文科物理课件----光的本性

第二章第二章 永恒的经典永恒的经典 n一 粒子运动的描述一 粒子运动的描述 n二 波动现象二 波动现象 n三 光的波动说与微粒说三 光的波动说与微粒说 n四 波动光学四 波动光学 n五 光的电磁理论五 光的电磁理论 n六 光的波粒二象性六 光的波粒二象性 n七 德布罗意波七 德布罗意波 第五节第五节 光的本性光的本性 一 粒子运动的描述一 粒子运动的描述 1 1 运动的绝对性运动的绝对性 所有物体都是由微观的粒子组成的 如所有物体都是由微观的粒子组成的 如 原子 分子 而微观的粒子都在做永不停息原子 分子 而微观的粒子都在做永不停息 的热运动 世界上一切物质都是处于永恒的运的热运动 世界上一切物质都是处于永恒的运 动状态之中 动状态之中 2 一 粒子运动的描述一 粒子运动的描述 如图如图2 5 1 宏观粒子在宏观粒子在 空间的位置及运动轨迹空间的位置及运动轨迹 粒子具有一定的质量粒子具有一定的质量 用速度 用速度 描述粒子运动的快慢和方向 粒描述粒子运动的快慢和方向 粒 子运动时具有动能 动量 如图子运动时具有动能 动量 如图 2 5 12 5 1所示 粒子所示 粒子N N在空间的位置在空间的位置 坐标为坐标为 为粒子在空间的为粒子在空间的 位置矢量 而后粒子沿曲线运动 位置矢量 而后粒子沿曲线运动 在在M M点时的速度为点时的速度为 具有动 具有动 量量 动能 动能 其中 其中 m v zyxr k Ep rxiyjzk 2 2 粒子运动的描述粒子运动的描述 3 一 粒子运动的描述一 粒子运动的描述 d d r t v pm v 2 k 1 2 Em v 4 二 波动现象二 波动现象 1 1 波动的描述 波动的描述 波是由于物体围绕各自平衡位置来回运动所形成的 波是由于物体围绕各自平衡位置来回运动所形成的 如果将软绳的一端固定 然后持续抖动绳子的另一如果将软绳的一端固定 然后持续抖动绳子的另一 端 我们将看到图端 我们将看到图2 5 42 5 4所示的现象 好像有某种所示的现象 好像有某种 东西沿绳前进 这种东西就是波 东西沿绳前进 这种东西就是波 波的传播方向 图2 5 4 持续抖动绳子的一端产生一个沿绳子传播的连续波 5 对波的描述有其特有的物理量 如波长 频率 振幅对波的描述有其特有的物理量 如波长 频率 振幅 波速等 如图 波速等 如图2 5 52 5 5所示 所示 图2 5 5 波长 振幅 波速的意义 波速 v 二 波动现象二 波动现象 6 v 一个连续而重复的波的波长是沿着波从任一点到一个连续而重复的波的波长是沿着波从任一点到 下一个同相点的距离 波的频率是介质中任意个下一个同相点的距离 波的频率是介质中任意个 体每秒钟内完成的振动次数 波通常由某种振动体每秒钟内完成的振动次数 波通常由某种振动 的波源发出 这时波的频率必定与波源的频率相的波源发出 这时波的频率必定与波源的频率相 同 也即波的频率由波源振动的频率决定 波的同 也即波的频率由波源振动的频率决定 波的 振幅是指它的最大高度或深度 波速是指波形在振幅是指它的最大高度或深度 波速是指波形在 介质中的传播速度 一列波的波长介质中的传播速度 一列波的波长 波速 波速 和和 频率频率 之间的关系为 之间的关系为 v 二 波动现象二 波动现象 7 2 2 波特有的现象波特有的现象 二 波动现象二 波动现象 1 1 波的衍射波的衍射 波绕过障碍物进入其几何阴影继续传播的现象波绕过障碍物进入其几何阴影继续传播的现象 叫做波的衍射 叫做波的衍射 8 2 2 波的干涉波的干涉 二 波动现象二 波动现象 两列波相遇时表现出有的地方振动加强 有的地两列波相遇时表现出有的地方振动加强 有的地 方振动减弱的现象叫做波的干涉 方振动减弱的现象叫做波的干涉 空旷的操场上放置两个空旷的操场上放置两个 同步播放的扬声器 当同步播放的扬声器 当 我们移动时可以听到忽我们移动时可以听到忽 强忽弱的声音 强忽弱的声音 9 如果在空旷的操场上放置两个独立播放的扬声器如果在空旷的操场上放置两个独立播放的扬声器 我们移动时为什么很难听到忽强忽弱的声音的 我们移动时为什么很难听到忽强忽弱的声音的 二 波动现象二 波动现象 波的相干条件 波的相干条件 1 1 频率相同 频率相同 2 2 振动方向平行 振动方向平行 3 3 相位相同或相位差恒定 相位相同或相位差恒定 10 三 光的波动说与微粒说三 光的波动说与微粒说 粒子性和波动性是物质存在的两种不同的表现形式 粒子性和波动性是物质存在的两种不同的表现形式 光如果是粒子 就应该具有粒子的属性光如果是粒子 就应该具有粒子的属性 而光如果是波 那么也应该具有波的属性而光如果是波 那么也应该具有波的属性 光是粒子还是波呢 这是光的本性问题 光是粒子还是波呢 这是光的本性问题 11 三 光的波动说与微粒说三 光的波动说与微粒说 对关于光的本性问题的研究 形成了两种相互对立的理对关于光的本性问题的研究 形成了两种相互对立的理 论论 即光的微粒说和光的波动说 即光的微粒说和光的波动说 1 1 以英国物理学家牛顿为代表的微粒说认为 以英国物理学家牛顿为代表的微粒说认为 光光 是由微粒组成的粒子流 是发光体接连不断地向是由微粒组成的粒子流 是发光体接连不断地向 周围空间射出的一群微小粒子流 并且它们走的周围空间射出的一群微小粒子流 并且它们走的 是最快的直线运动路径 是最快的直线运动路径 用光的微粒说可解释光的反射和折射现象 用光的微粒说可解释光的反射和折射现象 但但 无法解释光的衍射现象 无法解释光的衍射现象 12 三 光的波动说与微粒说三 光的波动说与微粒说 2 以荷兰物理学家惠更斯为代表的波动说认为 以荷兰物理学家惠更斯为代表的波动说认为 光是一种波 光波是一种靠物质载体 以太 来光是一种波 光波是一种靠物质载体 以太 来 传播的纵波 波面上的各点本身就是引起媒质振传播的纵波 波面上的各点本身就是引起媒质振 动的波源 动的波源 光的波动理论也能解释光的反射定律和折射定律光的波动理论也能解释光的反射定律和折射定律 同时也能较好的解释光的衍射和双折射现象 同时也能较好的解释光的衍射和双折射现象 但是 在用波动理论解释折射现象时 必须假定但是 在用波动理论解释折射现象时 必须假定 光在水中的传播速率小于光在空气中的传播速率光在水中的传播速率小于光在空气中的传播速率 这与牛顿微粒说的结论正好相反 这与牛顿微粒说的结论正好相反 13 三 光的波动说与微粒说三 光的波动说与微粒说 显然 如果能测出光在介质中传播的速度 就可显然 如果能测出光在介质中传播的速度 就可 以判断波动说与微粒说熟是熟非了 可惜当时没以判断波动说与微粒说熟是熟非了 可惜当时没 有实验能够进行判断 有实验能够进行判断 图2 5 8 光的反射 ii 空气 i i 反射光线 入射光线 反射面 平面镜 反射光线 入射光线 i 折射光线 界面 空气 1 n 2 n 水 图2 5 9 光的折射 14 波动说与微粒说的争论还在继续 要说服谁都必波动说与微粒说的争论还在继续 要说服谁都必 须有可靠的实验证据 须有可靠的实验证据 三 光的波动说与微粒说三 光的波动说与微粒说 克里斯蒂安克里斯蒂安 惠更斯惠更斯 艾萨克艾萨克 牛顿牛顿 15 四 光的波动特性四 光的波动特性 1 1 光的干涉 光的干涉 光的杨氏双缝干涉实验光的杨氏双缝干涉实验 16 四 光的波动特性四 光的波动特性 1 1 光的干涉 光的干涉 光的杨氏双缝干涉实验光的杨氏双缝干涉实验 1801年 英国物理学家托马年 英国物理学家托马 斯斯 杨找到获得相干光源的方杨找到获得相干光源的方 法 把从同一批原子发射出法 把从同一批原子发射出 来 初相位相同 的光人为来 初相位相同 的光人为 地分为两列 让它们经过不地分为两列 让它们经过不 同的路径后再在屏幕上相遇 同的路径后再在屏幕上相遇 各原子的发光尽管随机地改各原子的发光尽管随机地改 变 但任何初相位改变总是变 但任何初相位改变总是 同时发生在两列波中 在观同时发生在两列波中 在观 察点相位差只与路径有关 察点相位差只与路径有关 17 I I t t I I 叠加后叠加后 t t I I t t 由于它们的频率相同 振动方向相同 且具有固定的位相差由于它们的频率相同 振动方向相同 且具有固定的位相差 0 0 因此 叠加后光强加强 因此 叠加后光强加强 四 光的波动特性四 光的波动特性 18 四 光的波动特性四 光的波动特性 19 四 光的波动特性四 光的波动特性 白光的薄膜干涉图样白光的薄膜干涉图样 20 2 2 光的衍射 光的衍射 四 光的波动特性四 光的波动特性 1 1 圆孔衍射 圆孔衍射 P H S 21 2 2 直边衍射 刀刃衍射 直边衍射 刀刃衍射 22 2 2 圆屏衍射 泊松亮斑 圆屏衍射 泊松亮斑 23 泊松亮点泊松亮点 1818年年 巴黎科学院举行巴黎科学院举行 了一次解释衍射的有奖竞赛了一次解释衍射的有奖竞赛 评委中评委中 许多著名科学家许多著名科学家 如毕奥 拉普拉斯 如毕奥 拉普拉斯 泊松等 都是光的微粒学说的忠实泊松等 都是光的微粒学说的忠实 拥护者 年轻的工程师菲涅耳报告拥护者 年轻的工程师菲涅耳报告 了了 应用子波叠加原理解释衍射现应用子波叠加原理解释衍射现 象象 的论文 会后 泊松仔细审阅的论文 会后 泊松仔细审阅 了菲涅耳的论文 导出了了菲涅耳的论文 导出了 圆屏衍圆屏衍 射中心会出现一个亮点射中心会出现一个亮点 这一看似这一看似 离奇的结论 使菲涅耳原理面临严离奇的结论 使菲涅耳原理面临严 峻考验 不久 阿喇果在实验中果峻考验 不久 阿喇果在实验中果 然观察到了这一惊人现象 又称为然观察到了这一惊人现象 又称为 阿喇果亮斑 这一发现对光的波阿喇果亮斑 这一发现对光的波 动学说提供了有力的支持 动学说提供了有力的支持 法国物理学家菲涅耳法国物理学家菲涅耳 24 五 光的电磁理论五 光的电磁理论 麦克斯韦指出 电磁扰动 电磁波 的传播与光传麦克斯韦指出 电磁扰动 电磁波 的传播与光传 播相似 光是按电磁规律传播的电磁扰动 光就是播相似 光是按电磁规律传播的电磁扰动 光就是 一种电磁波 后来 赫兹用实验证实了电磁波的存一种电磁波 后来 赫兹用实验证实了电磁波的存 在 光的电磁理论成功地解释了光波的性质 实验在 光的电磁理论成功地解释了光波的性质 实验 证明 红外线 紫外线 证明 红外线 紫外线 X X射线 射线 射线都是电磁射线都是电磁 波 波 25 1 1 1 1 单色辐射出射度单色辐射出射度 单位时间内从物体单位面积单位时间内从物体单位面积 发出的波长在发出的波长在 附近单位波长区间的电磁波的能量附近单位波长区间的电磁波的能量 单色辐射出射度单色辐射出射度 单位 单位 TM 3 W m 定量研究热辐射的有关物理量定量研究热辐射的有关物理量 1 2 1 2 辐射出射度 辐出度 辐射出射度 辐出度 单位时间 单位面积上单位时间 单位面积上 所辐射出的各种波长的电磁波的能量总和所辐射出的各种波长的电磁波的能量总和 0 d TMTM 六 光的波粒二象性六 光的波粒二象性 1 黑体辐射黑体辐射 26 1 3 1 3 斯忒藩斯忒藩 玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 4 0 d TTMTM 428 KmW10670 5 斯忒藩斯忒藩 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数 1 4 维恩位移定律维恩位移定律 bT m Km10898 2 3 b 常数常数 峰值波长峰值波长 0 1000 2000 1 0 0 5 mW10 314 TM nm 可见光区可见光区 30003000K K 60006000K K m 黑体单色辐出度实验曲线黑体单色辐出度实验曲线 斯诺文尼亚实验物斯诺文尼亚实验物 理学家理学家 奥地利理论奥地利理论 物理学家物理学家 德国物理学家德国物理学家 27 可可 见见 光光 Hz10 15 72 10 W mHz MT 6000K 3000K 0 5 1 0 0 5 1 0 黑体单色辐出度实验曲线黑体单色辐出度实验曲线 c dd 2 c d d TMTM c TMTM 2 和和 关系关系 TM TM 28 2 经典物理学遇到的困难 如何从理论上找到符合黑体辐射实验的函数式 T eTM 3 为常数 1896年维恩从经典热力学及统计 理论及实验数据的分析得出 2 1 维恩公式 短波方向与实验符合较好 kT c TM 2 2 2 2 2 瑞利 金斯公式 瑞利1900年从经典电动力学和统计物 理学理论推导而得 金斯1905年修正了一个常量因子 123 KJ10380658 1 k 长波方向与实验符合较好 短波方向得出灾难性的结论 紫外灾难紫外灾难 经典物理有难 经典物理有难 c为真空中的光速 都是英国物理学家都是英国物理学家 29 黑体热辐射的黑体热辐射的理论与实验理论与实验结果的比较结果的比较 M 瑞利瑞利 金斯公式金斯公式 维恩公式维恩公式 由经典理论导出的由经典理论导出的 M T 公式都与实验结果不符合 公式都与实验结果不符合 短波符合较好 长波符合较好 物理学晴朗天空中的一朵乌云物理学晴朗天空中的一朵乌云 30 1900 10 7实验物理学家实验物理学家鲁本斯鲁本斯 Rubens 给给 普朗克普朗克 M Planck 带来了黑体辐射理论与实验比较的信息 带来了黑体辐射理论与实验比较的信息 当晚当晚普朗克普朗克就用就用内差法内差法搞出了一个公式搞出了一个公式 黑体辐射公式 3 普朗克黑体辐射公式和能量子假说 3 1 普朗克黑体辐射公式 1900 10 19 普朗克在德国物理学会 会议上提出这个黑体辐射公式 普朗克公式普朗克公式 1 2 3 2 kTh ec h TM 鲁本斯 Rubens 把这 幸运地猜出来的内插公式 同最新的实验结果比较 发现 在全波段与实验结果惊人的符合 短波趋向维恩 长波趋向瑞利 sJ1055 6 34 h 普普朗朗克克常常量量 1900 31 普朗克公式普朗克公式与实验与实验结果的比较结果的比较 M 瑞利瑞利 金斯公式金斯公式 维恩公式维恩公式 普朗克公式普朗克公式与实验结果的比较与实验结果的比较 普朗克公式普朗克公式 32 3 2 3 2 普朗克假设普朗克假设 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式 1900 1900 年 年 sJ106260755 6 34 h 普朗克常量普朗克常量 能量子能量子 0 Eh 为了推出黑体辐射公式 普朗克假设 金属空腔壁中为了推出黑体辐射公式 普朗克假设 金属空腔壁中 电子的振动可视为一维谐振子 它的能量只能取一系电子的振动可视为一维谐振子 它的能量只能取一系 列分立的值 列分立的值 0 0 E E0 0 2 2E E0 0 3 3E E0 0 4 4E E0 0 1e d 2 d 3 2 kTh c h TM 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式 1 2 3 Enhn 带电谐振子吸收或发射能量为带电谐振子吸收或发射能量为 h1 h2 h3 h4 h5 h6 0 33 普朗克普朗克 Max Karl Ernst Ludwig Planck 1858 1947 德国理论物理德国理论物理 学家 量子论的奠基人学家 量子论的奠基人 1900年年12 月月14日他宣读了以 关于正常光谱日他宣读了以 关于正常光谱 中能量分布定律的理论 为题的论中能量分布定律的理论 为题的论 文 提出能量量子化的假设 并导文 提出能量量子化的假设 并导 出黑体辐射能量分布公式出黑体辐射能量分布公式 劳厄称劳厄称 这一天是这一天是 量子论的诞生日量子论的诞生日 1905年年爱因斯坦爱因斯坦在能量量子化的启发下提出了在能量量子化的启发下提出了光光 量子量子的假设的假设 并成功解释了光电效应并成功解释了光电效应 34 3 3 光电效应 光电效应 六 光的波粒二象性六 光的波粒二象性 金金 属属 板板 18871887年赫兹在证实电磁波的存在年赫兹在证实电磁波的存在 和光的麦克斯韦电磁理论的实验和光的麦克斯韦电磁理论的实验 过程中 首次发现光电效应现象 过程中 首次发现光电效应现象 当波长较短的可见光或紫外光照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的电子就会从光中吸取能量而从 金属表面逸出 金属表面逸出 35 用光的波动理论来解释光电效应遇到了很大的困难 用光的波动理论来解释光电效应遇到了很大的困难 19051905年爱因斯坦提出了光量子的假说 他认为光是年爱因斯坦提出了光量子的假说 他认为光是 由具有能量的光量子组成 每个光量子的能量只与由具有能量的光量子组成 每个光量子的能量只与 光的频率有关 即光的频率有关 即 当然光量子 微粒 当然光量子 微粒 已经不是牛顿所描绘的粒子 光量子仍然保持着它已经不是牛顿所描绘的粒子 光量子仍然保持着它 的频率或波长的概念 的频率或波长的概念 六 光的波粒二象性六 光的波粒二象性 Eh 36 其中其中 是光量子能量 是光量子能量 是使电子从金属表面逸出是使电子从金属表面逸出 所须提供给它的最小能量 所须提供给它的最小能量 是在频率为是在频率为 的的 光的照射下逸出的光电子的动能的最大值 光的照射下逸出的光电子的动能的最大值 爱因斯坦的光量子理论 成功地解释了光电效应的爱因斯坦的光量子理论 成功地解释了光电效应的 规律 并导出了著名的规律 并导出了著名的 爱因斯坦公式爱因斯坦公式 Amh 2 2 1 v 六 光的波粒二象性六 光的波粒二象性 2 1 2 m v Ah 19161916年 爱因斯坦进一步指出 光量子的动量年 爱因斯坦进一步指出 光量子的动量 Eh p c 37 4 4 康普顿效应 康普顿效应 六 光的波粒二象性六 光的波粒二象性 1923年时任美国华盛顿大学校长的年时任美国华盛顿大学校长的 物理学家康普顿从物理学家康普顿从X光的散射实验中光的散射实验中 观察到了康普顿效应观察到了康普顿效应 即即X射线的射线的 波长增大的现象 康普顿接受了爱波长增大的现象 康普顿接受了爱 因斯坦的观点 认为因斯坦的观点 认为X射线的光量子射线的光量子 好比一个个小刚球 每一个不但有好比一个个小刚球 每一个不但有 能量 而且具有动量 光量子和自能量 而且具有动量 光量子和自 由电子弹性碰撞时 能量守恒 动由电子弹性碰撞时 能量守恒 动 量守恒 由此得到散射光波长改变量守恒 由此得到散射光波长改变 为为 0 1 cos h mc 38 康普顿的散射实验与爱因斯坦的光量子理论相吻康普顿的散射实验与爱因斯坦的光量子理论相吻 合 更加有力地证实了光的粒子性 合 更加有力地证实了光的粒子性 六 光的波粒二象性六 光的波粒二象性 康普顿康普顿 爱因斯坦爱因斯坦 普朗克普朗克 39 5 5 光的波粒二象性 光的波粒二象性 1919世纪后半叶形成了以麦克斯韦 赫兹等人为世纪后半叶形成了以麦克斯韦 赫兹等人为 代表的光的电磁波学说 以爱因斯坦等人为代代表的光的电磁波学说 以爱因斯坦等人为代 表的光的量子学说 这两大学派各自统治着自表的光的量子学说 这两大学派各自统治着自 己的理论领域 光的波动理论不能解释光电效己的理论领域 光的波动理论不能解释光电效 应 黑体辐射等光的粒子行为 而光的量子观应 黑体辐射等光的粒子行为 而光的量子观 点亦无法说明光的干涉 衍射及偏振等光的波点亦无法说明光的干涉 衍射及偏振等光的波 动现象 关于光的本质究竟是什么 两大学说动现象 关于光的本质究竟是什么 两大学说 处在相互对立的矛盾之中 谁也无法将它统一处在相互对立的矛盾之中 谁也无法将它统一 起来 起来 40 六 光的波粒二象性六 光的波粒二象性 19161916年 爱因斯坦进一步提出光量子不仅具有能年 爱因斯坦进一步提出光量子不仅具有能 量量 而且像实物粒子一样还具有动 而且像实物粒子一样还具有动 量量 将标志波动性的频率和波长通过普朗将标志波动性的频率和波长通过普朗 克常量与标志粒子性的能量和动量联系起来了 克常量与标志粒子性的能量和动量联系起来了 他指出 光在传播过程中突出地表现了波动性的他指出 光在传播过程中突出地表现了波动性的 一面 而在与物质相互作用而转移能量时则更多一面 而在与物质相互作用而转移能量时则更多 地显示出它粒子性质 两者不会同时显示出来 地显示出它粒子性质 两者不会同时显示出来 这就是光的波粒二象性 后来人们把光量子叫做这就是光的波粒二象性 后来人们把光量子叫做 光子 光子 Eh ph 41 19231923年 法国物理学家德布年 法国物理学家德布 罗意大胆地假设 实物粒子罗意大胆地假设 实物粒子 和光一样 也具有波粒二象和光一样 也具有波粒二象 性 如果用能量和动量来表性 如果用能量和动量来表 征实物粒子的粒子性 用频征实物粒子的粒子性 用频 率和波长表征实物粒子的波率和波长表征实物粒子的波 动性 那么它们之间的关系动性 那么它们之间的关系 应与光子和光波一应与光子和光波一 样 样 七 德布罗意波七 德布罗意波 19231923年 法国物理学家德布年 法国物理学家德布 罗意大胆地假设 实物粒子罗意大胆地假设 实物粒子 和光一样 也具有波粒二象和光一样 也具有波粒二象 性 如果用能量和动量来表性 如果用能量和动量来表 征实物粒子的粒子性 用频征实物粒子的粒子性 用频 率和波长表征实物粒子的波率和波长表征实物粒子的波 动性 那么它们之间的关系动性 那么它们之间的关系 应与光子和光