高二物理竞赛物质的波粒二象性课件

第三章

量子力学初步玻尔理论—经典理论框架—电子—质点—轨道运动—量子化条件—不自洽玻尔理论的困难，迫使新一代物理学家努力寻找更完整、更准确、应用面更为广泛的原子理论。一门描述原子的崭新理论——量子力学在1925-1928年诞生了！一、光的波粒二象性1.黑体辐射

普朗克能量子假定实验表明：一切物体都以电磁波的形式向外辐射能量。辐射能力越强的物体，吸收能力也越强黑体：能完全吸收各种波长电磁波而无反射维恩设计的黑体3.1

物质的波粒二象性辐射在腔内来回反射，单位内侧表面上吸收和辐射达到平衡，腔壁温度不变，形成一个稳定的辐射场一、光的波粒二象性1.黑体辐射普朗克能量子假定单色辐出度/辐射本领

M

—

辐射能量按波长的分布dM

(

,T

)

dW

(

,T

)单位时间、单位表面积上向一侧辐射出的，ν附近单位频率间隔中的能量。3.1

物质的波粒二象性辐射能量密度ρν

—

频率v附近单位频率间隔内的能量密度辐射本领

M

与辐射能量密度的关系汪志诚，热力学.统计物理，2.6节，P90紫外灾难M维恩线瑞利－金斯线“紫外灾难（发散）”

m实验曲线Tm

b

3e

/

T1899年，瑞利－金斯公式（经典电动力学）1859年，Kirchhoff证明绝对黑体热辐射达到平衡后，辐射能量密度随频率的变化只与黑体的绝对温度T有关，与空腔的形状及组成物无关。1893年，维恩——位移率：辐射能量密度最大值所对应的的频率νm与黑体的绝对温度T成正比kTc328

紫外灾难M瑞利－金斯线1900年，DPG会议，普朗克公式（猜、凑）在全波段与实验结果符合！维恩线

m普朗克线实验曲线h=6.6260755×10-34

J·s21c3 eh

/

kT

h

8

E

=nh

n＝0,1,2,3，…

1n

0kTkTeh

/

kThnhnh

exp

(-

)n

0)

nh

exp

(-

用玻耳兹曼分布律计算的能量平均值为振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，还解释了固体的比热问题等等。它成为近代理论的重要组成部分。0截止频率（红限）

仅当

0

才发生光电效应，截止频率与材料有关与光强无关几种纯金属的截止频率金属铯钠锌铱铂截止频率

/1014

Hz04.5455.508.06511.5319.292.光电效应实验装置光照射至金属表面, 电子从金属表面逸出,

称其为光电子实验规律Im1im2ioU0

2

I1

I2

I1Um电流饱和值

i瞬时性遏止电压

U0eU0

Ekmax遏止电势差与入射光频率具有线性关系

i当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出i

I（光强）mU00CsK Cu遏止电压

U0

与光强无关（3）经典理论遇到的困难红限问题按经典理论,无论何种频率的入射光,只要其强度足够大，就能使电子具有足够的能量逸出金属,决定电子能量的是光强，而不是光的频率。与实验结果不符！瞬时性问题按经典理论，电子逸出金属所需的能量，需要有一定的时间来积累，一直积累到足以使电子逸出金属表面为止。与实验结果不符！2.光电效应2m1

mv2

h

A—爱因斯坦光电效应方程2.光电效应红限问题瞬时性问题1905年，爱因斯坦提出“光量子”假设光子的能量为

hA是金属中电子的结合能（逸出功）粒子性

h

=c

2= c2ε h光子的能量：光子的质量：光子的动量：m

p

=

h

=

h c 波粒二象性光既具有波动性,

又具有粒子本性，是波粒二象性的.

光子的能量、动量与光波的频率、波长有关：p

h

h3.光的波粒二象性*爱因斯坦的光子理论二、实物粒子的波粒二象性德布罗意物质波假设微观粒子和光子一样，在一定的条件下显示出波动性。具有一定能量

E

和一定动量

p

的自由粒子，相当于具有一定频率

和一定波长

的平面波，二者之间的关系为：E

p

h

n

k式中，

2

角频率；n传播方向上的单位矢量k

2

2n

波矢量；

h

1.054588

1034

J

sp mvh h实物粒子的德布罗意波长：

例：计算电子经过U1=100V和U2=10000V电压加速后的德布罗意波长λ1和λ2各是多少？电子动能1mv2

eU2m2e

Uv

h

hp mvnmh 1

1.2252em U U1

0.123nm2

0.0123nm考虑相对论效应E

E0

EK0E2

p2c2

m2c40peU (2m

c2

eU

)

/

c2

h

h EK

eU0 0E

m

c2

0.0127

nm飞行的子弹m=10-2Kg，速度v=5.0