第二十二章波粒二象性.ppt

1、物体在任一温度下发射从红外线、 可见光到紫外线的现象。,因辐射与温度有关，故称热辐射,1、热辐射,一、基本概念,2、黑体,定义：物体的吸收率,3、辐射出射度（辐出度）,定义：在单位时间内从物体单位表面上所辐射出去的各 种波长电磁能量的总和称为该物体的辐射出射度 （简称辐出度）。,吸收多的物体辐射也多， 好的吸收体也是好的辐射体,这说明，只要知道黑体的单色 辐出度，就可以了解各种物体 的单色辐出度。,4、基尔霍夫定律,1860年，基尔霍夫指出：物体单色辐出度与吸收率的 比值与物体的性质无关，是温度T和波长 的普适函 数,实际物体单色辐出度与黑体单色辐出度之比为发射率：,黑体 ，黑体的单色辐出度为

2、,二、黑体辐射实验规律,1、黑体辐出度 的实验规律,1879年，斯特藩实验指出：,2、黑体单色辐出度 的实验规律,曲线最大值对应的波长称为峰值波长,3、维恩位移定律（1839年）（理论推导）,随温度升高向短波方向移动,地球上常温物体,太阳表面,只有T800K以上的物体，可见光部分才有可能观察 能量。,三、普朗克黑体辐射公式,1、经典物理学公式,1896年，维恩根据统计物理学导出黑体辐射理论公式,短波部分与实验相符，但 长波部分与实验偏离。,1900年，瑞利根据电动力学与统计物理学能量按自由度 均分原理，得出：,短波部分与实验偏离。 长波部分与实验结果相符。,2、普朗克黑体辐射公式,1900年，

3、普朗克综合维恩公式与瑞利公式“凑出”经验 公式,（1）由普朗克公式，得出斯特藩定律,（2）由普朗克公式，得出维恩位移公式,（3）长波段 普朗克公式过渡到瑞利金斯公式,（4）短波段,普朗克公式过渡到维恩公式,4、伟大意义 1905年 爱因斯坦的光子假说 1913年 玻尔氢原子理论（旧量子论） 1924年 德布罗意物质波假设 1927年 海森伯、薛定谔的量子力学 1931年 狄拉克的相对论量子力学,（但经典理论认为谐振子的能量是连续分布的）,可推导出黑体单色辐出度公式,3、普朗克量子假说,1900年普朗克指出：假设对于一定频率 的带电谐振 子具有能量 是 的整数倍，即,一、光电效应,1、光电效应现

4、象,2、光电效应的实验规律,3、光电效应方程,1905年，爱因斯坦提出了光子理论： 光在空间传播时以能量子的形式一份一份传播。,一束光则是以光速c运动的粒子流，称为光子。,（1）在单位时间内，受光照射的金属表面释出的光电子 数与入射光强度成正比。 （2）光电子的初动能随入射光的频率 线形增加，而 与入射光强度无关。 （3）每种金属都有一个截止频率（称为红限频率），当 入射光的频率低于红限频率时，不可能产生光电效应。 （4）光电效应是瞬时发生的。,光电效应的实质解释为光子与电子的碰撞作用。电子吸收 了一个光子的能量 ，一部分消耗于逸出金属表面是所 需的逸出功 ；另一部分则是光电子的初动能 。,由

5、光子理论（光子假设和光电效应方程）对光电效应现象 的解释：,（1）由方程看出光电子初动能与入射光频率的线性关系 解释了第二条。,（2）按光子假说，一定频率的光，强度愈大，其光子数目 愈多。因此，照到金属上，释出的光电子数目愈多，饱和 光电流愈大。解释了第一条。,（3）按光子理论，光照射金属时，一个光子的全部能量一 次由一个电子吸收，无需积累时间，因而解释了瞬时性 （第四条）。,（4）关于红限频率的解释，,二、康普顿效应（散射）,1、康普顿效应现象及实验规律,早在1904年伊夫（AS . Eve)发现射线 被物质散射后波长变长的现象,康普顿 相继研究了射线及X射线的散射,他先 确定了伊夫的发现又

6、用自制的X射线分 光计,测定了X射线经石墨沿不同方向的 散射的定量关系,1923年发表论文作出了解释.,Compton实验是X射线散射的实验，按经典理论是X射线的电场迫使散射物中的电子作强迫振荡，而向周围辐射同频率的电磁波的过程。,Compton实验否定了这一说法。,1)实验装置,2)实验结果:,散射线中有与入射线相同的散 射线存在，也有波长0的散 射线存在（Compton散射）。,2、康普顿散射的理论解释（光子理论解释）,电子能量,能量守恒：,在垂直x方向,可改写为：,（2）（3）平方后相加 得，,（1）平方后减（4）得，,得，,即,电子的康普顿波长：,其物理意义：入射光子的能量与电子的静止

7、能量相等时 所对应的光子的波长。,康普顿散射公式表明，波长的改变量 仅与散射角 有关，与散射物质无关。 时 。 增大时， 也增大， 时 最大。,（2）光子除与原子中的自由电子发生碰撞外，还可能与束缚很紧的电子碰撞，这时光子将与整个原子间交换能量。由于原子的质量比光子大很多，根据碰撞理论知，碰撞前后光子能量几乎不变，因此散射光的频率基本保持不变。,（3）轻原子中的电子受原子核的束缚较弱，可看作自由电子，同时康普顿效应较强，峰值较高。重原子中的电子，除外层电子束缚较弱外，内层电子束缚紧，因而康普顿效应较弱。,三、光的波粒二象性,1、光的波动性：衍射、散射、干涉等。,2、光的粒子性：光电效应、康普敦

8、效应等。,光子的能量 光子的动量 光子的质量 光子的静止质量,一、德布罗意假设,1、,1924年，De Broglie在他的博士论文“量子论研究”中，大胆地提出了如下假设：,2、德布罗意公式,德布罗意公式,如用静止质量表示，,所以,二、德布罗意假设的实验验证,1923年Clnton Davisson发表了慢电子从铂片反射的角分布 实验情况，他发现弹性反射电子束强度在某些角度出现了 极大值。玻恩（Born）认为是一种干涉现象，可能与德布 罗意波有关，这引起了戴维逊和革末（Lester Germer）继 续对慢电子在镍单晶表面散射进行研究。,1）戴维逊-革末实验与汤姆逊实验,实验装置：,a=0.2

9、15nm,d=0.0908nm,电流出现了周期性变化,M,实验结果：,实验解释：,将电子看成波，其波长为德布罗意波长：,既然是波，电流出现最大值时正好满足布喇格 公式：,即：,实验装置：,显然将电 子看成微 粒无法解 释。,M,1927 年汤姆逊（GPThomson）以600伏慢电子 （=0.5）射向铝箔，也得到了像X射线衍射一 样的衍射，再次发现了电子的波动性。,1937年戴维逊与GP汤姆逊共获当年诺贝尔奖,（GPThomson为电子发现人JJThmson的儿子）,尔后又发现了质子、中子的衍射,2）电子双缝实验,1961年琼森（Claus Jnsson）将一束电子加速 到50Kev，让其通过

10、一缝宽为a=0.510-6m，间 隔为d=2.010-6m的双缝,当电子撞击荧光屏时, 发现了类似于双缝衍射.,大量电子一次 行为,电子双缝实验-一个电子多次重复行为,3)量子围栏(Quantum Corral)中的驻波,1993年克罗米(MFCorrie)等人用扫描电子显微 镜技术,把铜(111)表面上的铁原子排列成半径为 7.13nm的圆环性量子围栏,并观测量到了围栏内 的同心圆柱状驻波,直接证实了物质波的存在.,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,注意:物质波被广泛用作探索手段.例核反应产生 的中子(=0.1nm)可作为晶体探测器.,中子衍射显示的苯结构,1927年，海森伯提出了不确定关系。,以电子的单缝衍射为例导出不确定关系。,电子位置不确定量,仅考虑零级极大，电子被限制在第一级极小的衍射范围，,电子动量在x轴方向分量的不确定量,电子的德布罗意波长,即,如果