第12章-1-波粒二象性new

1、高等院校物理、量子物理、QUANTUM PHYSICS，如前所述，量子概念是1900年平板支撑首先提出的，经过爱因斯坦、德布罗伊、薛定谔等努力，于20世纪30年代创立了量子力学。 这是关于微观世界的理论，在和相对论一起的19世纪末，古典物理(力、电、光、热力学和统一物理)已经相当成熟，对物理现象本质的认识似乎已经完成。 然而，在欢乐的气氛中，当研究触角进入“微粒”尺度时，一系列实验发现(如黑体辐射、光电效应、康普顿散射、氢原子光谱等实验)不能用经典物理学解释。 这迫使我们脱离传统物理学框架，寻找新的解决办法，从而导致量子理论的产生。 第12章量子物理基础，12.1平板支撑能子假设12.2光的粒

2、子性12.3氢原子光谱12.4粒子的波动性和波函数12.5不确定关系12.6雪定谔方程式12.7一维度势场粒子12.8原子中的电子*12.9激光，12.1平板支撑能子假设12.1.1其放射能的、12.1.1黑体辐射，燃烧的煤发射红色，白光灯发射黄色，电焊发射蓝色的白光，一方面，基本概念，1 .热辐射(heat radiation )，定义：分子的热运动使物体发射电磁波，例如物体发射的能量，在相同时间内的短波成分，吸收光源，显然是波长和温度的函数，温度是t的物体，与单位时间内从物体的单位表面积放射出的各种波长的总放射能相等，用M(T )表示。 2 .单色辐射密度dM(T )、温度为t的物体、单位

3、时间内发射到单位表面积上的波长在d范围内的辐射能量dM(T )与波长间隔d成比例，dm() 3.辐射密度dM(T ) 4 .单色吸收比和单色反射比，单色吸收比a(T )，二，黑体和黑体辐射的基本规律，1 .黑体，在任意温度下，对任意波长的吸收比为1 (即，a(T ) ) 维恩修订的黑体模型：2 .基尔霍夫法则(1860年)，物理意义：的好吸收体也是好的放射体。 将温度不同的物体P1、P2、P3装入密闭的理想绝热容器中，如果容器内部为真空，物体与容器之间，物体之间只能通过辐射和吸收来交换能量。 如果每单位时间来自辐射体的能量比被吸收的能量多，则其温度下降，辐射变弱。 相反，放射体的温度上升，放射

4、也变强，当形成热平衡时，各物体每单位时间产生的能量正好等于吸收的能量。 因此，在热平衡时，单色的辐射度大的物体的吸收比也变大，而单色的辐射度小的物体的吸收比也变小。 3 .黑体辐射的实验研究，(1)实验装置(相对于可见光波段)，(3)维恩位移定律，m=b/T，(2)斯托芬波尔兹曼定律，=5.6710-8w。曲线下面积的物理意义是什么？ 得到黑体的辐射度：太阳的m=490nm、太阳表面温度T=5900K。 地面温度约为T=300K，m=10m (该波段为电磁波窗)，三，经典物理学面临的困难，4 .理论与实验的对比，(1)维恩公式： (Wiens formula )，(2)得到，(9)、黑体辐射、

5、维恩线、瑞利金线， 实验数据由古典热力学和马克斯莱特分布导出，由古典电学和能量的平均定理导出，具有放射物体带电的共振子(原子、分子的振动)的这些个与古典物理不同，是这些个的共振，即振子的能量是不连续的，即平板支撑能量量子化12.1.2平板支撑能量子假说和黑体辐射式，古典理论：谐振器的能量为“连续值”，1 .“谐振器”的概念(1900年在先)，2物体(谐振器)为电磁辐射3360，或=nh， m.Planck (1858-1947 ) nobelprizeinphysics 1918，经典理论：振子的能量取“连续值”的平板支撑将代表短波波段的维也纳公式与代表长波波段的瑞利金斯公式结合，并利用数学插

6、值法，快速找到经验方程平板支撑公式在所有波长范围内与实验曲线越虎躯一震越一致，该公式成功地揭示了他官方埋藏的重要科学原理。 3、从平板支撑式、平板支撑线、经典理论推导出的维也纳式和瑞利金斯式对黑体辐射的实验结果不能完全解释。 对讨论、玻尔的平板支撑量子理论的评价，12.2光的粒子性，12.2.1光电效应，12.2.2爱因斯坦光子假说和光电效应方程式，12.2.3康普顿效应，12.2，光电效应的实验装置图，12.2.1光电效应，2 .光电效应的实验规则，截止电压和入射光频率的函数U0 :对于不同的金属不同，对于同一金属是一定的，与材料无关的普通常数，即光电子逃逸时的最大初期动能进入的1916年密

7、立根实验证实了爱因斯坦理论。 (3)、光电效应的红色限制频率、红色限制频率、光照射到某一金属上时，无论光强度如何，只要入射光频率小于该金属的红色限制频率就不会产生光电效应。 (4)关于光电效应和时间的关系，若入射光的频率比被照射金属的红色限制频率大，则无论光的强度如何都立刻产生光电子，时间不超过10-9s。 光的经典电磁理论不能解释光电效应：1 )光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，不存在截止频率2 )光波的能量分布在波面，阴极电子积蓄能量使工作逃逸需要时间，光电效应不会瞬间发生，检测2、光子理论对光电效应的解释：光照射到金属表面，一个光子能立即被金属中的自由电子吸收。 当入射光

8、的频率高到一盏茶并且每一个光量子的能量h大于一盏茶时，电子可以释放功函数a，以释放金属表面。 爱因斯坦假说：12.2.2爱因斯坦光子假说和光电效应方程式，光不仅在放射和吸收时具有粒子性，而且在空间传播时也具有粒子性，即光束是以光速c运动的粒子的流动，这些个的粒子被称为光量子，简称为光子。 每光子的能量，爱因斯坦光电效应方程式：a :逸出功，限红频率：普朗特数：爱因斯坦曾因对光电效应的理论解释和理论物理学的贡献而获得1921年诺贝尔物理学奖，例12-1是将波长200nm的单色光照射到金属铝表面，取铝的(2)。(1)根据爱因斯坦的光电效应方程式，求出光电子的最大大运动能量，(2)截止波长，(3)截

9、止波长，例2 :钾元素的红限制波长，钾元素的逸功，在波长的紫外线照射下，钾元素的截止电位差是多少，解1 )，解2 )，解：以频率为横轴，截止关断电压(1)曲线和横轴的升交点为其金属的红限制频率，从图中读出的红限制频率，(2)从图中求出的直线的斜率为对比上式，精确值为，一、实验装置、二、康普顿效应(1923年)、2 .原子量小的：康普顿效应强原子量大的：康普顿效应弱。 在实验中，3360散射的x射线有与入射波长0相同的成分，也有波长大于0的散射线。 实验结果：1 .波长变化量(=0)与散射角有关，0和散射物质无关，经典理论：散射波频率=入射波频率很难，三、用光子理论说明康普顿效应，1 .光子与自

10、由电子或受原子约束的弱电子碰撞，光子：e，碰撞后：电子： 光子3360，根据/0c/0) 2)爱因斯坦提出的光子“不分裂”和没有不符点，电子和光子相互作用时是“两步过程”(即3360先吸后吸或先吸)，全过程是能量守恒和动量守恒定律， 相当于遵循Compton wavelength的光子与原子整体的碰撞，由于原子质量比光子质量大得多，碰撞后光子不显着失去能量，不变、不变、不变，3 )光电效应光子能量与电子的束缚能为同一数量级的光子与电子完全非弹性碰撞。 康普顿效应光子能远远大于电子束缚能的光子与电子完全弹性碰撞。 2 .光子与受原子约束的电子碰撞，=0，5个特征：1 .出现了向长波侧移动的新的散

11、射波长。 2 .新波长随散射角的增大而增大。 3 .散射角增大时，原波长的光谱强度降低，新波长的光谱强度上升。 (1)首次实验了爱因斯坦提倡的光子理论，“说明光子具有质量、能量、运动量的假设。 四、康普顿散射实验的意义，2 )支持光量子概念，证实了平板支撑假说=h。 3 )在微观单一撞击事件中，动量和能量守恒定律仍然成立. 在例如： X射线和静止电子作用的情况下，入射的x射线(0=0.7)和散射线(=0.72 )相互垂直。 1 )求出反向间隙电子动能2 )反向间隙电子的运动方向和射线方向所成的角。 e，解：1 )能量守恒规则：2 )动量守恒规则：1 .现代认为光具有波粒二象性，在宏命令系统中具

12、有：个波动性，在微观系统中具有：个粒子性，波动性和粒子性有两种描述：光，即I E2， 光强I与屏幕上的那个位置的每单位体积的光子数n成比例，也就是说，总共有： n E2，其一旦光子到达狭缝，光子就可能在各个方向上运动。 在画面上出现光子的概率有波动的特征，、光波是概率波，12.2.4光的波粒二象性，根据光子理论，一个光子能量是：相对论的质量能量关系：光子的质量：两者用普朗特数连接。2、应用基本关系式，光控制继电器，光电管，光电倍增管，光子的静止质量为零m0=0，粒子性，波动性，光电子倍增管，受到冲击而发射电子，照射光，例子13360一束光子的波长为610试验： (1)放射性射线光子波长的变化？ (2)被触摸的电子的反弹动能是多少？ (2)入射光子能量可以通过将解(1)散射角代入康普顿散射式(12 - 12 )来求出波长的变化量：散射光子能量对于被碰撞电子，从与能量守恒的入射方向成90角的方向看，散射波长是多少？ 反向间隙电子的动能和动量是多少？ 求出散射波长，=lc，=0.1 0.024，=0.124 ()，因此，散射波长为0.124和0.1，反向间隙电子的动能，=3.810 -15J，=。 他们把发射14.4 keV光子的放射源放在塔顶，在塔底测定了其发射光子的频率，结果频率比塔顶高。 已知利用重力场中的光子能量保留关系来校正塔高22.6m。 解：频率的光子具有质量，光