物理课件波粒二象性

1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名 物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言: “科学的大厦已经基本完成 ， 后辈的物理学家只要做一些零碎的修 补工作就行了。”-开尔文- 也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一 辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小 数点后面在加几位罢了！ 但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的 科学家，就在上面提到的文章中他还讲到： “但是，在物理学晴朗天空的远处，还有 两朵令人不安的乌云，-” 这两朵乌云是指什么呢？ 一朵与黑体辐射有关， 另一朵与迈克尔逊实验有关。 事隔不到一年(1900年底)，就从第一朵乌 云中降生了量子论，紧接着(1905年)从第二朵 乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻 底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域 。正可谓“山重水复疑无路, 柳暗花明又一村 17.1能量量子化 ： 物理学的新纪元 一、黑体与黑体辐射 1、热辐射 （1）定义：一切物体在任何温度下都在辐射 各种波长的电磁波，这种辐射与 物体的温度有关，称为热辐射。 （2）特征：辐射强度按波长的分布情况随 物体的温度而有所不同。 固体在温度升高时颜色的变化 1400K800K 1000K 1200K 例如：铁块 温度 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色 温度 发射的能量 电磁波的短波成分 直觉: 低温物体发出的是红外光 炽热物体发出的是可见光 高温物体发出的是紫外光 （3）平衡热辐射 加热一物体, 物体的温度恒定时，物体所 吸收的能量等于在同一时间内辐射的能 量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。 2、黑体 （1）定义：能全部吸收各种波长的辐射 而不发生反射，折射和透射的 物体称为绝对黑体，简称黑体 。 （2）黑体模型 （3）特征：黑体辐射电磁波的强度按 波长的分布只与黑体的温度有关，与 材料的种类及表面状况无关。 0 1 2 3 4 5 6 (m) 1700K 1500K 1300K 1100K 二、黑体辐射的实验规律 随着温度的增高， 一方面各种波长的辐射 强度都有增加，另一方 面辐射强度的极大值向 波长较短的方向移动。 o 实验值 /m 维恩线 瑞利-金斯线 紫 外 灾 难 12345678 黑体辐射实验 是物理学晴朗 天空中一朵 令人不安的乌云 。 三、能量子：超越牛顿的发现 1、普朗克能量子假说：微观粒子的能量 是某一最小能量（称为能量子）的整数 倍，即：, 1, 2, 3, . n，n为正整数 ，称为量子数。 2、能量子 ： 普朗克常量 (m)1 2 3 5 6 8 947 普朗克 实验值 普朗克后来又为这种与经典 物理格格不入的观念深感不安，只 是在经过十多年的努力证明任何复 归于经典物理的企图都以失败而告 终之后，他才坚定地相信h的引入确 实反映了新理论的本质。1918年他 荣获诺贝尔物理学奖，他的墓碑上 只刻着他的姓名和 M.Planck 德国人 18581947 1888年，霍瓦(Hallwachs)发现金属板被紫 外光照射会放电。近10年以后（因为1897 年，J.Thomson才发现电子）人们认识到那 就是从金属表面射出的电子，这些电子被 称作光电子(photoelectron)，相应的效应 叫做光电效应。 物理难题： 17.2科学的转折 ： 光的粒子性 回顾人类对光的本性 的认识的发展过程。 波动说（惠更斯） 微粒说（牛顿） 电磁说 （麦克斯韦 ） 用紫外线灯照射擦得很 亮的锌板，(注意用导 线与不带电的验电器相 连），使验电器张角增 大到约为 30度时，再 用与丝绸磨擦过的玻璃 棒去靠近锌板，发现验 电器的指针张角变大。 表明锌板在紫外线照射下失去电子而带正电 。 实验 一、光电效应现象 在光(包括不可见光)的照射下，从物 体发射电子的现象叫做光电效应。 发射出来的电子叫做光电子。 二、光电效应的实验规律 阳 极 阴 极 光线经石英窗照在阴极 上，便有电子逸出- 光电子。 光电子在电场作用下 形成光电流。 1、每种金属都存在截止频率（极限频率）c ； 当入射光频率 c 时，电子才能逸出金属表面； 当入射光频率 W0才有光电子逸出， 所以c=W0/h。 最大初动能 EKm与成线性关系。 瞬时效应电子一次性吸收一个光子的全部能量 ，不需要积累。 饱和光电流 光强较大时，单位时间内发射的光子 数较多，照射金属时产生的光电子多 。 4.光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做了“ 光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因 斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一 次证明了“光量子”理论的正确。 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说 明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺 贝尔物理学奖。 爱因斯坦由于对光电效 应的理论解释和对理论 物理学的贡献获得1921 年诺贝尔物理学奖 密立根由于研究基本电荷和 光电效应，特别是通过著名 的油滴实验，证明电荷有最 小单位。获得1923年诺贝尔 物理学奖 。 密立根的实验的目的是：测量金属的遏止电 压UC与入射光频率，由此算出普朗克常数h 。 UC/V 0.5410.637 0.7140.809 0.878 /1014HZ 5.6445.888 6.0986.303 6.501作出UC-图象 。 求普朗克常数h 这种金属的截止频率C 五、光电效应在近代技术中的应用 光电管：把光信号转化为电信号。 光控继电器 放大器 控制机构 可以用于自动控制，自动计 数、自动报警、自动跟踪等 如图所示是做光电效应实验的装置简图。在抽成真空的 玻璃管内，K为阴极（用金属铯制成，发生光电效应的逸 出功为1.9eV），A为阳极。在a、b间不接任何电源，用 频率为（高于铯的极限频率）的单色光照射阴极K，会 发现电流表指针有偏转。这时，若在a、b间接入直流电 源，a接正极，b接负极，并使a、b间电压从零开始逐渐 增大，发现当电压表的示数增大到2.1V时，电流表的示 数刚好减小到零。求： a、b间未接直流电源时， 通过电流表的电流方向。 从阴极K发出的光电子的 最大初动能EK是多少焦？ 入射单色光的频率是多少？ V A K A ab 单色光 六、康普顿效应 1.光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用,因而传 播方向发生改变,这种现象叫做光的散射 。 1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射 的实验时，发现散射的X射线中除有与入 射波长0相同的成分外，还有波长大于 0的成分，这个现象称为康普顿效应。 2、康普顿效应 3、经典电磁理论的困难 根据经典电磁波理论，当电磁波通过物 质时，物质中带电粒子将作受迫振动， 其频率等于入射光频率，所以它所发射 的散射光频率应等于入射光频率。 4、光子理论对康普顿效应的解释 光子不仅具有能量也具有动量，在与 电子碰撞时要遵守能量守恒定律和动 量守恒定律，光子的部分能量传给电 子,散射光子的能量减少，于是散射光 的波长大于入射光的波长。 5、康普顿散射实验的意义 （1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设； （2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设 ； （3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中， 动量和能量守恒定律仍然是成立的。 康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。 七、光子的能量和动量 （光子的动质量 ） 既然光子有动量，那么光照射到物体表面被吸 收或被反射时就会对物体有压力，叫做 “光 压”。有人设想在遥远的宇宙探测中利用光压 力作动力推动航天器加速，这样可以大大减少 航天器发射时自身的体积和重量的影响，在某 个设计方案中，计划给探测器安上面积极大， 反射率极高的薄膜，并设法让它始终正对太阳 已知在地球绕日轨道上，每平方米面积上得到的 太阳光的功率为P0 = 1.35kW，探测器本身的质量 为M=100kg，薄膜面积为S=4104m2，那么探测 器由地球发射到太空时，由于太阳光的光压而得 到的加速度将为多大? 17.2崭新的一页 ： 粒子的波动性 动量能量是描述粒子的, 频率和波长则是用来描述波的 。 光到底是什么？ 一、光的波粒二象性 光的干涉、衍射、偏振现象说明 光具有波动性，而热辐射、光电 效应、康普顿效应又表明光具有 粒子性，单独使用任何一种都无 法完整地描述光的所有性质，因 此光具有波粒二象性。 1、波长越长，波动性越明显， 频率越大，粒子性越明显； 2、大量光子的行为表现波动性， 单个光子的行为表现粒子性； 3、传播过程中表现波动性， 和其他物质相互作用时表现粒子性。 二、德布罗意波（物质波） De . Broglie 1923年发表了题为“波和粒 子”的博士学位论文，提出了物质波的概念 。 他认为，“整个世纪以来（指19世纪）在光学中 比起波动的研究方法来，如果说是过于忽视了粒子 的研究方法的话，那么在实物的理论中，是否发生 了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图象想得太 多，而过分忽略了波的现象呢”于是他提出假设“实 物粒子也具有波动性”。 能量为E、动量为p的粒子与频率为、 波长为的波相联系，并遵从以下关系： E=mc2=hv P=h/ 这种和实物粒子相联系的波称 为德布罗意波(物质波或概率波 ),其波长称为德布罗意波长。 一个质量为m的实物粒子以速率v 运动时，即具有以能 量E和动量P所描述的粒子性，同时也具有以频率和波长l 所描述的波动性。 德布罗意关系 如速度v=5.0102m/s飞行的子 弹，质量为m=10-2Kg，对应的 德布罗意波长为： 如电子m=9.110-31Kg，速 度v=5.0107m/s, 对应的德 布罗意波长为： 太小测不到！X射线波段 三、物质波的实验验证 1912年德国物理学家 劳厄利用晶体中排列 规则的物质微粒作为 衍射光栅检验X射线 的波动性，证明X射 线就是波长为十分之 几纳米的电磁波。 X射线经晶体的衍射图 电子射线经晶体的衍射图 1927年，戴维孙和 汤姆孙分别分别利 用晶体做了电子束 衍射实验，证实了 电子的波动性。 后来的实验证明原子、分子、 中子等微观粒子也具有波动性 。 德布罗意公式成为揭示微观粒子 波粒二象性统一性的基本公式， 1929年，De Broglie荣获Nobel 物理学奖。 四、电子显微镜 阅读课本42 页科学漫步 回答问题。 17.4概率波 一、经典的粒子和经典的波 1、经典物理学中粒子运动的基本特征 ： 任意时刻具有确定的位置和速度 。 2、经典物理学中波的基本特征： 具有频率和波长也就是具有时空的周期性 。 二、概率波 1、光子说对明暗条纹的解释 明纹处到达的光子数多， 暗纹处到达的光子数少。 2、光的波动性不是光子之间的相互作用 引起的，而是光子自身固有的性质。 玻恩1926年提出概率波 。 玻恩(M. Born. 1882-1970) 德国物理学家。 不能肯定某个光子落在 哪一点，但大量光子在 空间出现的概率可以通 过波动规律确定，即光 波是一种概率波。 3、电子干涉条纹对概率波的验证 。 对于电子和其他微观粒子，单个粒子位 置是不确定的，但在某点附近出现的概 率的大小可以用波动的规律确定。 三、经典波动与德布罗意波(物质波)的区别 经典的波动(如机械波、电磁波等)是可 以测出的、实际存在于空间的一种波动。 而德布罗意波(物质波)是一种概率波。 简单的说，是为了描述微观粒子的波动性而 引入的一种方法。 17.5不确定性关系 一、不确定度关系 经典力学：运动物体有完全确定的位置、动量、能量等 。 微观粒子：位置、动量等具有不确定量（概率）。 一束微观粒子以速度 v 沿 oy 轴射向狭缝。 粒子在中央主极大区域 出现的几率最大。 y 电子通过狭缝的瞬间， 其位置在 x 方向上的 不确定量为 y 电子的位置和动量分 别用 和 来表示 。 同一时刻，由于衍射效 应，粒子的速度方向有 了改变，缝越小，动量 的分量 Px变化越大。 分析计算可得: 我们知道，原子核的数量级为10-15m，所以，子弹位置的 不确定范围是微不足道的。可见子弹的动量和位置都能精 确地确定，不确定关系对宏观物体来说没有实际意义。 例1.一颗质量为10g 的子弹，具有200ms-1的速率， 若其动量的不确定范围为动量的0. 01%(这在宏观范围 是十分精确的了)，则该子弹位置的不确定量范围为多 大? 解: 子弹的动量 动量的不确定范围 由不确定关系式(17-17)，得子弹位置的不确定范围 原子大小的数量级为10-10m，电子则更小。在这种情况下 ，电子位置的不确定范围比原子的大小还要大几亿倍，可 见企图精确地确定电子的位置和动量已是没有实际意义。 例2 . 一电子具有200 m/s的速率，动量的不确定范 围为动量的0. 01%(这已经足够精确了)，则该电子的 位置不确定范围有多大? 解 : 电子的动量为 动量的不确定范围 由不确定关系式，得电子位置的不确定范围 宏观物体 微观粒子 具有确定的坐标和动量 没有确定的坐标和动量 可用牛顿力学描述。 需用量子力学描述。 有连续可测的运动轨道，可 有概率分布特性，不可能分辨 追踪各个物体的运动轨迹。 出各个粒子的轨迹。 体系能量可以为任意的、连 能量量子化 。 续变化的数值。 不确定度关系无实际意义 遵循不确定度关系 二、微观粒子和宏观物体的特性对比 三、不确定关系的物理意义和微观本质 1. 物理意义： 微观粒子不可能同时具有确定的位置和 动量。粒子位置的不确定量 x越小， 动量的不确定量Px就越大，反之亦然 。2. 微观本质： 是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布 遵从统计规律的必然结果。 不确定关系式表明： 微观粒子的坐标测得愈准确( x0) ，动量 就愈不准确(px) ； 微观粒子的动量测得愈准确(px0) ，坐标就愈 不准确(