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1、第二十五章波粒二象性本讲稿第一页，共四十三页本章本章教学要求：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。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。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）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。和粒子性的物
2、理量（动量、能量）间的关系。本章重点：本章重点：电磁波的粒子假设，电磁波的粒子假设，德布罗意的物质波假设，光与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）（波长、频率）和粒子性的物理量（动量、能量）间的关系。间的关系。本章难点：本章难点：波粒二象性概念的建立波粒二象性概念的建立本讲稿第二页，共四十三页1 光的粒子性光的粒子性 一一.普朗克能量子假设普朗克能量子假设 1、热辐射的基本概念、热辐射的基本概念 定义定义分子的热运动使物体辐射电磁波分子的热运动使物体辐射电磁波例如：加热铁块
3、例如：加热铁块基本性质基本性质温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波电磁波平衡热辐射平衡热辐射物体辐射的能量等于在同物体辐射的能量等于在同的短波成分的短波成分 一时间内所吸收的能量一时间内所吸收的能量 热辐射热辐射本讲稿第三页，共四十三页火火炉炉400度度1000度度600度度因辐射与温度有关，故称因辐射与温度有关，故称热辐射热辐射处于处于平衡热辐射平衡热辐射时物体的温度保持恒定时物体的温度保持恒定本讲稿第四页，共四十三页单位时间内从物体单位表面发出的单位时间内从物体单位表面发出的波长在波长在2 2、黑体和黑体辐射的实验规律、黑体和黑体辐射的实验规律1 1）黑体黑体能能完全完全吸收吸收各种波长
4、电磁波各种波长电磁波而无反射的而无反射的物体物体M 最大且最大且只与温度有关而和材料只与温度有关而和材料 附近单位波长间隔内附近单位波长间隔内的电磁波的能量。的电磁波的能量。及表面状态无关及表面状态无关 辐射能量按波长的分布辐射能量按波长的分布单色辐出度单色辐出度M 总辐出度总辐出度 M（T T）本讲稿第五页，共四十三页例如：一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成例如：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。理想的黑体。如远处不点灯的如远处不点灯的建筑物的窗口建筑物的窗口2)黑体辐射现象的实验规律黑体辐射现象的实验规律(1)(1)斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律M(T)=
5、T 4 =5.67 10-8 W/m2K4本讲稿第六页，共四十三页(2)(2)维恩位移定律维恩位移定律 m=b/Tb=2.89775610-3 mK本讲稿第七页，共四十三页3、经典物理学的困难、经典物理学的困难1.02.0 3.04.0 5.0 6.0 7.08.0 9.0(nm)维恩公式：维恩公式：瑞利瑞利金斯公式：金斯公式：紫外灾难！紫外灾难！本讲稿第八页，共四十三页4、普朗克能量子理论普朗克能量子理论1)1)普朗克公式普朗克公式在全波段在全波段与实验结果惊人符合与实验结果惊人符合本讲稿第九页，共四十三页2)普朗克能量子假设普朗克能量子假设(1)（谐振子）能量状态是量子化的。（谐振子）能量
6、状态是量子化的。)1,2,(n n ,2 ,LLLL=(2)不同型式的辐射，每一小份能量是不同的。不同型式的辐射，每一小份能量是不同的。n n=hn n 能量的最小单元能量的最小单元 称为称为“能量子能量子”1918年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖本讲稿第十页，共四十三页(3)普朗克能量子假设的意义普朗克能量子假设的意义本讲稿第十一页，共四十三页二二.爱因斯坦光子假设爱因斯坦光子假设 1.1.光电效应的实验规律光电效应的实验规律1)1)光电效应光电效应光电子光电子光电效应光电效应2)2)实验装置实验装置本讲稿第十二页，共四十三页3)实验规律实验规律 饱和光电流强度饱和光电流强度 im 与入射光强与入射
7、光强 I成正比成正比本讲稿第十三页，共四十三页光电子的最大初动能光电子的最大初动能与入射光强无关，与与入射光强无关，与入射光频率线性地增加入射光频率线性地增加 遏止电压遏止电压 本讲稿第十四页，共四十三页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，才会产生光电效应才会产生光电效应 0 称为称为截止频率截止频率或或红限频率红限频率产生光电效应产生光电效应本讲稿第十五页，共四十三页金属金属金属金属钨（钨（W）10.95钾（钾（K）2.25钛（钛（Ti）9.96钠（钠（Na）2.29钙（钙（Ca）7.73铯（铯（Cs）1.94表表25-1 几种金属的红限频率几种金属的红
8、限频率驰豫时间不超过驰豫时间不超过1010-9-9s光电效应是瞬时发生的光电效应是瞬时发生的本讲稿第十六页，共四十三页2.2.经典物理学所遇到的困难经典物理学所遇到的困难按照光的经典电磁理论：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，电子吸收的能光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，更量也与频率无关，更不存在截止频率！不存在截止频率！累能量克服累能量克服逸出功逸出功需要一段时间，光电需要一段时间，光电效应效应不可能瞬时发生！不可能瞬时发生！本讲稿第十七页，共四十三页3.爱因斯坦光子理论爱因斯坦光子理论(1905
9、)=h（1）爱因斯坦光子假设爱因斯坦光子假设（2）爱因斯坦光电效应方程）爱因斯坦光电效应方程本讲稿第十八页，共四十三页（3）光子理论对光电效应现象的圆满解释）光子理论对光电效应现象的圆满解释本讲稿第十九页，共四十三页（4）爱因斯坦光子假设的意义）爱因斯坦光子假设的意义0 5 10 15 20 TiCsUa4.02.0 遏止电压与频率的实验曲线遏止电压与频率的实验曲线 密立根实验验证密立根实验验证（1923年获诺贝尔奖）年获诺贝尔奖）本讲稿第二十页，共四十三页R本讲稿第二十一页，共四十三页本讲稿第二十二页，共四十三页实验装置实验装置X光光石墨石墨0.71光光栏栏X射线光谱仪射线光谱仪X射线源射线
10、源三三.康普顿光子动量假说康普顿光子动量假说(1923)1、康普顿康普顿散射现象的实验规律散射现象的实验规律本讲稿第二十三页，共四十三页2341原始原始=450=900=13500.0700.075(nm)强强度度=00本讲稿第二十四页，共四十三页2、康普顿光子动量假设康普顿光子动量假设本讲稿第二十五页，共四十三页光子能量光子能量光子动量光子动量电子能量电子能量电子动量电子动量本讲稿第二十六页，共四十三页康普顿散射公式康普顿散射公式康普顿波长康普顿波长本讲稿第二十七页，共四十三页讨论讨论2.证明了光子理论的正确性。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微观领域也遵守动
11、量守恒和能量守恒定律。康普顿荣获康普顿荣获1927年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 本讲稿第二十八页，共四十三页本讲稿第二十九页，共四十三页本讲稿第三十页，共四十三页四四.光的波粒二象性光的波粒二象性波动性波动性-它能在空间表现出干涉、衍射等波动现象，它能在空间表现出干涉、衍射等波动现象，具有一具有一定的波长、频率。定的波长、频率。粒子性粒子性-是指它具有集中的不可分割的性质。是指它具有集中的不可分割的性质。本讲稿第三十一页，共四十三页2 电子的波动性电子的波动性 一一.德布罗意物质波假说德布罗意物质波假说 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波称为与粒子相联系的波称
12、为概率波概率波或或德布罗意波德布罗意波本讲稿第三十二页，共四十三页本讲稿第三十三页，共四十三页例：自由电子的动能为例：自由电子的动能为54eV 本讲稿第三十四页，共四十三页三三.德布罗意物质波的实验验证德布罗意物质波的实验验证 1 1、戴维逊戴维逊-革末实验革末实验2 2、电子通过金多晶薄膜的衍射实验、电子通过金多晶薄膜的衍射实验（汤姆逊（汤姆逊1927）3 3、电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验、电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验（约恩逊（约恩逊1961)本讲稿第三十五页，共四十三页(1)(1)粒子性粒子性 “原子性原子性”或或“整体性整体性”不是经典的粒子不是经典的粒子,抛弃了抛弃了“
13、轨道轨道”概念概念(2)(2)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 对波粒二象性的理解对波粒二象性的理解本讲稿第三十六页，共四十三页3 海森伯不确定关系海森伯不确定关系一一.位置和动量的不确定关系位置和动量的不确定关系 本讲稿第三十七页，共四十三页x本讲稿第三十八页，共四十三页 推广到三维空间，在直角坐标系还有推广到三维空间，在直角坐标系还有无法消除！无法消除！本讲稿第三十九页，共四十三页二二.能量与时间的不确定性关系能量与时间
14、的不确定性关系 能级自然宽度和寿命能级自然宽度和寿命设体系处于某能量状态的寿命为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则该状态能量的不确定程度D DE E（能级自然宽度能级自然宽度)本讲稿第四十页，共四十三页例：例：H H原子的线度的数量级为原子的线度的数量级为1010-10-10m m，H H原中电子原中电子 的速度为的速度为V=10V=106 6m/sm/s，求其速度的不确定量。求其速度的不确定量。+MrnmV解：解：不确定量已达不确定量已达106m/s数量级，已不能用经典数量级，已不能用经典物理中的速度来描述。物理中的速度来描述。本讲稿第四十一页，共四十三页例：例：一质量为
15、一质量为0.4kg0.4kg的足球，以的足球，以10m/s10m/s的速度飞来的速度飞来 ，如动量的不确定量为，如动量的不确定量为 10%10%，求其位置的不求其位置的不 确定量。确定量。解：解：V足球运动员完全不必担心由于有波动性而足球运动员完全不必担心由于有波动性而一脚踢空。一脚踢空。本讲稿第四十二页，共四十三页在量子力学的世界里面呢，只有变数，没有常数在量子力学的世界里面呢，只有变数，没有常数;举例举例说明说明,就好象今天在这里相遇一样，从量子力学的角度就好象今天在这里相遇一样，从量子力学的角度来看，因为里面充满了太多的变数，这个概率接近于来看，因为里面充满了太多的变数，这个概率接近于零，也就是说这完全是一个偶然，所以我们大家应该零，也就是说这完全是一个偶然，所以我们大家应该珍惜这个偶然。珍惜这个偶然。人人 生生 无无 常常本讲稿第四十三页，共四十三页