸

11、出功为1.9eV），A为阳极。在a、b间不接任何电源，用频率为（高于铯的极限频率）的单色光照射阴极K，会发现电流表指针有偏转。这时，若在a、b间接入直流电源，a接正极，b接负极，并使a、b间电压从零开始逐渐增大，发现当电压表的示数增大到2.1V时，电流表的示数刚好减小到零。求：a、b间未接直流电源时，通过电流表的电流方向。从阴极K发出的光电子的 最大初动能EK是多少焦？入射单色光的频率是多少？VAKAab单色光单色光第27页/共60页六、康普顿效应1.光的散射光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射。1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时，发现散射的

12、X射线中除有与入射波长0相同的成分外，还有波长大于0的成分，这个现象称为康普顿效应。2、康普顿效应第28页/共60页3、经典电磁理论的困难根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。4、光子理论对康普顿效应的解释光子不仅具有光子不仅具有能量能量也具有也具有动量动量，在与，在与电子碰撞时要遵守电子碰撞时要遵守能量守恒定律和动能量守恒定律和动量守恒定律量守恒定律，光子的部分能量传给电，光子的部分能量传给电子子,散射光子的散射光子的能量减少能量减少，于是散射光，于是散射光的波长的波长大于大于入射光的波长。入射光的

13、波长。第29页/共60页5、康普顿散射实验的意义（1 1）有力地支持了爱因斯坦）有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设；（2 2）首次在实验上证实了）首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量”的假设；的假设；（3 3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律动量和能量守恒定律仍然是成立的。仍然是成立的。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。第30页/共60页七、光子的能量和动量七、光子的能量和动量（光子的动质量）（光子的动质量）第31页/共60页既然光子有动量，那么光照射到物体表面被吸收或被反射时就会对物体有压力，叫做 “光压”。有人设想

14、在遥远的宇宙探测中利用光压力作动力推动航天器加速，这样可以大大减少航天器发射时自身的体积和重量的影响，在某个设计方案中，计划给探测器安上面积极大，反射率极高的薄膜，并设法让它始终正对太阳已知在地球绕日轨道上，每平方米面积上得到的太阳光的功率为P0=1.35kW，探测器本身的质量为M=100kg，薄膜面积为S=4104m2，那么探测器由地球发射到太空时，由于太阳光的光压而得到的加速度将为多大?第32页/共60页17.2崭新的一页：崭新的一页：粒子的波动性粒子的波动性第33页/共60页动量能量动量能量是描述是描述粒子粒子的的,频率和波长频率和波长则是用来描述则是用来描述波波的。的。光到底是什么？光

15、到底是什么？第34页/共60页一、光的波粒二象性一、光的波粒二象性光的光的干涉、衍射、偏振现象干涉、衍射、偏振现象说明说明光具有光具有波动性波动性，而，而热辐射、光电热辐射、光电效应、康普顿效应效应、康普顿效应又表明光具有又表明光具有粒子性粒子性，单独使用任何一种都无，单独使用任何一种都无法完整地描述光的所有性质，因法完整地描述光的所有性质，因此光具有此光具有波粒二象性波粒二象性。第35页/共60页1、波长越长，波动性越明显，、波长越长，波动性越明显，频率越大，粒子性越明显；频率越大，粒子性越明显；2、大量光子的行为表现波动性，、大量光子的行为表现波动性，单个光子的行为表现粒子性；单个光子的行

16、为表现粒子性；3、传播过程中表现波动性，、传播过程中表现波动性，和其他物质相互作用时表现粒子性。和其他物质相互作用时表现粒子性。第36页/共60页二、德布罗意波（物质波）De.Broglie 1923年发表了题为“波和粒子”的博士学位论文，提出了物质波的概念。他认为，“整个世纪以来（指19世纪）在光学中比起波动的研究方法来，如果说是过于忽视了粒子的研究方法的话，那么在实物的理论中，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图象想得太多，而过分忽略了波的现象呢”于是他提出假设“实物粒子也具有波动性”。第37页/共60页能量为E、动量为p的粒子与频率为、波长为的波相联系，并遵从以下关系：E=mc2

17、=hvP=h/这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波(物质波或概率波),其波长称为德布罗意波长。第38页/共60页一个质量为一个质量为m的实物粒子以速率的实物粒子以速率v 运动时，即具有以能运动时，即具有以能量量E和动量和动量P所描述的粒子性，同时也具有以频率所描述的粒子性，同时也具有以频率n n和波长和波长l l所描述的波动性所描述的波动性。德布罗意关系如速度如速度v=3.0 102m/s飞行的子飞行的子弹，质量为弹，质量为m=10-2Kg，对应的对应的德布罗意波长为：德布罗意波长为：如电子如电子m=9.1 10-31Kg，速，速度度v=5.0 107m/s,对应的德对应的德布罗意波长为：布

18、罗意波长为：太小测不到！太小测不到！X射线射线波段波段第39页/共60页三、物质波的实验验证三、物质波的实验验证1912年德国物理学家年德国物理学家劳厄劳厄利用晶体中排列利用晶体中排列规则的物质微粒作为规则的物质微粒作为衍射光栅检验衍射光栅检验X射线射线的波动性，证明的波动性，证明X射射线就是波长为十分之线就是波长为十分之几纳米的电磁波几纳米的电磁波。X射线经晶体的衍射图射线经晶体的衍射图第40页/共60页电子射线经晶体的衍射图电子射线经晶体的衍射图1927年，戴维孙和汤姆孙分别分别利用晶体做了电子束衍射实验，证实了电子的波动性。第41页/共60页后来的实验证明原子、分子、中子等微观粒子也具有

19、波动性。德布罗意公式成为揭示微观粒子波粒二象性统一性的基本公式，1929年，De Broglie荣获Nobel 物理学奖。第42页/共60页四、电子显微镜阅读课本阅读课本42页科学漫步页科学漫步回答问题。回答问题。第43页/共60页17.4概率波概率波第44页/共60页一、经典的粒子和经典的波一、经典的粒子和经典的波1、经典物理学中粒子运动的基本特征：、经典物理学中粒子运动的基本特征：任意时刻具有确定的位置和速度。任意时刻具有确定的位置和速度。2、经典物理学中波的基本特征：、经典物理学中波的基本特征：具有频率和波长也就是具有时空的周期性。具有频率和波长也就是具有时空的周期性。第45页/共60页

20、二、概率波二、概率波1、光子说对明暗条纹的解释、光子说对明暗条纹的解释明纹处到达的光子数多，明纹处到达的光子数多，暗纹处到达的光子数少。暗纹处到达的光子数少。2、光的波动性不是光子之间的相互作用、光的波动性不是光子之间的相互作用 引起的，而是光子自身固有的性质。引起的，而是光子自身固有的性质。第46页/共60页玻恩1926年提出概率波。玻恩(M.Born.1882-1970)德国物理学家。不能肯定某个光子落在不能肯定某个光子落在哪一点，但大量光子在哪一点，但大量光子在空间出现的概率可以通空间出现的概率可以通过波动规律确定，即光过波动规律确定，即光波是一种概率波。波是一种概率波。第47页/共60

21、页3、电子干涉条纹对概率波的验证。、电子干涉条纹对概率波的验证。对于电子和其他微观粒子，对于电子和其他微观粒子，单个单个粒子位粒子位置是置是不确定不确定的，但在某点附近出现的的，但在某点附近出现的概概率率的大小可以用的大小可以用波动的规律波动的规律确定。确定。第48页/共60页三、经典波动与德布罗意波(物质波)的区别 经典的波动(如机械波、电磁波等)是可以测出的、实际存在于空间的一种波动。而德布罗意波(物质波)是一种概率波。简单的说，是为了描述微观粒子的波动性而引入的一种方法。第49页/共60页17.5不确定性关系不确定性关系第50页/共60页一、不确定度关系一、不确定度关系 经典力学经典力学

22、：运动物体有：运动物体有完全确定完全确定的位置、动量、能量等。的位置、动量、能量等。微观粒子微观粒子：位置、动量等具有：位置、动量等具有不确定量不确定量（概率）。（概率）。一束微观粒子以速度一束微观粒子以速度 v v 沿沿 oy oy 轴射向狭缝。轴射向狭缝。粒子在中央主极大区域粒子在中央主极大区域出现的几率最大。出现的几率最大。y y第51页/共60页电子通过狭缝的瞬间，电子通过狭缝的瞬间，其位置在其位置在 x x 方向上的方向上的不确定量为不确定量为y y 电子的位置和动量分电子的位置和动量分别用别用 和和 来表示。来表示。同一时刻，由于衍射效应，粒子的速度方向有了改变，缝越小，动量的分量

23、 Px变化越大。分析计算可得:第52页/共60页我们知道，原子核的数量级为10-15m，所以，子弹位置的不确定范围是微不足道的。可见子弹的动量和位置都能精确地确定，不确定关系对宏观物体来说没有实际意义。例例1.1.一一颗颗质质量量为为10g 10g 的的子子弹弹，具具有有200m200ms s-1-1的的速速率率，若若其其动动量量的的不不确确定定范范围围为为动动量量的的0.0.01%(01%(这这在在宏宏观观范范围围是是十十分分精精确确的的了了)，则则该该子子弹弹位位置置的的不不确确定定量量范范围围为为多多大大?解:子弹的动量动量的不确定范围由不确定关系式(17-17)，得子弹位置的不确定范围

24、第53页/共60页原子大小的数量级为10-10m，电子则更小。在这种情况下，电子位置的不确定范围比原子的大小还要大几亿倍，可见企图精确地确定电子的位置和动量已是没有实际意义。例例2 2.一一电电子子具具有有200 200 m/sm/s的的速速率率，动动量量的的不不确确定定范范围围为为动动量量的的0.0.01%(01%(这这已已经经足足够够精精确确了了)，则则该该电电子子的的位置不确定范围有多大位置不确定范围有多大?解:电子的动量为动量的不确定范围由不确定关系式，得电子位置的不确定范围第54页/共60页 宏观物体宏观物体 微观粒子微观粒子具有确定的坐标和动量具有确定的坐标和动量 没有确定的坐标和

25、动量没有确定的坐标和动量可用牛顿力学描述。可用牛顿力学描述。需用量子力学描述。需用量子力学描述。有连续可测的运动轨道，可有连续可测的运动轨道，可 有概率分布特性，不可能分辨有概率分布特性，不可能分辨 追踪各个物体的运动轨迹。追踪各个物体的运动轨迹。出各个粒子的轨迹。出各个粒子的轨迹。体系能量可以为任意的、连体系能量可以为任意的、连 能量量子化能量量子化。续变化的数值。续变化的数值。不确定度关系无实际意义不确定度关系无实际意义 遵循不确定度关系遵循不确定度关系二、微观粒子和宏观物体的特性对二、微观粒子和宏观物体的特性对比比第55页/共60页三、不确定关系的物理意义和微观本质三、不确定关系的物理意

26、义和微观本质1.1.物理意义：物理意义：微观粒子不可能微观粒子不可能同时同时具有确定的位置和具有确定的位置和动量。粒子位置的不确定量动量。粒子位置的不确定量 x x越小，越小，动量的不确定量动量的不确定量 PxPx就越大，反之亦然。就越大，反之亦然。2.2.微观本质：微观本质：是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布遵从统计规律的必然结果。遵从统计规律的必然结果。第56页/共60页不确定关系不确定关系式式表明表明：微观粒子的坐标测得愈准确微观粒子的坐标测得愈准确(x0)，动量，动量就愈不准确就愈不准确(px)；微观粒子的动量测得愈准确微观粒子的动量测得愈准确(p

27、x0)，坐标就愈，坐标就愈不准确不准确(x)。但这里要注意，不确定关系但这里要注意，不确定关系不是说微观粒子的坐标测不准；不是说微观粒子的坐标测不准；也不是说微观粒子的动量测不准；也不是说微观粒子的动量测不准；更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准；更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准；而是说微观粒子的坐标和动量不能而是说微观粒子的坐标和动量不能同时同时测准。测准。第57页/共60页因为微观粒子的坐标和动量本来就不同时具有确定量。因为微观粒子的坐标和动量本来就不同时具有确定量。这本质上是微观粒子具有波粒二象性的必然反映。这本质上是微观粒子具有波粒二象性的必然反映。由上讨论可知，不确定关系是自然界

28、的一条由上讨论可知，不确定关系是自然界的一条客观规律客观规律,不不是测量技术和主观能力的问题。是测量技术和主观能力的问题。不确定关系提供了一个判据：不确定关系提供了一个判据：当不确定关系施加的限制当不确定关系施加的限制可以忽略可以忽略时，则可以用时，则可以用经经典理论典理论来研究粒子的运动。来研究粒子的运动。当不确定关系施加的限制当不确定关系施加的限制不可以忽略不可以忽略时，那只能用时，那只能用量子力学理论量子力学理论来处理问题。来处理问题。为什么微观粒子的坐标和动量不能为什么微观粒子的坐标和动量不能同时同时测准测准?第58页/共60页阅读课本阅读课本P45量子力学量子力学第59页/共60页谢谢您的观看！第60页/共60页