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1、第十八章第十八章 波粒二象性波粒二象性2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心发发发发 展展展展 史史史史普朗克：普朗克：提出能量子概念提出能量子概念爱因斯坦：提出光子学说爱因斯坦：提出光子学说玻尔：建立量子论，解释原子光谱玻尔：建立量子论，解释原子光谱德布罗意：建立波粒二象性概念德布罗意：建立波粒二象性概念2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心18.1 热辐射热辐射 普朗克能量子假说普朗克能量子假说 18.1.1 热辐射热辐射（heat radiation）物物体体在在一一定定时时间间内内辐辐射射能能量量按按波波长长分分布布且且与与温度相关温度相关的
2、电磁辐射称为的电磁辐射称为热辐射热辐射。高温物体发出的是高温物体发出的是紫外线。紫外线。炽热物体发出的是炽热物体发出的是可见光；可见光；低温物体发出的是低温物体发出的是红外线；红外线；温度温度 电磁波短波成分电磁波短波成分 发射能量发射能量 与温度相关与温度相关与温度相关与温度相关 平衡热辐射：平衡热辐射：（T不变）不变）E辐射辐射=E吸收吸收 当当物物体体辐辐射射能能量量等等于于它它同同时时间间内内吸吸收收的的辐辐射射能时，物体温度保持不变，称为能时，物体温度保持不变，称为平衡热辐射平衡热辐射。2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 与与、T 有关。有关。单色辐出度：单
3、色辐出度：(1)激光激光、日光灯发光不是热辐射、日光灯发光不是热辐射(是光致发光是光致发光)；(2)限于平衡热辐射的讨论限于平衡热辐射的讨论(热致发光热致发光)。单色吸收比单色吸收比：a a(,T)与与、T 有关。有关。吸收比：吸收比：只只与与T 有关。有关。辐射出射度辐射出射度：2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 在热平衡下，任何物体的在热平衡下，任何物体的单色辐出度单色辐出度与与单单色吸收比色吸收比的比值与物体的性质无关，等于同一的比值与物体的性质无关，等于同一温度下温度下黑体黑体的光谱辐出度，是一个取决于的光谱辐出度，是一个取决于波长波长和温度和温度的函数。的函
4、数。基尔霍夫表明：基尔霍夫表明：平衡态时，黑体的单色辐出度平衡态时，黑体的单色辐出度最大，是依赖于物体的温度和波长的函数与构最大，是依赖于物体的温度和波长的函数与构成黑体的材料形状无关的量。成黑体的材料形状无关的量。基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基尔霍夫定律基尔霍夫定律：2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心18.1.2 黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律 一、一、黑体黑体（black body）封封闭闭空空腔腔上上开开一一小小孔孔可可视视为为黑体黑体。任任何何温温度度下下，对对任任何何波波长长有有a a0(,T)=1，辐射最强。辐射最强。二、黑体辐射实验二、黑体辐射实验2
5、/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 0.5 1.0 1.5 2.01050e0/(10-7 Wm-2 m-1)/m可见光可见光可见光可见光5000K6000K3000K4000K辐射规律辐射规律实验规律实验规律!（如图所示）（如图所示）曲曲线线与与横横轴轴围围的面积就是的面积就是E0(T)。三、黑体辐射实验规律三、黑体辐射实验规律2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心（2）维恩位移定律）维恩位移定律（1）斯特藩玻耳兹曼定律）斯特藩玻耳兹曼定律斯特藩斯特藩-波耳兹曼常量波耳兹曼常量维恩常量维恩常量例例18.1 太太阳阳最最大大辐辐出出度度的的波波长长
6、 m=4.7 10-7 m处处，求太阳表面的温度。求太阳表面的温度。把太阳视为黑体，由把太阳视为黑体，由维恩位移定律，维恩位移定律，解：解：1911年获得诺贝尔物理学奖！年获得诺贝尔物理学奖！2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心例例18.2 在在天天文文学学中中常常用用斯斯特特藩藩玻玻耳耳兹兹曼曼定定律律来来确确定定恒恒星星半半径径。已已知知某某恒恒星星到到达达地地球球每每单单位位面面积积上上的的辐辐射射功功率率为为1.2 10-8kWm-2，恒恒星星离离地地球球4.3 1017 m，表表面面温温度度为为5200 K，若若恒恒星星的的辐辐射射与与黑黑体体形形式式相相似似
7、，试试求求该该恒恒星星的半径。的半径。（单位面积单位时间的辐射能量）（单位面积单位时间的辐射能量）解：解：dR恒星恒星地球地球地球地球2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心b.瑞利瑞利-金斯公式金斯公式 短波部分完全不符短波部分完全不符“紫外灾难紫外灾难”。长波部分出现偏差。长波部分出现偏差。a.维恩公式维恩公式e e 0 0 (,T ,T)1646 1646 KK18.1.3 普朗克量子假说普朗克量子假说一、一、经典物理学遇到的困难经典物理学遇到的困难 从从热热力力学学理理论论加加上上气气体动理论的假设得到体动理论的假设得到 从经典电动力学和统计物理学理论推导而从经典电
8、动力学和统计物理学理论推导而得到得到2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心辐辐射射物物质质中中具具有有带带电电的的线线性性谐谐振振子子，每每个个谐谐振振子子只只能能吸吸收收或或发发射射不不连连续续的的一一份份一一份份的的能能量量。这这个个能能量量正正比比于于振振子子频频率率 ，并并且且只只能能是是最最小小能能量单元量单元 0=h（能量子）的整数倍能量子）的整数倍。二、二、普朗克量子假说普朗克量子假说即振子能量为即振子能量为 E=nh 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式与实验曲线符合得很好。与实验曲线符合得很好。不不只只是是解解释释黑黑体体辐辐射射的的规规律律，它它第第一
9、一次次向向人人们揭示了们揭示了微观运动规律的基本特征微观运动规律的基本特征。2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常数子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常数h。量子理论现已成为现代。量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得理论和实验的不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖。了诺贝尔奖。普朗克是德国物理学家，量子物理学的普朗克是德国物理学家，量子物理学
10、的开创者和奠基人，被尊称为开创者和奠基人，被尊称为“量子之父量子之父”1918年诺贝尔物理学奖的获得者。他的伟年诺贝尔物理学奖的获得者。他的伟大成就，就是创立了量子理论，这是物理大成就，就是创立了量子理论，这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。物理学一统天下的局面。1900年，普朗克抛弃了能量是连续的年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量出这个公式，必须假设物质辐射的能量是
11、不连续的，只能是某一个最小能量的是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为为“能量子能量子”。M.Planck 德国人德国人185819472/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心极端情况下过渡为维恩、金斯公式；极端情况下过渡为维恩、金斯公式；当波长很短、温度较低时，当波长很短、温度较低时，令令维恩公式维恩公式当波长很长，温度较高时，当波长很长，温度较高时，瑞利瑞利-金斯公式金斯公式2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心18.2 光电效应光电效应 爱因斯坦光子假说爱因斯坦光子假说 18.2.
12、1 光电效应光电效应（photoelectric effect）阳极阳极阴极阴极石英窗石英窗VG 当当光光照照射射到到金金属属表表面面时时，金金属属中中的的电电子子吸吸收收光光的的能能量量，可可以以逸逸出出金金属属表表面面。这这一一现现象象称称为为光电效应光电效应。光光线线经经石石英英窗窗照照在在阴阴极极上上，便便有有电电子子逸逸出出光电子光电子。光光电电子子在在电电场场作作用用下形成下形成光电流光电流。2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 光电流光电流Im与入射光强成正比，与入射光频率无关。与入射光强成正比，与入射光频率无关。截截止止电电压压与与入入射射光光的的强强度
13、度无无关关，只只与与入入射射光光的的频频率率有有关关，初初动动能能随随频频率率线线性性增增加加，与与光光强强无无关。关。光电效应实验结论：光电效应实验结论：上上述述实实验验事事实实与与光光的的波波动动性性相相矛矛盾盾，波波动动理理论无法解释。论无法解释。频频率率限限制制条条件件：只只有有入入射射光光的的频频率率 大大于于截截止止频频率率（红红限限）0 时时,才有光电效应产生。才有光电效应产生。无时间积累效应：无时间积累效应：0 0 0 0 时，时，时，时，D Dt 1010-9-9 sIIU0ImUO2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心18.2.2 爱因斯坦光子假说爱因
14、斯坦光子假说 光光不不仅仅在在吸吸收收、辐辐射射时时是是以以能能量量子子的的微微粒粒形形式式出出现现，而而且且在在传传播播中中也也是是以以光光速速运运动动的的微微粒粒，称为光量子，简称称为光量子，简称光子光子。每个光子的能量为：每个光子的能量为：E=h (18.10)2.爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程Wm 为逸出功。为逸出功。1.光子光子（photon）依据能量守恒得到依据能量守恒得到2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心（4）一一个个光光子子的的全全部部能能量量将将一一次次性性地地被被一一个个电电子所吸收，不需要积累能量的时间。子所吸收，不需要积累能量的时间。
15、（1）光光强强与与入入射射光光子子数数成成正正比比，光光电电流流与与电电子子数成正比，即光电流与光强成正比。数成正比，即光电流与光强成正比。（2）由由爱爱因因斯斯坦坦光光电电效效应应方方程程，初初动动能能随随频频率率线性增加，与光强无关。线性增加，与光强无关。由相对论质能关系由相对论质能关系E=mc2有有m=h/c2p=mc=h/光具有波粒二象性。光具有波粒二象性。（3）当当 0D D 随随散射角散射角 的增加而的增加而增加增加，与散射物质无关与散射物质无关。变线的强度变线的强度随原子序数的增加而减小随原子序数的增加而减小。康普顿效应康普顿效应三、对实验规律的解释三、对实验规律的解释电子做受迫
16、振动，频率不变，波长也不变。电子做受迫振动，频率不变，波长也不变。经典理论经典理论2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 光子假说的解释光子假说的解释光子与散射物质中的电子相互碰撞。光子与散射物质中的电子相互碰撞。a.定性解释定性解释 变变 线：线：光子与较自由的电子相互碰撞。光子与较自由的电子相互碰撞。不变线：不变线：光子与束缚较紧的电子相碰撞。光子与束缚较紧的电子相碰撞。b.定量解释定量解释视碰撞前电子是静止的自由电子。视碰撞前电子是静止的自由电子。h h h h 0 0mmu u u u2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心由动量守恒定律：由动
17、量守恒定律：由动量守恒定律：由动量守恒定律：消去消去消去消去 ，得，得，得，得 由能量守恒定律：由能量守恒定律：由能量守恒定律：由能量守恒定律：利用利用利用利用得得得得上式为康普顿散射公式。上式为康普顿散射公式。对对对对 两边平方减去上式得两边平方减去上式得两边平方减去上式得两边平方减去上式得2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心两边同时除以两边同时除以两边同时除以两边同时除以 返回返回返回返回利用利用利用利用并且并且并且并且2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心四、四、康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义（1）支支持持了了“光光量量子子”概概念
18、念，进进一一步步证证实实了了 =h 。（2）首首次次实实验验证证实实了了爱爱因因斯斯坦坦提提出出的的“光光量量子子具具有动量有动量”的假设。的假设。（3）证证实实了了在在微微观观粒粒子子的的相相互互作作用用过过程程中中，动动量量和能量守恒定律仍然是成立的。和能量守恒定律仍然是成立的。p=E/c=h/c=h/（1）光子与束缚很紧的电子发生碰撞：）光子与束缚很紧的电子发生碰撞：a.相当于光子和整个原子碰撞，原子质量大；相当于光子和整个原子碰撞，原子质量大；b.散射光子的能量（波长）几乎不改变。散射光子的能量（波长）几乎不改变。（2）可可见见光光光光子子能能量量不不够够大大，原原子子内内电电子子不不
19、能能视视为为自自由由电子，不能产生康普顿效应。电子，不能产生康普顿效应。2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心例例18.5 用波长用波长 0=1 10-10 m的光子做康普顿实验。的光子做康普顿实验。求求:（1）散射角）散射角 =90o 的康普顿散射波长；的康普顿散射波长；（2）分配给反冲电子的动能。）分配给反冲电子的动能。解：（解：（1）（2）根据能量守恒）根据能量守恒康普顿散射波长改变量康普顿散射波长改变量 2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心解：解：(1)练习练习3.用于康普顿实验中用于康普顿实验中X射线波长射线波长=0.210-10m当散射
20、角为当散射角为 90时，求（时，求（1）X射线波长的改变量；射线波长的改变量；（2）碰撞电子所获得的动能；（）碰撞电子所获得的动能；（3）电子所获得）电子所获得的动量的大小。的动量的大小。(2)2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心(3)练习练习3.用于康普顿实验中用于康普顿实验中X射线波长射线波长=0.210-10m当散射角为当散射角为 90时，求（时，求（1）X射线波长的改变量；射线波长的改变量；（2）碰撞电子所获得的动能；（）碰撞电子所获得的动能；（3）电子所获得）电子所获得的动量的大小。的动量的大小。2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心18
21、.3 原子光谱原子光谱 玻尔原子理论玻尔原子理论 18.3.1 原子模型原子模型（atomic structure）一、汤姆孙原子模型一、汤姆孙原子模型 原原子子中中的的正正电电荷荷和和原原子子质质量量均均匀匀地地分分布布在在半半径径为为10-10m的的球球体体内内，电电子子浸浸于于此此球球体体中中，即即“葡萄干蛋糕模型葡萄干蛋糕模型”。以电子在正电体中呈多环的旋转运动为特征。以电子在正电体中呈多环的旋转运动为特征。二、卢瑟福原子模型二、卢瑟福原子模型原原子子的的中中心心是是原原子子核核，几几乎乎占占有有原原子子的的全全部部质质量，集中了原子中全部的正电荷。量，集中了原子中全部的正电荷。卢瑟福
22、散射卢瑟福散射2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 电子绕原子核旋转。电子绕原子核旋转。原子核的体积比原子的体积小得多。原子核的体积比原子的体积小得多。原子半径原子半径 10-10m原子核半径原子核半径10-14 10-15m 原原子子有有核核模模型型与与经经典典电电动动力力学学结结合合产产生生的的结结果果与与下下面面的的事事实实发发生生矛矛盾盾：原原子子的的稳稳定定性性和和原子的线状光谱。原子的线状光谱。2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心18.3.2 原子光谱原子光谱（atomic spectrum）原子光谱：原子光谱：原子发光原子发光强度随
23、波长的分布规律强度随波长的分布规律。是研究是研究原子结构原子结构的基本方法。的基本方法。1853年年瑞瑞典典人人埃埃格格斯斯特特朗朗测测得得氢氢可可见见光光光光谱谱谱线：谱线：线状谱线线状谱线 间隔有规律间隔有规律1.巴耳末公式巴耳末公式（可见光波段）（可见光波段）B=3645.6 10-10 m氢原子光谱的经验公式氢原子光谱的经验公式2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心2.广义巴耳末公式广义巴耳末公式（全波段）（全波段）赖曼线系赖曼线系巴尔末巴尔末系系帕邢系帕邢系紫外光部分紫外光部分可见光部分可见光部分红外光部分红外光部分2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中
24、心物理教学中心（1）原子光谱是分立的线状光谱；）原子光谱是分立的线状光谱；（2）谱线间相关，构成线系，可用经验公式谱线间相关，构成线系，可用经验公式表示；表示；（3）谱线的波数可以用两个）谱线的波数可以用两个光谱项光谱项之差表示之差表示 并合原则并合原则2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心练习练习4.确定氢原子赖曼线系的最短波长和最确定氢原子赖曼线系的最短波长和最长波长，以埃为单位。长波长，以埃为单位。解：解：2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心18.3.3 玻尔的原子理论玻尔的原子理论（1）卢瑟福原子核式模型）卢瑟福原子核式模型（2）普朗克、爱
25、因斯坦量子化）普朗克、爱因斯坦量子化一、一、玻尔氢原子理论的基础玻尔氢原子理论的基础问题问题:电子做圆周运动要辐射能量，原子不稳定。电子做圆周运动要辐射能量，原子不稳定。二、二、玻尔假设玻尔假设1.定态假设：定态假设：E1 E2 E3 2.量子跃迁假设：量子跃迁假设：3.量子化假设：量子化假设：n 量子数量子数2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心三、对氢原子的计算三、对氢原子的计算1.氢原子所服从的方程氢原子所服从的方程2.轨道半径轨道半径 r 由（由（2）式得）式得 代入（代入（1）式）式 得得 玻尔半径玻尔半径 轨道半径量子化轨道半径量子化 2/11/2023吉林大
26、学吉林大学 物理教学中心物理教学中心得得 将将半径代入角动量公式半径代入角动量公式 由角动量公式由角动量公式得得 代入代入 2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心3.电子速度电子速度将半径将半径代入代入比比c小两个数量级，相对论效应忽略。小两个数量级，相对论效应忽略。运动速度也是量子化的。运动速度也是量子化的。当当 n=1 时时4.能能 量量代入（代入（3）式）式 由（由（1）式得）式得 得得 2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心不连续不连续 能级能级基态能级基态能级激发态能级激发态能级 当当电电子子由由较较高高能能态态En 跃跃迁迁到到较较低低能
27、能态态Em 时时所所辐射的光子频率为辐射的光子频率为波数为波数为2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心与里德伯公式比较得与里德伯公式比较得与实验中测得的数值符合的相当好。与实验中测得的数值符合的相当好。2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心65氢原子能级图氢原子能级图1234莱曼系莱曼系（紫外区）（紫外区）巴耳末系巴耳末系(可见区可见区)帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系-13.6eV-13.6eV-3.39eV-3.39eV-1.51eV-1.51eV-0.85eV-0.85eVE En n主量子数主量子数 n 由由能能级级算算出出的的光光谱谱线线频频率
28、率和和实实验验结结果果完完全一致。全一致。原子跃迁原子跃迁2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心四、玻尔原子理论的意义：四、玻尔原子理论的意义：（1）揭示了微观体系应遵循量子化规律。）揭示了微观体系应遵循量子化规律。（2）指出有的经典理论已不再适用于原子内部的）指出有的经典理论已不再适用于原子内部的微观过程，并指出微观过程，并指出“定态能级定态能级”和和“能级跃能级跃迁迁”决定谱线频率的崭新概念。决定谱线频率的崭新概念。五、玻尔原子理论的局限性：五、玻尔原子理论的局限性：（1）这一理论是非相对论的；）这一理论是非相对论的；（2）它没有给出计算光谱线强度的方法；）它没有给出
29、计算光谱线强度的方法；（3）它不能解释多电子原子的光谱；）它不能解释多电子原子的光谱；（4）它甚至说明不了氢光谱的精细结构；）它甚至说明不了氢光谱的精细结构；（5）玻尔理论对轨道角动量所给出的定则，不如）玻尔理论对轨道角动量所给出的定则，不如实际上所遵从的原则完备。实际上所遵从的原则完备。2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心例例18.8 已知氢原子光谱的某一线系的极限波长已知氢原子光谱的某一线系的极限波长为为364.7nm，其中有一谱线波长为，其中有一谱线波长为656.5nm，试，试由玻尔氢原子理论，求与该波长相应的始态与终由玻尔氢原子理论，求与该波长相应的始态与终态能
30、级的能量。（态能级的能量。（R=1.097 107m-1)解解2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心例例18.9 处于第一激发态的氢原子被外来单色光激处于第一激发态的氢原子被外来单色光激发后，发射的光谱中，仅观察到三条巴尔末系光发后，发射的光谱中，仅观察到三条巴尔末系光谱线，试求这三条光谱线中波长最长那条谱线波谱线，试求这三条光谱线中波长最长那条谱线波长以及外来光的频率。长以及外来光的频率。波长最长（频率最低）波长最长（频率最低）外来光频率（辐射光子能量最大）外来光频率（辐射光子能量最大）解解2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心18.4 实物粒子的
31、波动性实物粒子的波动性18.4.1 德布罗意假设（德布罗意假设（de Broglie hypothesis）实实物物粒粒子子也也具具有有波波动动性性。波波的的频频率率、波波长长 与粒子的能量与粒子的能量E、动量动量p 的关系分别为的关系分别为 此此波波称称为为物物质质波波，相相应应波波长长称为称为德布罗意波长德布罗意波长。在在氢氢原原子子中中，电电子子绕绕核核运运动动轨轨道道的的周周长长恰恰好好等于等于整数个德布罗意波长整数个德布罗意波长，即，即 2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心所以所以 当当U=150V 时时，=10-10 m 这这与与X射射线线的的波波长长大大致
32、致相相同同。因因此此可可以以通通过过晶晶体体衍衍射射现现象象来来确确定定电电子波实际存在的可能性。子波实际存在的可能性。称为称为德布罗意公式德布罗意公式（轨道角动量量子化条件）（轨道角动量量子化条件）如何检测物质波？如何检测物质波？宏观物体宏观物体m=1g，u u=1cm/s =h/mu u10-29m微观物体（微观物体（电子或质子）电子或质子）2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心18.4.2 电子衍射实验电子衍射实验 实验装置实验装置 实验结果实验结果 U UMMKKGGI I5 5101015152020 当当加加速速电电压压U单单调调增增加加时时，电电流流I不不是
33、是单单调调地地增增加加，而而是是有有一一系系列列的的极极大大值值，明明显显地地表表现现出出有有规规律律的选择性。的选择性。戴戴维维逊逊-革革末末单晶衍射。单晶衍射。经典理论：经典理论：反射电子流反射电子流强度强度，无起伏现象。无起伏现象。量子理论：量子理论：电子是电子是波动波动，则根据布拉格公式则根据布拉格公式 理论解释理论解释2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心得得及入射电子波波长及入射电子波波长只有满足上式的电压只有满足上式的电压U，电流电流I才有极大值。才有极大值。汤姆孙多晶衍射实验汤姆孙多晶衍射实验衍射图像衍射图像衍射图像衍射图像戴维逊、汤姆孙共获戴维逊、汤姆孙
34、共获1937年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 实物粒子的波粒二象性实物粒子的波粒二象性实物粒子实物粒子波动性波动性 （概率波）（概率波）与经典波意义不同与经典波意义不同粒子性粒子性 （无固定轨道）（无固定轨道）与经典粒子有区别与经典粒子有区别 微微观观粒粒子子在在某某些些条条件件下下表表现现出出粒粒子子性性，在在另另一一些些条条件件下下表表现现出出波波动动性性，而而两两种种性性质质虽虽属属于于同同 一体中，却不能同时表现出来一体中，却不能同时表现出来。2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心 两两种种图图像像不
35、不会会同同时时出出现现在在你你的的视视觉中。觉中。著名卡通画家著名卡通画家 老老妇妇显显著著的的鼻鼻子子是是少少女女脸脸庞庞的的侧侧像像，而而少少女女衣衣领领的的连连扣扣则则是老妇微笑的嘴角。是老妇微笑的嘴角。W.E.Hill老妇？少女？老妇？少女？2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心例例18.10 能量为能量为15eV的光子，被处于基态的氢原的光子，被处于基态的氢原子吸收，使氢原子电离发射一个光电子，求此光子吸收，使氢原子电离发射一个光电子，求此光电子的德布罗意波长（电子质量电子的德布罗意波长（电子质量m0=9.11 10-31kg)解解光电子的德布罗意波长光电子的德
36、布罗意波长2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心18.4.3 不确定关系不确定关系（uncertainty relation）在在经经典典力力学学中中，运运动动状状态态由由坐坐标标与与动动量量来来描描述述。对对于于微微观观粒粒子子，由由于于波波粒粒二二象象性性，坐坐标标与与动动量量不不可可能能同同时时准准确确测测得得。它它们们之之间间存存在在一一种种相相互互依赖、相互制约的关系，称为依赖、相互制约的关系，称为不确定关系不确定关系。一、坐标与动量的不确定关系一、坐标与动量的不确定关系以单缝电子衍射实验为例以单缝电子衍射实验为例中央明纹中央明纹 d dp py yx x2/1
37、1/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心考虑到中央明纹以外的少量电子，考虑到中央明纹以外的少量电子，pD D pxD D py则有则有即即推广到三个坐标，有推广到三个坐标，有严格的理论给出严格的理论给出不确定关系（海森堡）不确定关系（海森堡）不不确确定定关关系系使使微微观观粒粒子子运运动动“轨轨道道”的的概概念念失去意义。失去意义。2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心二、能量与时间的不确定关系二、能量与时间的不确定关系由由有有即即（3）说明了原子说明了原子能级宽度能级宽度与与能级寿命能级寿命之间的关系。之间的关系。（2）不不确确定定关关系系是是微微观观粒粒
38、子子具具有有波波动动性性的的反反映映，是是波波粒粒二二象象性性的的必必然然结结果果,与与仪仪器器精精度度和和测测量方法的缺陷无关。量方法的缺陷无关。（1）微微观观粒粒子子力力学学量量（如如坐坐标标、动动量量、势势能能、动动能等）能等）不可能同时全部都具有确定值。不可能同时全部都具有确定值。2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心例例18.11 设设子子弹弹的的质质量量为为0.01kg，枪枪口口的的直直径径为为0.5cm，试试用用不不确确定定关关系系计计算算子子弹弹射射出出枪枪口口时时的的横向速度。横向速度。不不确确定定关关系系所所加加限限制制可可以以忽忽略略，仍仍可可认认为
39、为有有一定的轨道。一定的轨道。解：解：枪口直径位置不确定量枪口直径位置不确定量D Dx 由由2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心例例18.12 已已知知一一电电子子限限制制在在原原子子中中运运动动，求求此此电电子速度的不确定量子速度的不确定量D Du u。氢原子中电子的轨道运动速度约为氢原子中电子的轨道运动速度约为106 ms-1 在在此此种种情情况况下下，仍仍保保留留关关于于电电子子以以一一定定速速度度沿一定轨道运动的概念是不行的。沿一定轨道运动的概念是不行的。解：解：原子的线度为原子的线度为10-10 m数量级，原子的线度就数量级，原子的线度就是电子位置不确定量，由
40、不确定关系得是电子位置不确定量，由不确定关系得 2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心例例18.13 光子的波长为光子的波长为 3000 埃，如果确埃，如果确定此波长的精确度定此波长的精确度 /=10-6，试求此光子位，试求此光子位置的不确定量。置的不确定量。不确定量很大，经典力学用坐标确定轨不确定量很大，经典力学用坐标确定轨道位置已无效。道位置已无效。解：解：2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心N.玻尔、玻尔、M.玻恩、玻恩、W.L.布拉格、布拉格、L.V.德布罗意、德布罗意、A.H.康普顿、康普顿、M.居里、居里、P.A.M 狄喇克、狄喇克、A
41、.爱因斯坦、爱因斯坦、W.K.海森堡、海森堡、郞之万、郞之万、W.泡利、普朗克、薛定谔泡利、普朗克、薛定谔 等等 第五次索尔维会议与会者合影第五次索尔维会议与会者合影(1927年)2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心第五次索尔维会议与会者合影第五次索尔维会议与会者合影(1927年)爱因斯坦爱因斯坦居里夫人居里夫人普朗克普朗克洛仑兹洛仑兹郎之万郎之万德拜德拜布拉格布拉格狄拉克狄拉克泡利泡利海森伯海森伯波恩波恩玻尔玻尔德布罗意德布罗意康普顿康普顿2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心热辐射热辐射:由温度决定的物体的电磁辐射。由温度决定的物体的电磁辐射。
42、一一.热辐射热辐射头头部部热热辐辐射射像像头部各部分温度不同，因此它们头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异，这种差异可的热辐射存在差异，这种差异可通过热象仪转换成可见光图象。通过热象仪转换成可见光图象。单单色色辐辐出出度度0 1.0 1.75波长波长(m)2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射称为平衡热辐射。热辐射称为平衡热辐射。物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射本领越物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射本领越大，其吸收本领也越大。大，其
43、吸收本领也越大。室温室温高温高温吸收吸收辐射辐射白底黑花瓷片白底黑花瓷片2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心维恩设计的黑体维恩设计的黑体空腔上的小孔空腔上的小孔炼钢炉上的小洞炼钢炉上的小洞向向远处观察打开的窗子远处观察打开的窗子近似黑体近似黑体2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心电电磁磁波波 若谐振子频率为若谐振子频率为 v，则其能量是则其能量是hv,2hv,3hv,nhv,腔腔壁壁上上的的原原子子能能量量普朗克能量子假定：普朗克能量子假定：振子的能量不连续振子的能量不连续 E=n n=1,2,3.=h 基本物理思想：基本物理思想：辐射黑体中的分
44、子辐射黑体中的分子 原子可看作线性谐振子原子可看作线性谐振子振动时向外辐射能量（也可吸收能量）振动时向外辐射能量（也可吸收能量）能量子能量子物体发射或吸收电磁辐射时物体发射或吸收电磁辐射时 交换能量的交换能量的最小单位是最小单位是“能量子能量子”=h 2.2.普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心返返 回回2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心&实验规律实验规律1922-23年年,康普顿研究了康普顿研究了X射线在石墨上的散射射线在石墨上的散射 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪晶体晶体 0散射波长散射波长,0 石墨体石墨体(散射物质散射物质)康普顿散射康普顿散射实验演示实验演示三三.康普顿效应康普顿效应2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心夸克模型夸克模型光子光子光子晶体结构光子晶体结构电子层电子层2/11/2023吉林大学吉林大学 物理教学中心物理教学中心