波粒二象性课件

波粒二象性(一)光的波粒二象性一、光電效應1、光電效應現象RK1K2EGV光電管KA2、光電效應的實驗規律3、光電效應方程1905年，愛因斯坦提出了光子理論：光在空間傳播時以能量子的形式一份一份傳播。一束光則是以光速c運動的粒子流，稱為光子。（1）在單位時間內，受光照射的金屬表面釋出的光電子數與入射光強度成正比。（2）光電子的初動能隨入射光的頻率線形增加，而與入射光強度無關。（3）每種金屬都有一個截止頻率（稱為紅限頻率），當入射光的頻率低於紅限頻率時，不可能產生光電效應。（4）光電效應是暫態發生的。頻率為的光子具有的能量：h為普朗克常量光電效應的實質解釋為光子與電子的碰撞作用。電子吸收了一個光子的能量，一部分消耗於逸出金屬表面是所需的逸出功；另一部分則是光電子的初動能。由能量守恆定律有：光電效應方程h

--金屬束縛電子---A由光子理論（光子假設和光電效應方程）對光電效應現象的解釋：（1）由方程看出光電子初動能與入射光頻率的線性關係解釋了第二條。（2）按光子假說，一定頻率的光，強度愈大，其光子數目愈多。因此，照到金屬上，釋出的光電子數目愈多，飽和光電流愈大。解釋了第一條。（3）按光子理論，光照射金屬時，一個光子的全部能量一次由一個電子吸收，無需積累時間，因而解釋了暫態性（第四條）。（4）關於紅限頻率的解釋，由可看出不逸出電子紅限頻率二、康普頓效應（散射）1、康普頓效應現象及實驗規律

早在1904年伊夫（AS.Eve)發現

射線被物質散射後波長變長的現象,康普頓相繼研究了

射線及X射線的散射,他先確定了伊夫的發現又用自製的X射線分光計,測定了X射線經石墨沿不同方向的散射的定量關係,1923年發表論文作出瞭解釋.Compton實驗是X射線散射的實驗，按經典理論是X射線的電場迫使散射物中的電子作強迫振盪，而向周圍輻射同頻率的電磁波的過程。Compton實驗否定了這一說法。1)實驗裝置2)實驗結果:X光光欄石墨0.71ÅX射線分析儀2341原始

=450

=900

=13500.700.75

(Å)強度

散射線中有與入射線相同的散射線存在，也有波長

>0的散射線存在（Compton散射）。2341原始

=450

=900

=13500.700.75

(Å)強度

原子量較小的物質散射較強。

也增加一定，

散射線波長的增量與散射角有關（增加，也一定，與散射物質無關）2、康普頓散射的理論解釋（光子理論解釋）eemV（1）碰前碰後光子能量電子能量電子動量與x軸成角光子動量沿x軸與x軸成角能量守恆：動量守恆：在x方向在垂直x方向可改寫為：（2）（3）平方後相加得，（1）平方後減（4）得，得，康普頓散射公式即電子的康普頓波長：其物理意義：入射光子的能量與電子的靜止能量相等時所對應的光子的波長。康普頓散射公式表明，波長的改變量僅與散射角有關，與散射物質無關。時。增大時，也增大，時最大。（2）光子除與原子中的自由電子發生碰撞外，還可能與束縛很緊的電子碰撞，這時光子將與整個原子間交換能量。由於原子的品質比光子大很多，根據碰撞理論知，碰撞前後光子能量幾乎不變，因此散射光的頻率基本保持不變。（3）輕原子中的電子受原子核的束縛較弱，可看作自由電子，同時康普頓效應較強，峰值較高。重原子中的電子，除外層電子束縛較弱外，內層電子束縛緊，因而康普頓效應較弱。三、光的波粒二象性1、光的波動性：衍射、散射、干涉等。2、光的粒子性：光電效應、康普敦效應等。光子的能量光子的動量光子的品質光子的靜止品質

(二)實物粒子的波動性一、德布羅意假設1、1924年，DeBroglie在他的博士論文“量子論研究”中，大膽地提出了如下假設：DeBroglie假設：一切實物粒子也具有波粒二象性。稱為物質波（或德布羅意波）是概率波。2、德布羅意公式德布羅意公式如用靜止品質表示，時動能動量所以二、德布羅意假設的實驗驗證1923年ClntonDavisson發表了慢電子從鉑片反射的角分佈實驗情況，他發現彈性反射電子束強度在某些角度出現了極大值。玻恩（Born）認為是一種干涉現象，可能與德布羅意波有關，這引起了戴維遜和革末（LesterGermer）繼續對慢電子在鎳單晶表面散射進行研究。1）戴維遜--革末實驗與湯姆遜實驗實驗裝置：Ia=0.215nmd=0.0908nm電流出現了週期性變化UGNi單晶電流計MBK發射電子陰級加速電極Ni單晶da實驗結果：實驗解釋：將電子看成波，其波長為德布羅意波長：既然是波，電流出現最大值時正好滿足布喇格公式：即：實驗裝置：GNi單晶電流計UBK發射電子陰級加速電極顯然將電子看成微粒無法解釋。實驗表明電流最大值正好滿足M1927年湯姆遜（G·P·Thomson）以600伏慢電子（

=0.5Å）射向鋁箔，也得到了像X射線衍射一樣的衍射，再次發現了電子的波動性。1937年戴維遜與GP湯姆遜共獲當年諾貝爾獎（G·P·Thomson為電子發現人J·J·Thmson的兒子）爾後又發現了質子、中子的衍射2）電子雙縫實驗1961年瓊森（ClausJönsson）將一束電子加速到50Kev，讓其通過一縫寬為a=0.510-6m，間隔為d=2.010-6m的雙縫,當電子撞擊螢光屏時,發現了類似於雙縫衍射的衍射圖樣.大量電子一次行為電子雙縫實驗--一個電子多次重複行為3*)量子圍欄(QuantumCorral)中的駐波(這裏講有點早!)1993年克羅米(M·F·Corrie)等人用掃描電子顯微鏡技術,把銅(111)表面上的鐵原子排列成半徑為7.13nm的圓環性量子圍欄,並觀測量到了圍欄內的同心圓柱狀駐波,直接證實了物質波的存在.++++++++++++++++探針注意:物質波被廣泛用作探索手段.例核反應產生的中子(=0.1nm)可作為晶體探測器.中子衍射顯示的苯結構

(三)不確定關係1927年，海森伯提出了不確定關係。以電子的單縫衍射為例導出不確定關係。XYId電子位置不確定量僅考慮零級極大，電子被限制在第一級極小的衍射範圍，電子動量在x軸方向分量的不確定量電子的德布羅意波長即如果也考慮其他級次極大，有嚴格推導有：其中推廣到其他座標：對三維直角坐標系有：{海森伯不確定關係表述為：某一時刻粒子在某一方向上位置的不確定量與同一時刻在同一方向上的動量的不確定量的乘積大於或等於（2）這種不確定性，完全是由微觀粒子的波粒二象性決定的。反映了微觀粒子運動的基本規律。說明：（1）則