高中物理人教版 第17章 波粒二象性 教学幻灯片PPT.ppt

第十七章波粒二象性 科学的历史不仅仅是一连串事实 规则和随之而来的数学描述 它也是一部概念的历史 当我们进入一个新的领域时 常常需要新的概念 普朗克 DESIGNER 范鸿飞TEL 010 68902931 1EMAIL fanhongfei2002 物理学大厦业已建成 物理学发展到19世纪末期 可以说是达到相当完美 相当成熟的程度 以经典力学 经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成 而且基础牢固 宏伟壮观 一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答 在这种形势下 物理学家会感到陶醉 会感到物理学已大功告成 因而断言往后难有作为了 这种思想当时在物理界不但普遍存在 而且由来已久 经典物理学大厦日臻完美 光速不变 黑体辐射 19世纪的最后一天 欧洲著名的科学家欢聚一堂 会上 英国著名物理学家W 汤姆生 即开尔文男爵 发表了新年祝词 他在回顾物理学所取得的伟大成就时说 物理大厦已经落成 所剩只是一些修饰工作 同时 他在展望20世纪物理学前景时 却若有所思地讲道 动力理论肯定了热和光是运动的两种方式 现在 它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了 晴朗天空中的两朵乌云 1 物理学的新纪元 能量量子化 黑体与黑体辐射 物体的热辐射一切物体都在不断地向外辐射电磁波 这种电磁辐射是由于物体内分子在不停地做热运动而产生的 在室温条件下 辐射波长较长的电磁波 红外线 在高温条件下 辐射波长较短的电磁波成分较多 在温度升高过程中 物体颜色发生变化 固体在温度升高时颜色的变化 注 K 是开氏温标 T 的单位 与摄氏温标 t 的换算方法是 T t 273 黑体与黑体辐射 物体对电磁波的反射和吸收除了热辐射之外 物体表面在不停地吸收和反射外界射来的电磁波 材料 表面情况不同的物体对不同波长电磁波的吸收和反射能力不同 就使我们观察到物体不同的颜色 例如在自然光入射条件下 白色物体 反射各种颜色的光 红色物体 反射红颜色光 而吸收了其它颜色的光 黑色物体 物体对各种颜色吸收能力都很强 而反射能力很弱 黑体与黑体辐射 黑体 物理模型 能够完全吸收外界入射的各种波长的电磁波而不发生反射 只有由内部热运动产生的热辐射 的物体称为绝对黑体 简称黑体 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 而与物体的材料 表面情况无关 这个小孔是 绝对黑体 一座正在建设中的建筑尽管室内已经粉刷 还未安装窗户 如果在白天从远处观察 窗口与室内的亮度和建筑外墙比较 你会发现什么 为什么 黑体与黑体辐射 黑体辐射将空腔加热 空腔内温度升高 从小孔中向外的辐射称为黑体辐射 黑体辐射情况只与温度有关 通过实验测量得到了在不同温度下 不同波长的电磁波辐射强度 黑体辐射研究的现实动力19世纪后半叶 欧洲的冶金工业迅速发展 技术人员渴望了解热辐射的规律 如果知道了辐射的规律 辐射的波长分布与辐射体的温度关系就可以通过观测钢水的辐射的电磁波的波长分布推知钢水的温度 这种需求推动了黑体辐射的研究 黑体与黑体辐射 实验室中的黑体 黑体与黑体辐射 实验结果 0123456 m 1700K 1500K 1300K 1100K 当黑体温度逐渐升高时 各种波长的辐射强度都有所增加 辐射强度的最大值向短波方向移动 经典物理学对实验结果的解释 经典理论对黑体辐射的描述黑体辐射是大量带电粒子的无规则热运动引起的 物体中每个分子 原子或离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率作无规则的微振动 每个带电微粒的振动都会产生变化的电磁场 从而向外辐射各种波长的电磁波 形成连续的电磁波谱 物理学家希望运用统计物理学和经典电磁学理论推导出一定温度的物体热辐射强度与波长的分布关系公式 经典物理学对实验结果的解释 紫外灾难1896年 德国物理学家维恩通过半理论半经验的方法 得到一个辐射能量分布公式 这个公式只在短波区 温度较低时和实验结果符合 而在长波区不符 1900年6月 瑞利推导出了另一个辐射能量分布公式 其中的一个错误因子后来被金斯修正 称为瑞利 金斯辐射定律 但是 这一公式却只有在长波区和实验结果符合 而在短波区不符 特别是当波长接近紫外时 能量为无限大 这显然是荒谬的 这一结果后来被称为 紫外灾难 瑞利和金斯是物理学界公认的治学严谨的人 理论值与实验值在短波区的北辙南辕 揭示了经典物理学面临的严重困难 经典物理学对实验结果的解释 普朗克的努力很快 德国物理学家普朗克将代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的实验结果结合在一起 运用内插方法得到 普朗克辐射定律 当 0 即在长波范围变为瑞利 金斯公式 当 即在短波范围与维恩定律一致 鲁本斯得知这一公式后 立即把自己的实验结果和理论曲线相比较 完全符合 于是两人于1900年10月19日向德国物理学会做了报告 注 高中阶段本公式不要求 内插法是根据有限函数数据拟合未知曲线方程的方法 0 m 1 2 3 4 5 6 7 8 理论曲线与实验曲线的差异 普朗克与能量子假说 经典理论的彻底失败普朗克经过几个月的努力 没有从热力学的普遍理论推出新的辐射定律 后来只好在新的假设下 用物理学家波尔兹曼的热力学几率理论进行尝试 从而导出普朗克辐射公式 这一大胆假设是 振动着的带点微粒的能量是不连续的 只能是某一个最小能量值的整倍数 这些带点微粒在辐射或吸收能量时也是以这个值为单位一份一份地辐射或吸收的 这个不可再分的最小能量值 叫做能量子 h 普朗克常量 6 63 10 34J s 电磁波频率 普朗克的矛盾 普朗克的能量子假说 对能量连续的观点形成了严重冲击 人们不接受他的能量子假说 就连普朗克本人也踌躇不前 对此 他的心情非常矛盾 一方面直觉告诉他这个发现不同寻常 另一方面他又总想回到经典理论的立场上去 他说 在将作用量子h引入理论时 应当尽可能保守从事 这就是说 除非业已表明绝对必要 否则不要改变现有理论 但一次一次的失败使他最终放弃了自己的倒退立场 为此他百感交集 为了使作用量子能以某种方式容入经典理论中 我花了几年的时间 一直到1915年 它们耗费了我大量的精力 现在我懂得了一件事实 基本作用量子在物理学中所起的作用远比我最初设想的要深刻得多 普朗克于1918年获诺贝尔奖 2 科学的转折 光的粒子性 光是什么 历史的轨迹 波动说惠更斯 微粒说牛顿 光是电磁波麦克斯韦赫兹 光的波动说 光的粒子说 对光的粒子说宣判死刑 光的波动说日臻完善 发现光电效应就在人们认为光的波动学说几近完美之时 一个新的物理现象 光电效应的发现使物理学家陷入新的困惑之中 1887年 赫兹在研究电磁波的实验中发现 接收电路的间隙如果受到光照 更容易产生电火花 这是最早发现的光电效应 动摇经典理论的新发现 光电效应 光电效应现象 照射到金属表面的光 使金属中的电子从表面逸出的现象称为光电效应 逸出的电子称为光电子 思考 验电器指针偏转说明什么 锌板表面带何种电性 对光电效应的实验研究 研究光电效应的实验电路 K A 光源 反向开关 变阻器 对光电效应的实验研究 实验1 a 打开光源光电管端电压为零 增大光电管端电压 思考 你能否谈谈对这一实验现象的看法 你能计算出单位时间到达阳极的光电子数吗 饱和光电流 对光电效应的实验研究 实验1 1 在电压为零 有光照时 电路中产生电流 说明逸出的光电子有初速度 或初动能 2 光电流随电压增大而增大 说明电场减少了光电子向四周的散射 使光电子到达阳极的个数增多 3 所有光电子都到达阳极时的电流称为饱和光电流 对光电效应的实验研究 实验1什么因素影响饱和光电流的大小呢 进一步实验表明 饱和光电流随入射光的增强而增大 也可以说 入射光越强 单位时间逸出的光电子数越多 对光电效应的实验研究 实验2将电源正负极互换 逐渐增大反向电压 反向电压 遏止电压Uc 使光电流减小为零时的反向电压称为遏止电压Uc 思考 你能否谈谈为何会存在遏止电压 根据测量出的遏止电压 你能否计算逸出光电子的最大初动能 对光电效应的实验研究 实验2 遏止电压是使逸出时有不同初速度的所有光电子刚好全部无法到达阳极时的电压 速度最大的光电子从逸出到刚好到达阳极的过程 由动能定理 我们可以通过测量遏止电压计算光电子的最大初动能 对光电效应的实验研究 实验2进一步实验表明 增大入射光强度遏止电压不会改变 但改变入射光频率时 遏止电压也随之改变 精确的测定结果显示 光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增大 与入射光强度无关 对光电效应的实验研究 实验3 实验发现 将入射光频率减小到某个值 c时 即使不加反向电压 无论入射光多强 也没有光电流 不再有光电子逸出 能发生光电效应的入射光最小频率 c称为截止频率 或极限频率 改变阴极金属材料 不同金属有不同的截止频率 滤色片 将入射光通过红色滤色片后照射光电管 光电效应消失 实验3入射光的频率低于金属的截止频率时 无论入射光多强 都不能发生光电效应 实验4精确测量表明 超过截止频率的入射光照射金属时不论光强多大 几乎立刻发生光电效应 这一时间间隔不超过10 9s 即光电效应几乎是瞬时的 对光电效应的实验研究 爱因斯坦敏锐的洞察力普朗克在提出能量子假说后犹豫徘徊 大多数物理学家对他的能量子假说不以为然的时候 爱因斯坦却最早明确地认识到量子概念的重要性 在光的波动说对光电效应不能做出令人满意的解释的时候 1905年爱因斯坦在德国权威杂志 物理学年鉴 上发表了一篇题为 论光的产生和转化的一个启发性观点 的论文 提出了著名的光量子假说 科学的转折 逸出功 金属的逸出功金属中原子外层的价电子 自由电子 会脱离原子而做无规则的热运动 但温度不高时 电子并不能大量逸出金属表面 这表明金属表层内存在一种力 阻碍电子的逃逸 电子从金属中挣脱出来 必须克服这种阻碍做功 使电子脱离某种金属所做功的最小值 叫做这种金属的逸出功 用W0表示 自由电子 吸收能量 理解最小值的含义 金属表面电子吸收能量刚好直接逸出 做功最少 逸出电子的初动能为零 经典理论解释光电效应遇到的困难 实验事实1饱和光电流随入射光的增强而增大 或者说入射光越强 单位时间逸出的光电子数越多 经典理论解释光电效应遇到的困难 实验事实2光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大 与入射光强度无关 经典理论解释光电效应遇到的困难 实验事实3入射光的频率低于金属的截止频率时 无论入射光多强 都不能发生光电效应 经典理论解释光电效应遇到的困难 实验事实4超过截止频率的入射光照射金属时不论光强多大 几乎立刻发生光电效应 光量子假说 爱因斯坦光电效应方程在光电效应现象中 逸出的光电子最大初动能等于电子吸收的光子能量与金属逸出功的差 爱因斯坦的光量子假说电磁波的能量是不连续的 是一份一份的 光是由一个一个不可分割的能量子组成的 每一个能量子称作光子 每个光子的能量为 经典图景与量子图景 光量子假说对光电效应的解释 实验事实4超过截止频率的入射光照射金属时不论光强多大 几乎立刻发生光电效应 注 研究表明 在当时的实验条件下 几乎只能发生单光子吸收 后续研究发现 在强光条件下还可能发生双光子或三光子吸收现象 在这里对后者不作讨论 光量子假说对光电效应的解释 实验事实3入射光的频率低于金属的截止频率时 无论入射光多强 都不能发生光电效应 注 光强I指光在单位时间垂直照射在单位面积上的总光能 I Nh N 单位时间垂直照射在单位面积上的光子数 光量子假说对光电效应的解释 实验事实2光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大 与入射光强度无关 几种金属的逸出功和截止频率 注 金属的逸出功和截止频率是由金属原子内部结构决定的 与入射光的频率无关 光量子假说对光电效应的解释 实验事实1饱和光电流随入射光的增强而增大 或者说入射光越强 单位时间逸出的光电子数越多 对光量子假说的检验 对光量子假说的实验验证美国物理学家密立根希望测量金属的遏止电压Uc与入射光频率 由此算出普朗克常量h 并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较 以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性 对光量子假说的检验 向真理屈服是科学的美德爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应 但当时并未被物理学家们广泛承认 因为它完全违背了光的波动理论 一直对光子假设持有保留态度的美国物理学家密立根 设计了高精确度的实验装置 经过十年的试验 终于验证了光电方程的直线性并测出h 6 56 10 34J s 在事实面前 密立根服从真理 宣布爱因斯坦假说得到证实 科学就是严峻的怀疑态度和对新思想的开放态度的混合 科学常常会发生这种情况 科学家说 那的确是个好论据 我错了 然后真的改变想法 扬弃旧观点 科学就是这样进步的 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地解释了光电效应的实验规律 荣获1921年诺贝尔物理学奖 密立根因测定基本电荷和研究光电效应荣获1923年诺贝尔物理学奖 思考白天的天空各处都是亮的 航天员在大气层外飞行时 尽管太阳的光线耀眼刺目 其他方向的天空却是黑的 甚至可以看见星星 这是为什么 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 光的散射 石墨对X射线的散射实验 实验装置 康普顿正在进行物质对X射线的散射实验 康普顿效应与经典理论的困境 康普顿效应1923年康普顿在做x射线通过物质散射的实验时 发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外 还有比入射线波长更长的射线 其波长的改变量与散射角有关 而与入射线波长和散射物质都无关 经典理论的困难按经典电磁理论 带电粒子受到入射电磁波的作用而发生受迫振动 振动着的微粒从入射光吸收能量 并向四周辐射 这就是散射光 散射光频率应该等于带电粒子受迫振动的频率 也就是入射光的频率 因而散射光的波长与入射光的波长相同 经典理论与实验事实矛盾 光子模型对康普顿效应的解释 光子模型对康普顿效应的解释康普顿认为 X射线的光子既具有能量也具有动量 光子与电子碰撞时遵守能量守恒定律和动量守恒定律 若光子和外层电子相碰撞 光子有一部分动量传给电子 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 光子与原子中束缚很紧的电子发生碰撞时 近似与整个原子发生弹性碰撞 能量不会显著减小 所以散射束中出现与入射光波长相同的射线 从这一设想出发 经计算得出的结果与实验现象符合得很好 康普顿因此获得1927年的诺贝尔物理学奖 光子的能量和动量 光子的动量 光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一面 前者表明光子具有能量 后者表明光子除了能量之外还有动量 3 崭新的一页 粒子的波动性 光的波粒二象性 光的波粒二象性 粒子性 波动性 粒子的波动性 德布罗意的物质波 整个世纪以来 在光学上 与波动方面的研究相比 对于实物粒子的研究 是否发生了相反的错误 是不是我们把粒子方面的图像想得太多 而忽略了波的现象 于是他大胆提出 实物粒子也具有波动性 德布罗意 波动力学的创始人 量子力学的奠基人之一 他原来学习历史 后来改学理论物理学 他善于用历史的观点 用对比的方法分析问题 1923年 德布罗意试图把粒子性和波动性统一起来 1924年 在博士论文 关 于量子理论的研究 中提出德布罗意波 同时提出用电子在晶体上作衍射实验的想法 爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义 誉之为 揭开一幅大幕的一角 1929年 德布罗意成为以学位论文获得诺贝尔物理学奖的人 物质波理论的实验验证 电子束衍射实验1927年 C J 戴维逊和G P 汤姆逊分别利用晶体做了电子束衍射实验 得到了电子的衍射图样 从而证实了电子的波动性 他们为此获得了1937年诺贝尔物理学奖 除了电子之外 后来还陆续证实了质子 中子以及原子 分子的波动性 4 概率波 经典的粒子和经典的波 经典粒子模型的基本特征占有一定空间大小 有一定质量 有的还具有电荷 经典粒子遵从牛顿经典力学规律 因此是具有确定的位置和速度以及确定的轨道的孤立对象 经典波动模型的基本特征经典的波是物质的各个部分相互作用 在空间弥散开来 传播运动和能量的形式 可叠加性以及体现时空周期性的波长和频率是它的基本特征 经典理论认为这是两种不相容的非此即彼的对立属性 概率波 思考光是否象经典波一样 是光子之间相互作用的结果呢 实验设法使相干光源非常弱 让光子一个一个地通过双缝 以排除光子之间相互作用的可能性 概率波 实验结果的意义 1 单个光子出现在哪一个位置上是不确定的 2 大量光子出现在某个位置上的概率有多大 是可以根据波动的规律确定的 这种确定的概率分布导致干涉条纹的形成 即确定的宏观结果 3 光波是一种概率波 4 与其他微观粒子相联系的物质波也是概率波 5 不确定性关系 不确定性关系 单缝衍射实验中光子的不确定性 1 单缝缝宽体现了光子位置的不确定性 x 2 衍射图像的中央条纹宽度体现了光子动量的不确定性 p 3 当减小单缝宽度 位置的不确定量 x减小 时 条纹宽度增大 在x方向的动量的不确定量 p增大 反之亦然 不确定性关系 不确定性关系在微观世界中 粒子的位置和动量是不能同时准确测量的 如果要更准确地测定物体的位置 即 x更小 那么动量的测量一定会更不准确 即 p更大 1927年 德国物理学家海森伯经科学计算分析 首次提出不确定性关系 在经典物理学中 可以用质点的位置和动量精确地描述它的运动 同时知道了加速度 甚至可以预言质点接下来任意时刻的位置和动量 从而描绘出轨迹 但在微观物理学中 不确定性告诉我们 如果要更准确地测量质点的位置 那么测得的动量就更不准确 也就是说 不可能同时准确地测得一个粒子的位置和动量 因而也就不能用轨迹来描述粒子的运动 经典物理学的世界是能够预知的 是因果性的 而在量子世界中 一切都是无法确定的 量子世界的图景 玻尔的名言 谁要是第一次听到量子理论时没有感到困惑 那他一定没听懂 量子力学的建立 量子力学是在普朗克的量子假说 爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论等旧量子论的基础上发展起来的 1925年 海森伯和玻恩 约尔丹一起建立起矩阵力学 1926年 薛定谔找到了微观体系的运动方程 波函数 从而建立起波动力学 其后不久狄拉克等人证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性 将两者融合为数学表达形式更加简洁 完善的量子力学 量子力学在低速 微观的现象范围内具有普遍适用的意义 它是现代物理学基础之一 被认为是一件科学的艺术品 它的预言与实验惊人的一致 而它的成功遍及现代社会的每一个角落 在现代科学技术中的表面物理 半导体物理 凝聚态物理 粒子物理 低温超导物理 量子化学以及分子生物学等学科的发展中 都有重要的理论意义 量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃 6 量子力学引发的争论 双缝实验中的困惑 当电子一个一个通过单缝后 在屏上显示衍射条纹 当电子一个一个通过双缝后 在屏上显示干涉条纹 困惑每个电子是如何通过双缝的 是从其中一个缝通过的 还是从两个缝通过的 如果是前者 电子怎会按照干涉图样的概率分布打到屏上 如果是后者 又该如何理解呢 电子说 我知道你放置的是双缝 1927年第五届 索尔维会议合影 在这次会议上 以爱因斯坦 薛定谔 德布罗意等为代表的一派与以波尔 玻恩 海森伯等人为代表的哥本哈根学派在量子力学完备性问题上展开了激烈的辩论 虽然会议最终以后者的胜利而结束 但这一争论并未就此终结 直到今天 注 了解本次会议的详细情况请搜索词条 薛定谔的猫schr dinger scat 对于斯蒂芬 霍金来说 作为牛顿在剑桥卢卡逊教席的继承人 爱因斯坦之后的物理学界盟主 如果物理学上还有什么事件让他烦恼的话 那是薛定谔的猫 谁敢跟我提起薛定谔那只该死的猫 我就去拿枪 量子理论认为 没有测量之前 一个粒子的状态模糊不清 处于各种可能性的混合叠加 比如一个放射性原子 它何时衰变是完全概率性的 只要没有观察 它便处于衰变 不衰变的叠加状态中 只有确实地测量了 它才会随机的选择一种状态而出现 薛定谔的猫schr ding