2020年高中物理竞赛量子物理A 第一章 波粒二象性共35张 课件

1、1,2020,高中物理竞赛,量,子,物,理,第一章,波粒二象性,2,引言,十九世纪末，经典物理已相当成熟,对物理现象本质的认识似乎已经完成,但在喜悦的气氛中，还有两朵,小小的令人不安的乌云,跳出传统的物理学框架,热辐射的,紫外灾难,寻找以太的,零结果,相对论,热辐射的紫外灾难,量子论,相对真理,绝对真理,3,学习方法,处理好三个关系,形象和抽象,注意培养抽象思维能力,演绎和归纳,注意要接受新的观点,学习归纳法培养创造性思维,物理和技术,学习应用物理原理在技术上创新,4,1.1,黑体辐射（和普朗克的能量子假说,分子,含有带电粒子,的热运动使物体辐射,电磁波,这种与温度有关的辐射称为,热辐射,he

2、at radiation,热辐射的电磁波的能量对频率有一个分布,例如加热铁块，随着温度的升高,开始不发光,黄白色,橙色,暗红,温度不同，热辐射的电磁波的能量不同,频率分布也不同,5,同一个黑白花盘子的两张照片,室温下，反射光,1100K,自身辐射光,与温度有关,激光、日光灯发光不是热辐射,6,温度为,T,时,单位时间内从物体单位表面发出的,频率,在,附近单位频率区间内的电磁波的能量,称为,光谱辐射出射度,M,T,1,光谱辐射出射度,M,T,一,描述热辐射的物理量,d,dE,T,M,的,SI,单位,为,W/(m,2,Hz,d,E,温度为,T,时,单时间内从物体单位表面,发出的频率在,d,间隔内的

3、电磁波的能量,M,T,描述热辐射能量按频率的分布,T,单位面积,表面情况,物质种类,T,7,钨丝、太阳的,M,和,关系的,实验曲线,M,注意：图中钨丝、太阳的,M,纵坐标标度不同,8,2,总辐出度,M,T,0,d,T,T,M,的单位为,W/m,2,3,光谱吸收比,T,入射,吸收,dE,dE,T,以上这些物理量均与,物体种类及其表面情况有关,T,温度为,T,时,单位时间内）入射,到物体（单位表面）的,频率在,d,间隔,内的电磁波的能量被物体吸收的百分比,9,平衡热辐射,此时物体具有固定的温度,我们只讨论平衡热辐射的情况,物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收,的能量时，热辐射过程达到热平衡，称为,

4、平衡热辐射,热辐射的情况与物体种类及其表面有关,情况太复杂了,怎么去研究热辐射的规律呢,提出,理想模型”的方法,10,1,黑体,能完全吸收照射到它上面的各种,频率电磁波的物体，称为黑体,二,黑体和黑体辐射的基本规律,维恩设计的黑体,黑体,黑体能,吸收,各种频率的电磁波,也能,辐射,各种频率的电磁波,黑体的光谱吸收比,T,1,理想模型,为不透明材料的空腔,开的一个小孔,11,实验表明,辐射本领大的物体，吸收本领也大,实验演示,黑体的吸收本领最大，辐射本领也最大,而黑体（的热辐射）正好与空腔的形状、材料及,表面状态,都无关，是最好的研究对象,研究热辐射,本身,的规律，应利用辐射本领,M,只与频率、

5、温度有关，而和材料及表面状态,无关的物体,12,对各种具体物体的总辐出度，可以通过实验,定出的“黑度系数,如有“机电手册”可查,来得到,物体的黑度系数,黑体,物体,T,M,T,M,例,油毛毡（法向,0.93 (20,0,C,氧化铜（法向,0.6,0.7(50,0,C,13,2,研究黑体辐射的实验装置示意图,黑体,热电偶,测,M,T,光栅光谱仪,或棱镜光谱仪,T,测得的黑体辐射实验曲线和两个实验定律,14,3,斯特藩,玻耳兹曼定律（实验定律,5.67,10,8,W,m,2,K,4,4,维恩位移定律,实验定律,黑体辐射光谱中辐射,最强的频率,m,与黑体温,度,T,之间满足正比关系,T,C,m,C,

6、5.88,10,10,Hz/K,4,T,T,M,总辐出度,M,T,与黑体,温度的四次方成正比,M,黑体辐射实验曲线,b,T,m,或,b,2.898,10,3,m,K,m,15,例。若视太阳为黑体,nm,510,m,测得,b,T,m,由,定出,K,T,5700,表,面,维恩,因热辐射定律的发现,1911,年获诺贝尔物理学奖,斯特藩,玻耳兹曼定律和,维恩位移律是,测量高温,遥感,和,红外追踪,等技术的,物理基础,红外照相机拍摄的,人的头部的,热图,热的地方显白色,冷的地方显黑色,16,三,经典物理学所遇到的困难,如何解释黑体辐射实验曲线,空腔壁产生的热辐射，想象,成空腔壁内有许多以壁为,节点的电磁

7、驻波,其中最典型的是维恩公式,和瑞利,金斯公式,黑体内的驻波,但是,由经典理论导出的,M,T,公式都与实验结果不符合,17,1,维恩公式（非前面的维恩位移公式,假定驻波能量按频率的分布类似于,经典的）麦克斯韦速度分布率。得,2,瑞利,金斯公式,假定驻波的平均能量为,kT,经典的能量均分定理），得,在低频段，维恩线偏离实验曲线,在高频段,紫外区,与实验明显不符,短波极限为无限大,紫外灾难”,T,e,T,M,3,kT,C,T,M,2,3,2,18,黑体热辐射的,理论与实验,结果的比较,M,19,四,普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式,1,普朗克假设,1900,年,普朗克,1858-1947,年,与

8、鲁本斯,即物体发射或吸收电磁辐射,只能以“量子”方式进行，每,个,能量子,的能量为,h,其中,h,6.626,10,3 4,J,s,称为普朗克常数,普朗克认为空腔黑体的热平衡状态，是组成腔壁,的带电谐振子和腔内的电磁辐射交换能量而达到,平衡的结果,谐振子的能量只能是,2,1,n,nh,E,20,2,普朗克公式,普朗克在德国物理学会上报告了与全波段实验,结果极为符合的普朗克公式,1,2,3,2,kT,h,T,M,e,c,h,1900.12.14.,量子论诞生日,玻尔对普朗克量子论的评价,在科学史上很难找到其它发现能象普朗克的,如此非凡的结果,基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里产生,这个发现将

9、人类的观念,不仅是有关经典,科学的观念,而且是有关通常思维,方式的观念,的基础砸得粉碎,21,思想束缚下获得的这一解放。,知识的如此的神奇进展,应归功于人们从传统的,爱因斯坦在,1918,年,4,月普朗克六十岁生日,庆祝会上的一段讲话,在科学的殿堂里有各种各样的人：有人爱科学是,为了满足智力上的快感；有人是为了纯粹功利的,目的，而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那,些普遍的基本规律,他成了一个,以伟大的创造性观念造福于世界的人,普朗克,获得,1918,年诺贝尔物理学奖,普朗克本人也有很多的困惑和彷徨,能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的,22,为什么在宏观世界中,观察不到能量分离的现象,

10、五,量子假说的含义及其与宏观现象的关系,例：设想一质量为,m,1g,的小珠子悬挂在一个小轻弹簧下面作振幅,A,1mm,的谐振,动。弹簧的劲度系数,k,0.1N/m,按量子理论计算,此弹簧振子的能级间隔多大,减少一个能量子时,振动能量的相对变化是多少,量子论,是不附属于经典物理,的,全新的理论，适用范围更广,能量,经典,光量子,h,h,2,h,3,h,能量子,2,1,n,nh,E,能量,23,1,3,59,1,10,1,0,28,6,1,2,1,s,m,k,能级间隔,J,33,34,10,05,1,59,1,10,65,6,h,E,振子现有能量,J,8,6,2,10,5,10,1,0,2,1,k

11、A,2,1,E,相对能量变化,26,8,33,10,2,10,5,10,05,1,E,E,解,弹簧振子的频率,这样小的相对能量变化在现在的技术条件下还不可能测量出来。现在能达到的最,高的能量分辨率为,16,10,E,E,所以宏观的能量变化看起来,都是连续的,24,叶企孙先生,1898,1977,中国科学院学部委员（常务,清华大学,首任物理系主任,1926,首任理学院院长,1929,1921,叶企孙,W.Duane,H.H.Palmer,用,X,射线方法测得,s,J,10,009,0,556,6,34,h,1986,推荐值,s,J,10,6260755,6,34,h,1998,推荐值,s,J,1

12、0,62606876,6,34,h,s,J,10,63,6,34,h,一般取,25,1.2,光电效应（和爱因斯坦的光量子论,金属及其化合物在电磁辐射照射下发射电子的,现象称为光电效应，所发射的电子称为光电子,实验装置,GD,为光电管,光通过石英窗口照射,阴极,K,光电子从阴极,表面逸出,光电子在电场加速下向,阳极,A,运动，形成光电流,1.3,光的二象性,光子,实验规律,26,1,用光强,I,一定的某种频率的光照射,得到的饱和光电流强度,i,m,是一定的,光强越大，饱和光电流强度也越大,当电压,U,0,时，光电流,并不为零；只有当两极间,加了反向电压,U,U,c,0,时，光电流,i,才为零,U

13、,c,i,m2,i,m1,I,1,I,2,光强,I,2,I,1,U,i,U,c,截止电压,这表明,从阴极逸出的,光电子有初动能,c,m,eU,u,m,2,2,1,2,相同频率但强度大小不同的光照射,截止电压,U,c,是相同的，与光强无关,27,截止电压,U,c,与频率,的具体实验规律,截止电压与入射光频率的关系,c,U,其中,K,为斜率，普适常数,U,0,为截距,与材料有关,直线与横坐标的交点,就是,红限频率,0,K,U,0,0,U,0,0,呈线性关系,U,c,K,U,0,3,不论光强多大,只有当入射光频率,大于,一定的红限频率,0,时，才会产生光电流,28,4,光电效应是瞬时发生的,只要入射

14、光频率,0,无论光多微弱,从光照射阴极到光电子逸出，驰豫时间,不超过,10,9,s,以上这些实验规律与经典电磁,波,的,概念完全不同，经典,波,的能量是,连续地分布在空间的,想一想,29,爱因斯坦,1905,年提出了,光量子假设,1,电磁辐射由以光速,c,运动的,局限于空间某一小范围的光,量子（光子）组成，每一个,光量子的能量,与辐射频率,的关系为,h,其中,h,是普朗克常数,2,光量子具有,整体性,一个光子只能整个地被,电子吸收或放出,30,爱因斯坦对光电效应的解释,光照射到金属表面时，一个光子的能量可以立即被金属中的一个自由电子吸,收。但只有当入射光的频率足够高,每个光量子的能量,h,足够

15、大时,电子才有可,能克服,逸出功,逸出金属表面,A,h,u,m,m,2,2,1,光电子的最大初动能只与入射光的频率,有关，与光的强度无关,逸出的电子的最大初动能为,A,逸出功,31,h,A,0,电子的能量不足以克服逸出功,而发生光电效应，所以存在,红限频率,A,h,u,m,m,2,2,1,2,1,0,2,U,K,e,eU,u,m,c,m,0,eU,A,h,eK,只要,0,立刻就有光电子产生,瞬时效应,A ,U,0,都与材料种类有关,0,2,1,2,A,h,u,m,m,当,h,A,即,时,32,光电效应对于光的本质的认识和,量子论的发展曾起过重要的作用,爱因斯坦于,1921,年,为此获诺贝尔物理学奖,光量子假设解释了光电效应的全部实验规律,但是,1910,年以前，并未被物理学界接受,33,普朗克是,PHYSIK,杂志的主编,他对爱因斯坦的工作,给予了高度的评价,在普朗克,获博士学位,五十周年纪念会上普,朗克向爱因斯坦颁发普朗克奖章,34,h,eK,密立根精确地测量得,K,计算得普