第二十五章 波粒二象性

1、陈 丽 娟 理学院 电话Email: ,第二十五章 波粒二象性,本章教学要求： 了解热辐射和黑体辐射的基本概念。理解光电效应 和康普顿效应的实验规律以及爱因斯坦的光子理论 对这两个效应的解释，理解光的波粒二象性。 了解德布罗意的物质波假设及其正确的实验证实。 了解实物粒子的波粒二象性。 理解描述物质波动性的物理量（波长、频率） 和粒子性的物理量（动量、能量）间的关系。,本章重点： 电磁波的粒子假设，德布罗意的物质波假设，光与 实物粒子的波粒二象性。描述物质波动性的物理量 （波长、频率）和粒子性的物理量（动量、能量） 间的关系。 本章难点：波粒二象性概念的建立,1 光的

2、粒子性,一. 普朗克能量子假设,1、热辐射的基本概念,定义,分子的热运动使物体辐射电磁波,例如：加热铁块,基本性质,温度发射的能量电磁波,平衡热辐射,物体辐射的能量等于在同,的短波成分,一时间内所吸收的能量,因辐射与温度有关，故称 热辐射,处于平衡热辐射时物体的温度保持恒定,单位时间内从物体单位表面发出的波长在,2、黑体和黑体辐射的实验规律,1） 黑体,能完全吸收各种波长电磁波而无反射的,物体M 最大且只与温度有关而和材料,附近单位波长间隔内的电磁波的能量。,及表面状态无关,例如：一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成 理想的黑体。,如远处不点灯的 建筑物的窗口,2) 黑体辐射现象的实验规律

3、,(1) 斯特藩-玻耳兹曼定律,M(T)=T 4, = 5.6710-8 W/m2K4,(2) 维恩位移定律,m = b/T,b = 2.89775610-3 mK,3、经典物理学的困难,维恩公式：,瑞利金斯公式：,紫外灾难！,4、 普朗克能量子理论,1)普朗克公式,在全波段与实验结果惊人符合,2) 普朗克能量子假设,(1)（谐振子）能量状态是量子化的。,(2) 不同型式的辐射，每一小份能量是不同的。,能量的最小单元 称为“能量子”,1918年获诺贝尔奖,(3) 普朗克能量子假设的意义,二. 爱因斯坦光子假设,1. 光电效应的实验规律,1)光电效应,光电子,光电效应,2)实验装置,3) 实验规

4、律,遏止电压, 0 称为截止频率或红限频率,产生光电效应,表25-1 几种金属的红限频率,驰豫时间不超过10-9s,2. 经典物理学所遇到的困难,按照光的经典电磁理论：,光波的能量分布在波面上，阴极电子积,光波的强度与频率无关，电子吸收的能,量也与频率无关，更不存在截止频率！,累能量克服逸出功需要一段时间，光电,效应不可能瞬时发生！,3. 爱因斯坦光子理论 (1905), = h,（1） 爱因斯坦光子假设,（2）爱因斯坦光电效应方程,（3）光子理论对光电效应现象的圆满解释,（4）爱因斯坦光子假设的意义,密立根实验验证 （1923年获诺贝尔奖）,R,参考答案,课堂练习,实验装置,X光,石墨,0.

5、71,X射线源,三. 康普顿光子动量假说 (1923),1、康普顿散射现象的实验规律,2、 康普顿光子动量假设,光子能量,光子动量,电子能量,电子动量,康普顿散射公式,完全弹性碰撞,康普顿波长,2. 证明了光子理论的正确性。,3. 微观领域也遵守动量守恒和能量守恒定律 。,康普顿荣获1927年诺贝尔物理学奖,课堂练习,解,四. 光的波粒二象性,波动性-它能在空间表现出干涉、衍射等波动现象， 具有一定的波长、频率。,粒子性-是指它具有集中的不可分割的性质。,2 电子的波动性,一. 德布罗意物质波假说,实物粒子具有波动性。并且,与粒子相联系的波称为概率波,或德布罗意波,例：自由电子的动能为54eV

6、,三. 德布罗意物质波的实验验证,1、 戴维逊-革末实验,2、电子通过金多晶薄膜的衍射实验,（汤姆逊1927）,3、电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验,（约恩逊1961),(1) 粒子性,“原子性”或“整体性”,不是经典的粒子,抛弃了“轨道”概念,(2) 波动性,“弥散性”“可叠加性”“干涉”“衍射”“偏振”,具有频率和波矢,不是经典的波 不代表实在的物理量的波动,3 海森伯不确定关系,一. 位置和动量的不确定关系,x,推广到三维空间，在直角坐标系还有,无法消除！,二. 能量与时间的不确定性关系,能级自然宽度和寿命,设体系处于某能量状态的寿命为,则该状态能量的不确定程度DE（能级自然宽度),例： H原子的线度的数量级为10-10m，H原中电子 的速度为V=106m/s，求其速度的不确定量。,+,M,解：,不确定量已达106m/s数量级，已不能用经典 物理中的速度来描述。,例： 一质量为0.4kg的足球，以10m/s的速度飞来 ，如动量的不确定量为 10%，求其位置的不 确定量。,解：,足球运动员完全不必担心由于有波动性而一脚踢空。,在量子力学的