高中物理新课标版人教版选修3-5精品课件：17.0《波粒二象性》ppt课件

第十七章波粒二象性,1,17.1能量量子化：物理学的新纪元,2,17世纪明确形成了两大对立学说,牛顿,惠更斯,微粒说,波动说,19世纪初证明了波动说的正确性,由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得微粒说一直占上风,19世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在20世纪初提出了光子说：光具有粒子性,对光学的研究,从很早就开始了,3,能量量子化；物理学的新纪元,1、黑体与黑体辐射,热辐射,固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。,固体在温度升高时颜色的变化,4,能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体,不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。,黑体模型,研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。,2.黑体辐射实验规律,5,实验装置,T,平行光管,三棱镜,T,6,0123456,(m),1700K,1500K,1300K,1100K,实验结果,7,8,3.能量子超越牛顿的发现,=h,辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应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。,能量,量子,经典,h=6.626*10-34J.s,9,(m),1235689,4,7,普朗克,实验值,10,17.2科学的转折：光的粒子性,11,第1课时光电效应光子,12,问题1：回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程？,13,用弧光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，则验电器的指针张角会变大。,一、光电效应现象,表明锌板在射线照射下失去电子而带正电,14,定义：,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,15,1.什么是光电效应,当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。,16,石英窗,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。,2.光电效应的实验规律,1.光电效应实验,17,将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。,当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值Uc时，光电流恰为0。Uc称遏止电压。,遏止电压,18,I,Uc,O,U,光强较弱,光电效应伏安特性曲线,光电效应实验装置,遏止电压,一、光电效应的实验规律,19,I,I,s,U,a,O,U,光强较强,光强较弱,光电效应伏安特性曲线,光电效应实验装置,遏止电压,饱和电流,一、光电效应的实验规律,20,2.光电效应实验规律,.光电流与光强的关系,饱和光电流强度与入射光强度成正比。,.截止频率c-极限频率,对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率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。,光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间10-9s。,21,经典理论无法解释光电效应的实验结果。,经典认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。,22,光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。,光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。,为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。,23,3.爱因斯坦的光量子假设,1.内容,光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为的光是由大量能量为=h光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。,在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子逸出后的动能Ek。由能量守恒可得出：,2.爱因斯坦光电效应方程,24,3.从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系4.从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极极限频率：,爱因斯坦对光电效应的解释：1.光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。2.电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。,25,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。,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。,26,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,。,27,可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。,4.光电效应在近代技术中的应用,1.光控继电器,可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。,2.光电倍增管,28,应用,光电管,光,电源,电流计,I,A,K,29,第2课时康普顿效应,30,1.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,2.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。,31,一.康普顿散射的实验装置与规律：,晶体,光阑,探测器,0,散射波长,32,康普顿正在测晶体对X射线的散射,按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！,33,康普顿散射曲线的特点：,1.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长。,2.新波长随散射角的增大而增大。,散射中出现0的现象，称为康普顿散射。,波长的偏移为,34,光子理论对康普顿效应的解释,康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的,子能量几乎不变，波长不变。,小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光,光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远,2.若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，,是散射光的波长大于入射光的波长。,部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于,1.若光子和外层电子相碰撞，光子有一,结果，具体解释如下：,35,3.因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度,有关，所以波长改变和散射角有关。,光子理论对康普顿效应的解释,36,三.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。,康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。,康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。,37,康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖,(1892-1962)美国物理学家,1927,38,19251926年，吴有训用银的X射线(0=5.62nm)为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质，,四、吴有训对研究康普顿效应的贡献,1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.,对证实康普顿效应作出了重要贡献。,在同一散射角()测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验。,39,光子的能量和动量,40,动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的,41,17.3崭新的一页：粒子的波动性,42,德布罗意波波粒二象性,43,一、德布罗意的物质波,德布罗意(duedeBroglie,1892-1960),德布罗意原来学习历史，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”。,法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。,44,能量为E、动量为p的粒子与频率为v、波长为的波相联系，并遵从以下关系：,E=mc2=hv,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。,45,一切实物粒子都有波动性后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布洛意关系。一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？质量m=0.01kg，速度v=300m/s的子弹的德布洛意波长为计算结果表明，子弹的波长小到实验难以测量的程度。所以，宏观物体只表现出粒子性。,46,由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长=。,【例1】试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。,解：估计一个中学生的质量m50kg，百米跑时速度v7m/s，则,由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。,47,例题2(1)电子动能Ek=100eV；(2)子弹动量p=6.63106kg.m.s-1,求德布罗意波长。,解(1)因电子动能较小，速度较小，可用非相对论公式求解。,=1.23,(2)子弹:,h=6.6310-34,=1.010-40m,可见，只有微观粒子的波动性较显著；而宏观粒子(如子弹)的波动性根本测不出来。,48,一个质量为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,49,50,L.V.德布罗意电子波动性的理论研究,1929诺贝尔物理学奖,51,C.J.戴维孙通过实验发现晶体对电子的衍射作用,1937诺贝尔物理学奖,52,53,54,55,X射线经晶体的衍射图,电子射线经晶体的衍射图,56,57,电子显微镜,58,59,17.4概率波,60,17.5不确定的关系,61,玻恩(M.Born.1882-1970)德国物理学家。1926年提出波函数的统计意义。为此与博波(W.W.GBothe.1891-1957)共享1954年诺贝尔物理学奖。,玻恩,M.Born.,62,一、德布罗意波的统计解释,1926年，德国物理学玻恩(Born,1882-1972)提出了概率波，认为个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性，但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律。,63,二.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。,64,不确定度关系（uncertaintyrelatoin),65,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:,66,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,67,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,微观粒子和宏观物体的特性对比,68,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。,69,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