3 5波粒二象性 ppt课件

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 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 0123456 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 1 2 3 4 5 6 7 8 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 1235689 4 7 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1858 1947 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 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 c时 无论光强多大也无电子逸出金属表面 2 光子的最大初动能随入射光的频率增大而增大 遏止电压UC EKm 使光电流减小到零的反向电压 随着入射光的频率的增大而增大 与光强无关 3 光电效应产生的时间为10 9秒 几乎瞬时 4 饱和光电流与入射光的强度成正比 入射光越强 单位时间内发射的光电子数越多 三 光电效应解释中的疑难 经典理论只能解释第4条规律 四 爱因斯坦的光子说 1 内容 光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的 而且频率为 的光本身是由大量能量为h 的光 量 子组成的 这些光子沿光的传播方向以光速c运动 2 爱因斯坦光电效应方程 电子逸出金属表面所需做功的最小值 称为逸出功 为光电子的最大初动能 3 光子说对光电效应的解释 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 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 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 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 4 104m2 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 Broglie1923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n和波长l所描述的波动性 德布罗意关系 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 DeBroglie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 电子通过狭缝的瞬间 其位置在x方向上的不确定量为 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200m s 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200m 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 x 0 动量就愈不准确 px 微观粒子的动量测得愈准确 px 0 坐标就愈不准确 x 但