第二十五章波粒二象性

第二十五章波粒二象性第一页，共四十三页，2022年，8月28日本章教学要求：了解热辐射和黑体辐射的基本概念。理解光电效应和康普顿效应的实验规律以及爱因斯坦的光子理论对这两个效应的解释，理解光的波粒二象性。了解德布罗意的物质波假设及其正确的实验证实。了解实物粒子的波粒二象性。理解描述物质波动性的物理量（波长、频率）和粒子性的物理量（动量、能量）间的关系。本章重点：电磁波的粒子假设，德布罗意的物质波假设，光与实物粒子的波粒二象性。描述物质波动性的物理量（波长、频率）和粒子性的物理量（动量、能量）间的关系。本章难点：波粒二象性概念的建立第二页，共四十三页，2022年，8月28日§1光的粒子性一.普朗克能量子假设1、热辐射的基本概念定义分子的热运动使物体辐射电磁波例如：加热铁块基本性质温度发射的能量电磁波平衡热辐射物体辐射的能量等于在同的短波成分一时间内所吸收的能量热辐射第三页，共四十三页，2022年，8月28日白炽灯火炉400度1000度600度因辐射与温度有关，故称热辐射处于平衡热辐射时物体的温度保持恒定第四页，共四十三页，2022年，8月28日单位时间内从物体单位表面发出的波长在2、黑体和黑体辐射的实验规律1）黑体能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体M

最大且只与温度有关而和材料附近单位波长间隔内的电磁波的能量。及表面状态无关辐射能量按波长的分布—单色辐出度M总辐出度M（T）第五页，共四十三页，2022年，8月28日例如：一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成理想的黑体。如远处不点灯的建筑物的窗口2)黑体辐射现象的实验规律(1)斯特藩-玻耳兹曼定律M(T)=T

4=5.6710-8W/m2K4第六页，共四十三页，2022年，8月28日(2)维恩位移定律m=b/Tb=2.897756×10-3m·K第七页，共四十三页，2022年，8月28日3、经典物理学的困难1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)维恩公式：瑞利—金斯公式：紫外灾难！第八页，共四十三页，2022年，8月28日4、普朗克能量子理论1)普朗克公式在全波段与实验结果惊人符合第九页，共四十三页，2022年，8月28日2)普朗克能量子假设(1)（谐振子）能量状态是量子化的。)1,2,(n

n

,2

,LLLL=eee(2)不同型式的辐射，每一小份能量是不同的。n=ehnµe能量的最小单元

称为“能量子”1918年获诺贝尔奖第十页，共四十三页，2022年，8月28日(3)普朗克能量子假设的意义第十一页，共四十三页，2022年，8月28日二.爱因斯坦光子假设

1.光电效应的实验规律1)．光电效应光电子光电效应2)．实验装置第十二页，共四十三页，2022年，8月28日3)实验规律

饱和光电流强度

im

与入射光强

I成正比第十三页，共四十三页，2022年，8月28日光电子的最大初动能与入射光强无关，与入射光频率线性地增加

遏止电压第十四页，共四十三页，2022年，8月28日只有当入射光频率

v大于一定的频率v0时，才会产生光电效应0

称为截止频率或红限频率产生光电效应第十五页，共四十三页，2022年，8月28日金属金属钨（W）10.95钾（K）2.25钛（Ti）9.96钠（Na）2.29钙（Ca）7.73铯（Cs）1.94表25-1几种金属的红限频率驰豫时间不超过10-9s光电效应是瞬时发生的第十六页，共四十三页，2022年，8月28日2.经典物理学所遇到的困难按照光的经典电磁理论：

光波的能量分布在波面上，阴极电子积光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，更不存在截止频率！累能量克服逸出功需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生！第十七页，共四十三页，2022年，8月28日3.爱因斯坦光子理论(1905)=h（1）爱因斯坦光子假设（2）爱因斯坦光电效应方程第十八页，共四十三页，2022年，8月28日（3）光子理论对光电效应现象的圆满解释第十九页，共四十三页，2022年，8月28日（4）爱因斯坦光子假设的意义05101520TiCsUa4.02.0遏止电压与频率的实验曲线

密立根实验验证（1923年获诺贝尔奖）第二十页，共四十三页，2022年，8月28日R第二十一页，共四十三页，2022年，8月28日参考答案课堂练习第二十二页，共四十三页，2022年，8月28日实验装置X光石墨0.71Å光栏X射线光谱仪X射线源三.康普顿光子动量假说(1923)1、康普顿散射现象的实验规律第二十三页，共四十三页，2022年，8月28日2341原始=450=900=13500.0700.075(nm)强度=00第二十四页，共四十三页，2022年，8月28日2、康普顿光子动量假设第二十五页，共四十三页，2022年，8月28日光子能量光子动量电子能量电子动量第二十六页，共四十三页，2022年，8月28日康普顿散射公式完全弹性碰撞康普顿波长第二十七页，共四十三页，2022年，8月28日讨论2.证明了光子理论的正确性。3.微观领域也遵守动量守恒和能量守恒定律。康普顿荣获1927年诺贝尔物理学奖第二十八页，共四十三页，2022年，8月28日第二十九页，共四十三页，2022年，8月28日课堂练习第三十页，共四十三页，2022年，8月28日四.光的波粒二象性波动性--它能在空间表现出干涉、衍射等波动现象，具有一定的波长、频率。粒子性--是指它具有集中的不可分割的性质。第三十一页，共四十三页，2022年，8月28日§2电子的波动性

一.德布罗意物质波假说

实物粒子具有波动性。并且与粒子相联系的波称为概率波或德布罗意波第三十二页，共四十三页，2022年，8月28日第三十三页，共四十三页，2022年，8月28日例：自由电子的动能为54eV第三十四页，共四十三页，2022年，8月28日三.德布罗意物质波的实验验证

1、戴维逊--革末实验2、电子通过金多晶薄膜的衍射实验（汤姆逊1927）3、电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验（约恩逊1961)第三十五页，共四十三页，2022年，8月28日(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对波粒二象性的理解第三十六页，共四十三页，2022年，8月28日§3海森伯不确定关系一.位置和动量的不确定关系第三十七页，共四十三页，2022年，8月28日x第三十八页，共四十三页，2022年，8月28日

推广到三维空间，在直角坐标系还有无法消除！！！第三十九页，共四十三页，2022年，8月28日二.能量与时间的不确定性关系能级自然宽度和寿命设体系处于某能量状态的寿命为则该状态能量的不确定程度DE（能级自然宽度)第四十页，共四十三页，2022年，8月28日例：H原子的线度的数量级为10-10m，H原中电子的速度为V=106m/s，求其速度的不确定量。+MrnmV解：不确定量已达106m/s数量级，已不能用经典物理中的速度来描述。第四十一页，共四十三页，2022年，8月28日例：一质量为0.4kg的足球，以10m/s的速度飞来，如动量的不确定量为10%，求其位置的不确定量