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1、第1章波粒二象性第1页，共52页，编辑于2022年，星期一q当当物物体体辐辐射射的的能能量量等等于于在在同同一一时时间间内内所所吸吸收收的的能能量量，物物体体和和辐辐射射场场达达到到热热平平衡衡，称称为为平平衡衡热热辐辐射射。这这时时物物体的温度固定。以下只讨论平衡热辐射。体的温度固定。以下只讨论平衡热辐射。q辐辐出出度度（总总辐辐射射本本领）领）M（T）一、黑体辐射一、黑体辐射q单单位位时时间间内内从从物物体体单单位位表表面面发发出出的的波波长长在在 附附近近单单位位波波长长间间隔隔内内的的电电磁磁波波的的能能量量称称为为单单色色辐辐出出度度（单单色辐射本领）色辐射本领）M SI单位单位 W
2、/m3第2页，共52页，编辑于2022年，星期一2.2.黑体辐射的基本规律黑体辐射的基本规律q黑体黑体：能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体：能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体一、黑体辐射一、黑体辐射q物物体体辐辐射射的的电电磁磁波波和和吸吸收收的的电电磁磁波波相相同同（实实验验结结果）果）q黑黑体体能能完完全全辐辐射射各各种种波波长长的的光光，M 最最大大且且只只与与温度有关而和材料及表面状态无关温度有关而和材料及表面状态无关q利利用用黑黑体体可可撇撇开开材材料料的的具具体体性性质质来来普普遍遍地地研研究究热辐射本身的规律热辐射本身的规律 第3页，共52页，编辑于2022年，星期一q维
3、恩设计的黑体维恩设计的黑体不不透透明明材材料料空空腔腔开开一一个个面面积积远远小小于于空空腔腔内内表表面面积积的的小小孔孔。小小孔孔能能完完全全吸吸收收各各种种波波长长的的入入射射电电磁波而磁波而成为黑体成为黑体。q斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律M(T)=M(T)=T T 4 4其其中中 =5.675.67 1010-8-8 W/mW/m2 2K K4 4，称称为为斯斯特特藩藩玻玻耳耳兹曼常量。兹曼常量。一、黑体辐射一、黑体辐射第4页，共52页，编辑于2022年，星期一q维思位移定律维思位移定律一、黑体辐射一、黑体辐射 m T=bb b=2.89775610=2.89775610-3-3
4、 m mK K如太阳如太阳kT6000=，白光，白光nm500max=l白炽灯白炽灯kT2000=色泽偏红色泽偏红nm1448max=l第5页，共52页，编辑于2022年，星期一3.3.经典物理的困难经典物理的困难q空空腔腔壁壁产产生生的的热热辐辐射射可可想想象象成成以以壁壁为为节节点点的的许许多多驻波驻波。一、黑体辐射一、黑体辐射由由经经典典理理论论导导出出的的 M(T)公公式式都都与与实实验结果不符合！验结果不符合！第6页，共52页，编辑于2022年，星期一4.4.普朗克的能量子假说和黑体辐射公式普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 一、黑体辐射一、黑体辐射q普朗克假定（普朗克假定（19001
5、900）对对频频率率为为 的的电电磁磁辐辐射射，物物体体只只能能以以 h h 为为能能量量单单位发射或吸收它。位发射或吸收它。h=h=6.626075510 6.626075510-34-34 J Js s 是是普朗克常数普朗克常数 经典经典 量子量子能能 量量第7页，共52页，编辑于2022年，星期一q普朗克公式普朗克公式一、黑体辐射一、黑体辐射第8页，共52页，编辑于2022年，星期一5.5.宇宙背景辐射宇宙背景辐射 A AA.A.Penzias Penzias 和和R RW WWilsonWilson（19641964）在在用用射射电电望望远远镜镜探探测测中中性性氢氢原原子子谱谱时时，发
6、发现现了了T T=3.1 3.1 K K 的的宇宇宙宙背背景景辐辐射射,这这是是宇宇宙宙大大爆爆炸炸后后留留下下的的充充满满整整个宇宙的电磁辐射。个宇宙的电磁辐射。一、黑体辐射一、黑体辐射第9页，共52页，编辑于2022年，星期一二、二、光电效应光电效应 1.1.实验装置和相关概念实验装置和相关概念 q金金属属及及其其化化合合物物在在电电磁磁辐辐射射下下发发射射电电子子的的现现象象称称为为光光电电效效应应，所所发发射射的的电电子子称为称为光电子。光电子。qK K阴极，阴极，A A阳极阳极第10页，共52页，编辑于2022年，星期一二、二、光电效应光电效应 2.2.实验规律实验规律（1）饱和光饱
7、和光电流电流强度强度 im 与入射光强与入射光强 I 成正比。成正比。第11页，共52页，编辑于2022年，星期一二、二、光电效应光电效应 （2）截止电压截止电压 Uc电子能从电子能从KA，说，说明电子具有动能；明电子具有动能；加反向电压，加反向电压，U=U=U Uc c 时，光电流时，光电流 i 才才为零为零，光电子具有光电子具有最大初动能最大初动能第12页，共52页，编辑于2022年，星期一二、二、光电效应光电效应 （2）截止电压截止电压 Uc随入射光频率线随入射光频率线性增加性增加,与光的强与光的强度无关。度无关。U Uc c=K=K -U-U0 04.0 6.08.0 10.0(101
8、4Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCaK K 是与金属种类有是与金属种类有关的一个常量。关的一个常量。则则第13页，共52页，编辑于2022年，星期一二、二、光电效应光电效应 （3）只有当入射光频率只有当入射光频率 v大于一定的频率大于一定的频率v0时时，才才会产生光电效应。会产生光电效应。U Uc c=K=K -U-U0 0称为称为截止频率截止频率或或红限频率红限频率，相，相应的波长称为应的波长称为红限波长红限波长。第14页，共52页，编辑于2022年，星期一二、二、光电效应光电效应 （4）只要只要 0，无论光多微弱，从光照射，无论光多微弱，从光照射阴极到光电子逸出的响应时间都不超
9、过阴极到光电子逸出的响应时间都不超过10-9s。几种金属的红限频率几种金属的红限频率第15页，共52页，编辑于2022年，星期一二、二、光电效应光电效应 3.3.经典理论的困难经典理论的困难按照光的经典电磁理论：按照光的经典电磁理论：（1）光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，更率无关，更不存在截止频率！不存在截止频率！（2）光波的能量分布在波面上，为克服光波的能量分布在波面上，为克服逸出功逸出功（work work functionfunction，电子逸出金属表面时克服阻力做的功，电子逸出金属表面时克服阻力做的功），），阴极电子阴极电子
10、吸收能量需要一定的时间积累吸收能量需要一定的时间积累，光电效应，光电效应不可能瞬时发生！不可能瞬时发生！（3）光电子初动能应该与入射光强度成正比。）光电子初动能应该与入射光强度成正比。第16页，共52页，编辑于2022年，星期一三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 1.1.爱因斯坦光子理论爱因斯坦光子理论 q表表面面上上看看起起来来连连续续的的光光波波是是量量子子化化的的。单单色色光光由由大大量量不不连连续续的的光光子子组组成成。若若单单色色光光频频率率为为，那那么么每每个个光光子的能量为子的能量为 E Eh h 普朗克常数普朗克常数 h h=6.626075510=6.626075510-
11、34-34 J Js sq光子具有光子具有“整体性整体性”。一个光子只能。一个光子只能“整个地整个地”被电子吸收或放出。被电子吸收或放出。第17页，共52页，编辑于2022年，星期一三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 2.2.爱因斯坦对光电效应的解释爱因斯坦对光电效应的解释 q按按照照爱爱因因斯斯坦坦光光子子理理论论：光光照照射射到到金金属属K K极极，实实际际上上是是单单个个光光子子能能量量为为 h h 的的光光子子束束入入射射到到K K极极，光光子子与与 K K 极极内内的的电电子子发发生生碰碰撞撞。当当电电子子一一次次性性地地吸吸收收了了一一个个光光子子后后，便便获获得得了了h h
12、的的能能量量而而立立刻刻从从金金属属表表面面逸逸出出，没没有有明明显显的的时时间间滞滞后后，这这也也正正是是光光的的“粒子性粒子性”表现。表现。（1 1）瞬时性）瞬时性第18页，共52页，编辑于2022年，星期一三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 q光光照照射射到到金金属属表表面面，一一个个光光子子的的能能量量可可立立即即被被金金属属中中的的自自由由电电子子吸吸收收。但但只只有有当当入入射射光光的的频频率率足足够够高高，以以致致每每个个光光量量子子的的能能量量 h h 足足够够大大时时，电电子子才才有有可可能克服能克服逸出功逸出功 A A 逸出金属表面。逸出金属表面。称为称为 光电效应方程
13、光电效应方程 q逸出电子的最大初动能为逸出电子的最大初动能为第19页，共52页，编辑于2022年，星期一三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 （2）存在截止频率）存在截止频率 0 0有有由此式可以测量普朗克常数。由此式可以测量普朗克常数。所以，当所以，当 A A/h h 时，电子的能量不足以克服时，电子的能量不足以克服逸出功而发生光电效应。逸出功而发生光电效应。红限频率红限频率q比较比较第20页，共52页，编辑于2022年，星期一三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 金属金属钨钨钙钙钠钠钾钾铷铷铯铯 红限红限 0（014Hz）10.97.735.535.445.154.69逸出功逸出功A（
14、eV）4.543.202.292.252.131.94几种金属的红限频率和几种金属的红限频率和逸出功逸出功第21页，共52页，编辑于2022年，星期一三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 （3）饱和光电流与入射光强成正比）饱和光电流与入射光强成正比 当当外外来来光光频频率率和和电电压压固固定定时时，光光强强增增大大，意意味味着着撞撞击击金金属属表表面面的的光光子子数数增增多多。只只要要 v v0，被被撞撞击击出出来来的的光光电电子子数数目目就就按按比比例例增增大大，饱和光电流也就越来越大。饱和光电流也就越来越大。第22页，共52页，编辑于2022年，星期一三、三、光的二象性光的二象性 光子光
15、子 3.3.光的二象性光的二象性q爱因斯坦爱因斯坦 光的光的“粒子性粒子性”q麦克斯韦麦克斯韦 光的光的“波动性波动性”这里的粒子不是经典意义上的这里的粒子不是经典意义上的“单纯单纯”粒子，波也粒子，波也不是经典意义上的不是经典意义上的“单纯单纯”电磁波！而是光的本性电磁波！而是光的本性在两个不同的则面的反映！光的这种本性称为在两个不同的则面的反映！光的这种本性称为波粒波粒二象性二象性。第23页，共52页，编辑于2022年，星期一三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 q光子光子能量能量E E=h h 因为因为q光子光子质质量量由相对论质能关系，由相对论质能关系，E=mc2 2可得可得所以，光
16、子的所以，光子的静止质量为零静止质量为零。第24页，共52页，编辑于2022年，星期一三、三、光的二象性光的二象性 光子光子 q光子光子动量动量由相对论能量由相对论能量-动量关系，动量关系，对光子，对光子，m0=0所以，光子动量所以，光子动量或或例例 P.14第25页，共52页，编辑于2022年，星期一四、四、康普顿散射康普顿散射 1.1.实验装置实验装置 q康康普普顿顿（A.H.ComptonA.H.Compton）19231923年年研研究究了了X X射射线线与与石石墨的散射。墨的散射。第26页，共52页，编辑于2022年，星期一四、四、康普顿散射康普顿散射 2.2.实验结果实验结果 q
17、X X 射射线线通通过过物物质质散散射射时时，波波长长发发生生变变化化，散散射射后后的的波波长长有有两两个个峰峰值值，一一个个与与原原来来波波长长相相同同，而而另一个较长的另一个较长的 与散射角有关。与散射角有关。q这这种种有有波波长长改改变变的的散散射射称称为为康康普顿散射普顿散射或或康普顿效应康普顿效应。第27页，共52页，编辑于2022年，星期一四、四、康普顿散射康普顿散射 3.3.经典解释经典解释 q单单色色电电磁磁波波作作用用于于比比波波长长尺尺寸寸小小的的带带电电粒粒子子上上时时，引引起起受受迫迫振振动动，向向各各方方向向辐辐射射同同频频率率的的电电磁磁波波。对对于于存在的散射光的
18、波长变化经典理论不能作出合理解释！存在的散射光的波长变化经典理论不能作出合理解释！第28页，共52页，编辑于2022年，星期一四、四、康普顿散射康普顿散射 4.4.光子理论的解释光子理论的解释 q定性说明定性说明 光光子子与与电电子子作作弹弹性性碰碰撞撞，光光子子传传递递一一部部分分能能量量给给电电子子，光光子子的的能能量量减减少少，波波长长变变长。长。第29页，共52页，编辑于2022年，星期一四、四、康普顿散射康普顿散射 q定量计算定量计算 X 射射线线光光子子与与“静静止止”的的“自自由由电电子子”弹性碰撞。弹性碰撞。e 碰撞过程中能量碰撞过程中能量与动量守恒与动量守恒第30页，共52页
19、，编辑于2022年，星期一四、四、康普顿散射康普顿散射 散射后的散射后的X X光子波长偏移光子波长偏移称为称为康普顿散射公式，康普顿散射公式，波长偏移只与散射角有关。波长偏移只与散射角有关。称为电子的称为电子的康普顿波长康普顿波长,它与短波它与短波 X X 射线的波长相射线的波长相当。当。第31页，共52页，编辑于2022年，星期一四、四、康普顿散射康普顿散射 q讨论讨论康康普普顿顿散散射射进进一一步步证证实实了了EinsteinEinstein的的光光子子理理论论，光光确确实实具具有有波波粒粒二二象象性性。另另外外证证明明光光电电相相互互作作用用过过程严格遵守能量、动量守恒定律。程严格遵守能
20、量、动量守恒定律。散射后为什么还有原波长的峰值？散射后为什么还有原波长的峰值？当当光光子子与与束束缚缚电电子子碰碰撞撞时时，是是与与整整个个原原子子碰碰撞撞，失失去去能能量量较较少少，散散射射后后频频率率几几乎乎不不变变。这这种种波波长长不不变变的的散散射射称称为为瑞利散射瑞利散射。为什么为什么选用选用 X X 射线观察？射线观察？第32页，共52页，编辑于2022年，星期一四、四、康普顿散射康普顿散射 5.5.康普顿散射二步过程康普顿散射二步过程 例例 P.20第33页，共52页，编辑于2022年，星期一五、五、粒子的波动性粒子的波动性 1.1.德布罗意假设德布罗意假设 q19241924年
21、年，德德布布罗罗意意问问道道：“整整个个世世纪纪以以来来，在在光光学学上上，比比起起波波动动的的研研究究方方法法来来，是是过过于于忽忽视视了了粒粒子子的的研研究究方方法法，在在物物质质理理论论上上，是是否否发发生生了了相相反反的的错错误误呢呢；是是不不是是我我们们把把关关于于粒粒子子的的图图象象想想得得太太多多，而而过过份份地地忽忽视了波的图象视了波的图象?”q光光(波波)具有粒子性具有粒子性q实物粒子具有波动性实物粒子具有波动性第34页，共52页，编辑于2022年，星期一五、五、粒子的波动性粒子的波动性 q德布罗意假设德布罗意假设实物粒子具有波动性。并且实物粒子具有波动性。并且与粒子相联系的
22、波称为与粒子相联系的波称为概率波概率波或或德布罗意波德布罗意波第35页，共52页，编辑于2022年，星期一五、五、粒子的波动性粒子的波动性 2.2.实验验证：实验验证：戴维孙戴维孙-革末实验革末实验 （a a）装置简图）装置简图（b b）散射电子束强度分布）散射电子束强度分布入射电子能量入射电子能量 E Ek k=54eV=54eV第36页，共52页，编辑于2022年，星期一五、五、粒子的波动性粒子的波动性 d d 为晶面间距，则散射为晶面间距，则散射电子束极大的方向满足电子束极大的方向满足对镍晶面对镍晶面d=2.15d=2.15 1010-10-10 m m则则第37页，共52页，编辑于20
23、22年，星期一五、五、粒子的波动性粒子的波动性 德布罗意电子波长德布罗意电子波长和实验结果符和实验结果符合得很好！合得很好！第38页，共52页，编辑于2022年，星期一五、五、粒子的波动性粒子的波动性 汤姆逊汤姆逊19271927年电子通过金多晶薄膜的衍射实年电子通过金多晶薄膜的衍射实验验衍射图样衍射图样第39页，共52页，编辑于2022年，星期一五、五、粒子的波动性粒子的波动性 约恩逊约恩逊19611961年电子的单缝、双缝、三缝和四缝年电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验衍射实验单缝单缝双缝双缝三缝三缝四缝四缝第40页，共52页，编辑于2022年，星期一五、五、粒子的波动性粒子的波动性 扫
24、描电子显微镜扫描电子显微镜当探针针尖与物质表面排布原子的距离小到一定当探针针尖与物质表面排布原子的距离小到一定程度时，其隧道电流会发生明显变化。程度时，其隧道电流会发生明显变化。第41页，共52页，编辑于2022年，星期一五、五、粒子的波动性粒子的波动性 纳米纳米“皇冠皇冠”，量子，量子“围栏围栏”第42页，共52页，编辑于2022年，星期一五、五、粒子的波动性粒子的波动性 几个纳米大小的汉字几个纳米大小的汉字例题例题 P.25第43页，共52页，编辑于2022年，星期一五、五、粒子的波动性粒子的波动性 3.3.对波粒二象性的理解对波粒二象性的理解q粒子性粒子性 “原子性原子性”或或“整体性整
25、体性”不是经典的粒子不是经典的粒子,抛弃了抛弃了“轨道轨道”概念概念q波动性波动性 “弥散性弥散性”“可叠加性可叠加性”“干涉干涉”“衍射衍射”“偏偏振振”具有频率和波矢具有频率和波矢 不是经典的波不是经典的波 不代表实在的物理量的波动不代表实在的物理量的波动第44页，共52页，编辑于2022年，星期一六、六、概率波与概率幅概率波与概率幅 1.1.电子双缝衍射实验电子双缝衍射实验 电子通过单缝和双缝的衍射结果不一样！电子通过单缝和双缝的衍射结果不一样！第45页，共52页，编辑于2022年，星期一六、六、概率波与概率幅概率波与概率幅 2.2.玻恩假定玻恩假定波函数、概率振幅波函数、概率振幅),(
26、trY Yr 电子通过双缝中的任意一个狭缝的概率电子通过双缝中的任意一个狭缝的概率 上式中的交叉项是两缝之间的上式中的交叉项是两缝之间的干涉干涉结果。结果。第46页，共52页，编辑于2022年，星期一六、六、概率波与概率幅概率波与概率幅 波函数统计诠释涉及对世界本质的认识争论至今未波函数统计诠释涉及对世界本质的认识争论至今未息息F哥本哈根学派哥本哈根学派 坚持波函数的概率解释坚持波函数的概率解释F爱因斯坦爱因斯坦 反对反对F狄拉克（狄拉克（19721972）对量子力学的发展做出了重要对量子力学的发展做出了重要贡献贡献第47页，共52页，编辑于2022年，星期一七、七、不确定关系不确定关系 q电
27、子单缝衍射电子单缝衍射电电子子通通过过单单缝缝的的位置不确定量是位置不确定量是电电子子通通过过单单缝缝后后动动量量的的不不确确定定是是第48页，共52页，编辑于2022年，星期一七、七、不确定关系不确定关系 由于由于故故第49页，共52页，编辑于2022年，星期一七、七、不确定关系不确定关系 严格的理论给出严格的理论给出不确定性关系不确定性关系第50页，共52页，编辑于2022年，星期一七、七、不确定关系不确定关系 能量与时间的不确定性关系能量与时间的不确定性关系例题例题 P.35 能级自然宽度和寿命能级自然宽度和寿命 宇宙宇宙第51页，共52页，编辑于2022年，星期一第52页，共52页，编辑于2022年，星期一