课件：大学物理波粒二象性黑体辐射和光电效应及康普顿散射.ppt

第26章 波粒二象性,1、X射线的发现(1895年),.引言,临近世纪末，上帝突然变得躁动不安，他扔下一大把谜语，然后默默不言。陶醉在经典物理学无往不胜的压倒性战绩里的人们隐隐觉得什么地方出了问题，自然界还是有很多神秘现象没能解释。,一、三大发现揭开研究微观世界的序幕,(Wilhelm Konrad Rntgen，18451923),伦琴,1845年3月27日生于德国莱茵省的雷内普(Lennep)，是纺织商人的独生子，童年时代大部分是在母亲的故乡荷兰渡过。1868年伦琴毕业于瑞士苏黎世联邦工程学院，成为一名机械工程师。1869年，获哲学博士学位。受老师昆特教授的影响，转而从事物理学的研究，并随昆特到维尔茨堡大学做昆特的助手。1872年伦琴到斯特拉斯堡大学任副教授。1875年成为霍恩海堡农业专科学校的教授。1879年1888年主持吉森大学物理学讲座。1889年1893年任耶拿大学和乌德勒兹两大学的教授。1894年1900年年任维尔茨堡大学校长和慕尼黑物理研究所所长。他是柏林和慕尼黑科学院的通讯院士。,24.6 X 射线衍射 布喇格公式,1. X 射线,1895年德国的伦琴发现 X射线。,原子内壳层电子跃迁产生的一种辐射和高速电子 在靶上骤然减速时伴随的辐射，称为X 射线。,其特点是：# 在电磁场中不发生偏转；,# 穿透力强；,# 波长较短的电磁波； 范围在0.01nm10nm之间； # 具有化学、生物反应作用。,2. X 射线晶体衍射,天然晶体可以看作是光栅常数 很小的空间三维衍射光栅。,1912年劳厄的实验装置，如图：,在乳胶板上形成对称分布的 若干衍射斑点，称为劳厄斑。,1913年英国物理学家布喇格 父子提出一种简化了的研究 X射线衍射的方法，与劳厄 理论结果一致。,3. 布喇格公式,同一晶面上相邻原子 散射的光波的光程差 为 AD-BC= 0， 它们 相干加强。若要在该 方向上不同晶面上原 子散射光相干加强， 则必须满足：,即当 时各层面上的反射光相干加强，形 成亮点，称为 k 级干涉主极大。该式称为布喇格公式。,因为晶体有很多组平行晶面，晶面间的距离 d 各 不相同，所以劳厄斑是由空间分布的亮斑组成。,X 射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新 领域，而且用它可以作光谱分析，在科学研究和 工程技术上有着广泛的应用。,在医学和分子生物学领域也不断有新的突破。 1953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用 X射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖 核酸（DNA)的双螺旋结构，荣获了1962 年 度诺贝尔生物和医学奖。,4.应用,2002度诺贝尔物理学奖- X射线天文学。,2009年10月7日，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布，将2009年度诺贝尔化学奖授予美国科学家文卡特拉曼拉马克里希南、托马斯施泰茨和以色列女科学家阿达约纳特，他们分别采用X射线晶体学方法，绘制出核糖体的三维模型，不仅让我们知晓了核糖体的“外貌”，而且在原子层面揭示了核糖体功能的机理。,诺贝尔奖评审委员会认为，这项研究可以很快在实际中得到应用。今天的抗生素药品治疗很多疾病，主要是通过阻止核糖体细菌发挥作用，没有发挥作用的核糖体，细菌就不能生存。,科学家使用了13种波长（从紫外线到红外线之间的）的光照射蒙娜丽莎，并用摄像机扫描画面。拨开几世纪前的颜料和其他改变，得出了结果：达芬奇实际上给蒙娜丽莎画了眉毛。,美国用新的X光技术揭开诸多名画隐藏的秘密,2、放射性的发现(1896年),安东尼亨利贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel，18521908）于1852年生于法国。1872年就读巴黎理工大学，后在公路桥梁学校毕业，获工程师职位。1878年在巴黎自然博物馆任物理学教授，1895年任理工大学教授。,1903年诺贝尔物理学奖一半授予法国物理学家亨利贝克勒尔，以表彰他发现了自发放射性；另一半授予法国物理学家皮埃尔居里（Pierre Curie，18591906）和玛丽斯可罗夫斯卡居里（Marie Sklodowska，18671934）.,3、电子的发现（ 1897年）,JJ汤姆孙 (Jospeh John Thomson,18561940),1856年出生于英格兰的曼彻斯特附近的苏格兰人家庭.1870年进入曼彻斯特的一所专科学校，本打算学工科，但却对物理学逐渐发生了兴趣。1876年，他靠奖学金入剑桥大学读书，此后便在那里度过了他的一生.领导卡文迪许实验室达三十余年之久 .,“布丁蛋糕”原子模型.,1900年4月27日，开尔文(William Thomson）在英国皇家学会以19世纪热和光的动力理论上空的乌云为题作长篇演讲。,“以太之迷”,“紫外灾难”,物理学晴空中的两朵乌云.,二.十九世纪物理学的成就与困惑,26.1 量子概念的诞生 普朗克量子假设,1.热辐射 : 由温度决定的物体的电磁辐射。,一. 热辐射的基本概念,入射,反射,透射,吸收,辐射,物体辐射电磁波的同时也吸收电磁波。,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。,2.单色辐出度 - 在一定温度T 下，物体单位表面在单位时间内发射的波长在 +d 范围内的辐射能与波长间隔的比值，即,3.热辐射的特点:,(1)连续谱,(2)频谱分布随温度变化,温度越高,辐射越强,(3)物体的辐射本领与温度、材料有关； 辐射本领越大，吸收本领也越大。,二. 黑体辐射,1.绝对黑体(黑体)：能够全部吸收各种波长的辐射且不反射和透射的物体。,黑体辐射的特点 ：,与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射本领最强.,煤烟,约90%,黑体模型,黑体热辐射,温度,材料性质,(1)斯忒藩(Stefan)-玻耳兹曼(Boltzmann)定律,(2)维恩(Wien)位移定律,实验发现：当绝对黑体的 温度升高时，单色辐出度 最大值m 向短波方向移动。,2.黑体辐射的实验规律,绝对黑体的辐出度按波长分布曲线,热辐射的规律在现代科学技术上的应用非常广泛.它是测高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础. 例如：太阳光谱测出 ，可推算得太阳表面温度约为6000K； 地面温度约为300K，可算得 ，这说明地面的热辐射主要在10m附近的波段，而大气对这一波段的电磁波吸收极少，几乎透明，故长称这一波段为电磁波的窗口（大气窗口）.地球卫星可以利用红外遥感技术测定地面的热辐射，从而进行资源、地质等各类探查。 宇宙背景辐射：, 维恩根据经典热力学得出：,3.黑体辐射的经典物理的理论公式,三. 普朗克(Planck)公式(1900年),MB,瑞利 金斯公式 (1900年),维恩公式(1896年),1.普朗克公式,实验曲线,普朗克常数 h = 6.62610-34 Js,（为得到这一公式，普朗克提出了能量量子化假设）,能量子假说:辐射黑体中的分子、原子振动可看作线性谐振子，它和周围电磁场交换能量。这些谐振子只能处于某种特殊的状态，它的能量取值只能为某一最小能量 （称为能量子）的整数倍，即：,普朗克常数,2. 普朗克能量子假设,首次提出微观粒子的能量是量子化的，打破了经典物理学中能量连续的观念。,3. 意义,打开了人们认识微观世界的大门,在物理学发展史上起了划时代的作用.,光电效应 当波长较短的 可见光或紫外光照射到某些金属表面上时,金属中的电子就会从光中吸取能量而从金属表面逸出的现象。,一. 光电效应的实验规律,金属板释放的电子称为光电子,光电子在电场作用下在回路中形成光电流。,26.2 光的粒子性的提出,入射光线,光电效应伏安特性曲线,1)饱和电流Is,当加速电势差增加到一定值时，电流达到饱和，说明所有电子都到达阳极。,在同样加速电压下，光强越强，光电流越大。,结论1：单位时间内，光电子数和入射光的光强有关.,光 强 较 强,光 强 较 弱,2)遏止电势差Ua,当反向电势差达到 Ua 时，光电流为零 称Ua的绝对值为遏止电势差。,结论2：光电子从金属表面逸出时具有一定的动能，最大初动能与入射光的强度无关。,（3）遏止频率（又称红限） 实验表明：遏止电 势差 和入射光的频率之间具有线性关系。,K为不随金属性质不同而改变的普适恒量,称为光电效应的红限（遏止频率）,（4）弛豫时间 实验表明，从入射光开始照射直到金属释放出电子，无论光的强度如何，这段时间很短，不超过 。,结论3：光电子从金属表面逸出时的最大初动能与入射光的频率成线性关系。当入射光的频率小于 时，不管照射光的强度多大，不会产生光电效应。,结论4：光电效应的产生几乎无需时间的累积,2019/4/24,25,可编辑,二. 经典物理与实验规律的矛盾,电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量(与光强 I 有关) 逸出，不应存在红限 0 。,当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累。,只有光的频率 0 时，电子才会逸出。,光电子即时发射，滞后时间不超过 109 秒。,经典物理无法解释的实验规律,光电子最大初动能和光频率 成线性关系。,光电子最大初动能取决于光强，和光的频率 无关。,三. 爱因斯坦光子假说和光电效应方程,光是光子流 ，每一光子能量为 h ，电子吸收一个光子,（A 为逸出功）,单位时间到达单位面积的光子数为N，则光强 I = Nh . I 越强 , 到阴极的光子越多, 则逸出的光电子越多。,电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。,光频率 A/h 时，电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出 ( o= A/h) 。,结论,光电子最大初动能和光频率 成线性关系。,光不仅具有波动性，还具有粒子性。这种双重性称为波-粒二象性。,波动性和粒子性之间的联系如下：,光子动量,光子能量,光子质量,四. 光（电磁辐射）的波粒二象性,测量波长在 2001200 nm 极微弱光的功率,光电效应的应用,光电管: 光电开关, 红外成像仪,光电传感器等,光电倍增管: (微光)夜视仪,分析:求解有关光电效应的习题,关键在于深刻理解爱因斯坦光电效应方程以及方程中每一项物理量的含义.,例2: 铝的逸出功为4.2eV.今用波长为200nm的紫外光照射到铝表面上,发射的光电子的最大初动能为多少?遏止电势差为多大?铝的红限波长是多大?,解:(1)由光电效应方程 , 得,(2)由,得,(3)由,得,例3：有一金属钾薄片，距弱光源3米。此光源的功率为1W，计算在单位时间内打在金属单位面积上的光子数。设=589nm。,解：,例4: 如果一个光子的能量等于一个电子的静止能量,问该光子的频率、波长和动量各是多少?在电磁波谱中属于何种射线?,分析:可根据相对论的质能关系求得光子的能量,再根据光子的基本性质求解., ,探测器,26. 3 康普顿散射及光子理论的解释,一. 康普顿散射,X 光管,光阑,散射物体,(实验装置示意图）,康普顿效应：在散射的x射线中，不但存在与入射线波长相同的反射线，同时还存在波长大于入射线波长的反射线现象。,2、康普顿散射强度随散射角的增加而增加。随物质原子量的增大而减弱。,1、波长的改变量-o随散射角的增加而增加，与散射物质无关。,康普顿波长：,强度变化,吴有训实验结果,二. 经典物理的解释,经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射.,电子受迫振动,同频率散射线,发射,单色电磁波,照射,康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果：,三. 光子理论的解释,能量、动量守恒,(1) 入射X 射线光子与外层电子弹性碰撞,外层 电子,（电子的康普顿波长）,其中,(2) X 射线光子和原子内层电子相互作用,光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。,自由电子,内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。,弹性碰撞,结论,