第十七章 波粒二象性知识总结

第十七章波粒二象性17.1能量量子化光电子的能量只与入射光的频率有关，与光的强度无光。第十七章波粒二象性17.1能量量子化光电子的能量只与入射光的频率有关，与光的强度无光。一、黑体与黑体辐射热辐射定义:周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体温度有关，所以叫热辐射.特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度不同而有所不同.黑体定义：某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体.黑体辐射特点：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.想一想在火炉旁边有什么感觉？投入炉中的铁块颜色怎样变化？说明了什么问题？答案在火炉旁会感到热，这是由于火炉不断地向外辐射能量.投入炉中的铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色，这表明同一物体热辐射的强度与温度有关.二、黑体辐射的实验规律随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增_加.随着温度的升高，辐射强度的极大值向着波长较短的方向移动.现实生活中不存在理想的黑体，实际的物体都能辐射红外线(电磁波)，也都能吸收和反射红外线(电磁波)，绝对黑体不存在，是理想化的模型.三、能量子定义：普朗克认为，带电微粒辐射或吸收能量时，只能是辐射或吸收某个最小能量值的整数倍，这个不可再分的最小能量值叫做能量子.注意：带电微粒的辐射和吸收能量时是以最小能量值——能量子8的整数倍一份一份地辐射或吸收的，是不连续的大小：e=tv，其中v是电磁波的频率，h是普朗克常量，数值ch=6.626X10-34J•s(一般h取6.63X10-34J•s).其中v=万人在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化.17.2光的粒子性一、光电效应(光电效应证明了光的粒子性)光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象.光电子：光电效应中发射出来的电子.(1)光电效应的实质：光现象转化为电现象.光电效应中的光包括不可见光和可见光.光电子：光电效应中发射出来的光电子，其本质还是电子.光电效应的实验规律(参看课本31页)(1)存在着饱和光电流:在光照条件不变的情况下，增大电压，光电流趋于一个饱和值.，电压再增大，电流也不会增大了。即光照一定，单位时间从阴极发射的光电子数目一定.在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大.表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。如图所示。1IJ间内发射的光电子数越多。如图所示。1IJ1/强弱rltfit光光光。(2)截止频率vc：当入射光频率v>vc时，电子才能逸出金属表面。任何一种金属都有一个截止频率匕，入射光的频率必须大于v,，才能产生光电效应，与入射光的强度及照射时间无关.存在着遏止电压Uc：使光电流减小到0的反向电压称为遏止电压。遏止电压的存在说明光电子具有初速度。初速度的最大值设为Vc。则满足：由图知：对于一定颜色的光，无论光的强弱如何，遏止电压都一样。光的颜色(频率)改变时，遏止电压也会改变。光电效应具有瞬时性:只要入射光的频率大于截止频率，无论入射光怎么微弱，在光照射到金属时立即产生光电流。光电效应中产生电流的时间不超过10-9s.二、 爱因斯坦的光电效应方程光子说：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为v的光的能量子为hv.爱因斯坦光电效应方程的表达式：hv=Ek+W0或Ek=hv-W0.hv是入射光子的能量，逸出功W0电子脱离某种金属做功的最小值，也是光子飞出金属表面消耗的能量，Ek是光子的最大初动能，因此爱因斯坦光电效应方程符合能量的转化与守恒定律.爱因斯坦光电效应方程表明若发生光电效应，则光电子的最大初动能TOC\o"1-5"\h\z必须大于零，即Ek=hv-W>0，亦即hv>W0， '£；瑚v>令=vc，而vc=W恰好是光电效应的截 /止频率. O/ve vEkmV图像：Ek=hv-W0 _w/如图所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率v的变化曲线.这里，横轴上的截距是截止频率或极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量.三、 康普顿效应康普顿效应(揭示了光的粒子性)美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长扁相同的成分外，还有波长大于"的成分，这个现象称为康普顿效应.康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子除了具有能量之外还具有动量，深刻揭示了光的粒子性的一面.光子的动量表达式：p=餐.17.3粒子的波动性一、光的波粒二象性光的波粒二象性(1)光既具有波动性又具有粒子性，即光具有波粒二象性.'一，一一一，一h-⑵光子的能量s=hv和动量p=q.两式左侧的物理量s和p描述光的粒子性，右侧的物理量V和A描述光的波动性，普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁.对光的波粒二象性的理解实验基础表现说明光的波动性干涉和衍射大量光子产生的效果显示出波动性足够能量的光在传播时，表现出波的性质光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的光的波动性不同于宏观概念的波光的粒子性光电效应、康普顿效应当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质少量或个别光子容易显示出光的粒子性粒子的含义是“不连续”、“一份一份”的光子不同于宏观概念的粒子说明对于不同频率的光，频率越高，光的粒子性越强；频率越低，光的波动性越强二、粒子的波动性物质波：每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫做物质波.任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小的缘故.物质波的波长、频率关系式波长：4=g，频率：v=h.p德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，使之包括了所有的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波.3.物质波的实验验证(1)1927年戴维孙和G.P.汤姆孙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，证实了电子的波动性.£一h、*子，德布罗意给出的v=h和4=p关系同样正确.17.4概率波经典粒子和经典波经典粒子：①粒子有一定的空间大小，有一定的质量，遵循牛顿运动定律.②运动的基本特征：在任意时刻有确定的位置和速度，在空间中有确定的轨道.经典波：经典波的基本特征是：具有确定的频率和波长，即具有时空的周期性.概率波：光波是一种概率波光子既具有粒子性，又具有波动性.光子在和其他物质作用的过程中(如光电效应和康普顿效应)显示出粒子性，光在传播过程中显示出波动性.在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的大小(概率)由波动性起主导作用，因此光波为概率波.大量光子产生的效果表现出波动性，个别光子产生的效果表现出粒子性；对于不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征明显；而频率高、波长短的光，粒子性特征明显.对于电子、实物粒子等其他微观粒子，同样具有波粒二象性，单个粒子的位置是不确定的，但在某点出现的概率的大小可以由波动规律确定，而且对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果，所以物质波也是概率波.17.5不确定性关系1.定义：在经典物理学中，一个质点的位置和动量是可以同时测定的，在微观物理学中，要同时测出微观粒子的位置和动量是不太可能的，这种关系叫不确定性关系.2.表达式：EpN%.其中以Ax表示粒子位置的不确定量，以△p表示粒子在x方向上的动量的不确定量，h是普朗克常量.对不确定性关系的理解单缝衍射现象中，粒子在挡板左侧的位置是完全不确定的，即通过挡板前粒子的位置具有不确定性.单缝衍射现象中，粒子通过狭缝后，在垂直原来运动方向的动量是不确定的，即通过挡板后粒子的动量具有不确定性.微观粒子运动的位置不确定量A