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1、1,2,15.1 黑体辐射 普朗克能量子假设,*15-4 不确定关系,15-3 德布罗意波 实物粒子的二象性,15-2 光电效应 康普顿效应,3,一.了解热辐射的两条实验定律：斯特藩 - 玻耳兹曼定律和维恩位移定律，以及经典物理理论在说明热辐射的能量按频率分布曲线时所遇到的困难. 理解普朗克量子假设.,二.了解经典物理理论在说明光电效应的实验规律时所遇到的困难. 理解爱因斯坦光量子假设，掌握爱因斯坦方程.,4,三. 理解康普顿效应的实验规律，以及光子理论对这个效应的解释. 理解光的波粒二象性.,四. 了解德布罗意假设及电子衍射实验. 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
2、、频率）和描述粒子性的物理量（动量、能量）之间的关系.,五. 了解一维坐标动量不确定关系 .,5,热辐射,1、热辐射,2.量子力学描述热辐射的物理量,(1) 单色辐出度M ( ,T )或M(,T）,先定性粗略描述:,随铁球的温度变化,其辐射能按波长的分布情况亦发生变化,6,辐出度,从物体单位表面上、单位时间内辐射的各种波长（或频率）的总辐射功率为,(2) 辐射出射度M(T),说明:M ( ,T )或M(,T）与表面性质,材料有关.,(3) 物质吸收比反射比透射比,吸收比(,T）或 ( ,T）:,被物体吸收的能量与入射能量之比.,透射比(,T）或(，T):,物体透射的能量与入射能量之比.,反射比
3、 (,T)或(,T）:,被物体反射的能量与入射能量之比.,三者的关系:, + + =1,7,一般辐射的复杂性,二、黑体辐射,（随物而异）,（故亦随物而异）,（随物而异）,8,黑体,二、黑体辐射,9,黑体实验模型,10,黑体辐射测量,11,黑体辐射规律,12,紫外灾难,经典物理概念竟然得出如此荒唐的结论，物理学史上称之为 “ 紫外灾难 ” 。黑体辐射问题所处的困境成为十九世末“物理学太空中的一朵乌云”，但它却孕育着一个新物理概念的诞生。,黑体辐射的瑞利金斯公式 经典物理的困难,（瑞利金斯公式）,13,1900年12月24日，普朗克在关于正常光谱的能量分布定律的理论一文中提出能量量子化假设，量子论
4、诞生。,三、普朗克公式及能量子假说,14,并很快被检验与实验结果惊人相符!,1900年10月19日，德国物理学家普朗克提出了一个描述黑体单色辐出度分布规律的数学公式，,其按波长分布的表达式为,15,理论曲线,16, 普朗克对量子理论的贡献,Plank被称为“量子力学之父”,1.物质质量的不连续;2.物质电荷的不连续;3.物质能量的不连续;,17,黑体例一,对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法进行推测,18,（2）取,（1）由维恩位移定律,（3）由斯特藩玻尔兹曼定律,19,爱因斯坦与康普顿,1905年提出光量子（光子）理论，成功解释光电效应。,20,1920年，美国物理学家康普顿在观察X
5、 射线被物质散射时，发现：散射线中含有波长发生了变化的成分散射束中除了有与入射束波长 0 相同的射线，还有波长 0 的射线.,21,一、光电效应实验的规律,（1）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.,（2）实验规律,截止频率（红限）,几种纯金属的截止频率,仅当 才发生光电效应，截止频率与材料有关与光强无关 .,22,电流饱和值,遏止电压,瞬时性(不超过10-9s),遏止电势差与入射光频率具有线性关系.,当光照射到金属表面上时，几乎立即就有光电子逸出,（光强）,遏止电压 与光强无关,23,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
6、子逸出金属表面为止.与实验结果不符 .,（3）经典理论遇到的困难,红限问题,瞬时性问题,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 .与实验结果不符.,24,光量子理论,二、爱因斯坦的光量子（光子）理论,25,爱因斯坦光电效应方程,（1） “光量子”能量:,（2） 解释实验,逸出功与材料有关,26,爱因斯坦因此而获得了1921年诺贝尔物理学奖,(iS 光电子数入射光强),27,（3） 的测定,爱因斯坦方程:,28,三 光的波粒二象性,光子能量,（2）粒子性： （光电效应等）,（1）波动性： 光的干涉和衍射,相对论能量和动量关系,29,解 （1）,（2）
7、,（3）,30,* 光电效应在近代技术中的应用,光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.,光电倍增管,31,1.实验装置,2. 实验结果,四. 康普顿效应,1920年，美国物理学家康普顿在观察X射线被物质散射时，发现散射线中含有波长发生变化了的成分.,32,偏移散射角实验,33,不同物质实验,我国物理学家吴有训在与康普顿共同研究中还发现：,34,电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理.,（1）物理模型,入射光子（ X 射线或 射线）能量大 .,固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子.,4. 量子解释,电子热运动能量 ，可近似为静止电子.,范围为：,经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一
8、样的频率 . 经典理论无法解释波长变化 .,3. 经典理论的困难,35,（2）理论分析,能量守恒,动量守恒,36,散射光波长的改变量 仅与 有关,散射光子能量减小,（3）结论,康普顿公式,37,（4）讨论,（5）物理意义,若 则 ,可见光观察不到康普顿效应. 与经典理论一致.,光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性 .,微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律.,38,康普顿、光电效应比较,康普顿效应与光电效应都涉及光子与电子的相互作用。,在光电效应中，入射光为可见光或紫外线，其光子能量为ev数量级，与原子中电子的束缚能相差不远，光子能量全部交给电子使之逸出，并具有初动能。光电效应证实了此过程服
9、从能量守恒定律。,39,解（1）,（2） 反冲电子的动能,（3） 光子损失的能量反冲电子的动能,40,思想方法 自然界在许多方面都是明显地对称的，他采用类比的方法提出物质波的假设 .,“整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的研究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法； 在实物理论上，是否发生了相反的错误呢 ？ 是不是我们关于粒子的图象想得太多 ，而过分地忽略了波的图象呢？”,法国物理学家德布罗意（Louis Victor de Broglie 1892 1987 ),德布罗意为此获得1929年诺贝尔物理学奖。, 15.3 德布罗意波 实物粒子的二象性,41,光的波粒二象性,42,一、德布罗意假设（
10、1924 年 ）,德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性 .,德布罗意公式,2）宏观物体的德布罗意波长小到实验难以测量的程度，因此宏观物体仅表现出粒子性 .,43,例如:电子经电势差为U的电场加速,在v c下, 此电子的德布罗意波长为:,如U=200V,则,如U=150V,则 =0.1nm,44,*二德布罗意波的实验证明,戴维孙 革末电子衍射实验（1927年）,45,镍晶体,电子波的波长,两相邻晶面电子束反射射线干涉加强条件,46,2 G . P . 汤姆孙电子衍射实验 ( 1927年 ),当 时， 与实验结果相近.,47,电子衍射附图一,X射线衍射,电子衍射,1927年，G.P.汤姆孙等令一电
11、子束通过薄铝箔，结果发现，同X射线一样，也能得到清晰的电子衍射图样。,48,电子衍射附图二,49,电子及中子衍射,50,解 在热平衡状态时, 按照能均分定理慢中子的平均平动动能可表示为,试计算温度为 时慢中子的德布罗意波长.,慢中子的德布罗意波长,三 应用举例,1932年德国人鲁斯卡成功研制了电子显微镜 ; 1981年德国人宾尼希和瑞士人罗雷尔制成了扫瞄隧道显微镜.,51,试计算温度为270c时对应于方均根速率的氧分子的德布罗意波长.,解: 对1molr的理想气体有:,代入数据:,氧分子的德布罗意波长: =0.026nm,与X射线同数量级, 因此穿过晶片可产生衍射图样.,方均根速率为:,Ek=
12、mv2/2=3kT/2,则,52,*四德布罗意波的统计解释,经典粒子 不被分割的整体，有确定位置和运动轨道 ；经典的波 某种实际的物理量的空间分布作周期性的变化，波具有相干叠加性 . 二象性 要求将波和粒子两种对立的属性统一到同一物体上 .,1926 年玻恩提出 德布罗意波是概率波 .,统计解释：在某处德布罗意波的强度是与粒子在该处邻近出现的概率成正比的 .,概率概念的哲学意义：在已知给定条件下，不可能精确地预知结果，只能预言某些可能的结果的概率 .,53,二象性统计解释,摄影底板或显微观察,54,光子衍射,55,一级最小衍射角,电子经过缝时的位置不确定 .,电子经过缝后 x 方向动量不确定,
13、用电子衍射说明不确定关系,考虑衍射次级有,15 .4 不确定关系,56,海森伯于 1927 年提出不确定原理 对于微观粒子不能同时用确定的位置和确定的动量来描述 .,1） 微观粒子同一方向上的坐标与动量不可同时准确测量,它们的精度存在一个终极的不可逾越的限制 .,2） 不确定的根源是“波粒二象性”这是自然界的根本属性 .,3）对宏观粒子，因 很小，所以 可视为位置和动量能同时准确测量 .,57,所以坐标及动量可以同时确定。,1. 宏观粒子的动量及坐标能否同时确定？,2. 微观粒子的动量及坐标是否永远不能同时确定？,58,电子在电视显象管中时如何处理?,设电子运动速率v=105m/s, 速率的不确定范围v=10m/s,解: 已知 p = mv mv = p,而,电子运动范围(显象管尺寸) L0.1m,可见 p p , L x,或 p p , L ,电子可作经典粒子处理.,那么电子在原子中呢?,电动运动范围(原子的大小)L10-10m,不满足L x ,此时电子只能作微观粒子处理.,59,设电子的动能 Ek =10 eV，电子运动速度,速度的不确定度,例如威尔逊云室(可看到一条白亮的带状的痕迹 -粒子的径迹), 且 L x 有轨道概念,