第-1-章-波粒二象性.ppt

1、当物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量，物体和辐射场达到热平衡，称为平衡热辐射。这时物体的温度固定。以下只讨论平衡热辐射。,辐出度（总辐射本领）M（T）,一、黑体辐射,单位时间内从物体单位表面发出的波长在 附近单位波长间隔内的电磁波的能量称为单色辐出度（单色辐射本领）M,SI单位 W/m3,黑体：能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体,一、黑体辐射,物体辐射的电磁波和吸收的电磁波相同（实验结果）,黑体能完全辐射各种波长的光，M 最大且只与温度有关而和材料及表面状态无关,利用黑体可撇开材料的具体性质来普遍地研究热辐射本身的规律,维恩设计的黑体 不透明材料空腔开一个面积远小于空腔内表面积的小

2、孔。小孔能完全吸收各种波长的入射电磁波而成为黑体。,斯特藩玻耳兹曼定律 M(T)=T 4 其中 = 5.6710-8 W/m2K4，称为斯特藩玻耳兹曼常量。,一、黑体辐射,维思位移定律,一、黑体辐射,m T = b,b = 2.89775610-3 mK,空腔壁产生的热辐射可想象成以壁为节点的许多驻波。,一、黑体辐射,由经典理论导出的 M(T) 公式都与实验结果不符合！,一、黑体辐射,普朗克假定（1900） 对频率为 的电磁辐射，物体只能以 h 为能量单位发射或吸收它。 h = 6.626075510-34 Js 是普朗克常数,普朗克公式,一、黑体辐射,AA. Penzias 和RWWilso

3、n（1964）在用射电望远镜探测中性氢原子谱时，发现了T = 3.1 K 的宇宙背景辐射, 这是宇宙大爆炸后留下的充满整个宇宙的电磁辐射。,一、黑体辐射,二、光电效应,金属及其化合物在电磁辐射下发射电子的现象称为光电效应，所发射的电子称为光电子。,K阴极，A阳极,二、光电效应,（1）饱和光电流强度 im 与入射光强 I 成正比。,二、光电效应,（2）截止电压 Uc,电子能从KA，说明电子具有动能；加反向电压，U =Uc 时，光电流 i 才为零，光电子具有最大初动能,二、光电效应,（2）截止电压 Uc,随入射光频率线性增加,与光的强度无关。,Uc= K - U0,K 是与金属种类有关的一个常量。

4、 则,二、光电效应,（3）只有当入射光频率 v大于一定的频率v0时，才会产生光电效应。,Uc= K - U0,称为截止频率或红限频率，相应的波长称为红限波长。,二、光电效应,（4）只要 0，无论光多微弱，从光照射阴极到光电子逸出的响应时间都不超过10-9s。,几种金属的红限频率,二、光电效应,按照光的经典电磁理论： （1）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！,（2）光波的能量分布在波面上，为克服逸出功（work function，电子逸出金属表面时克服阻力做的功），阴极电子吸收能量需要一定的时间积累，光电效应不可能瞬时发生！,（3）光电子初动能应该与入射光强度成

5、正比。,三、光的二象性 光子,表面上看起来连续的光波是量子化的。单色光由大量不连续的光子组成。若单色光频率为n，那么每个光子的能量为 Ehn,普朗克常数 h = 6.626075510-34 Js,光子具有“整体性”。一个光子只能“整个地”被电子吸收或放出。,三、光的二象性 光子,按照爱因斯坦光子理论：光照射到金属K极，实际上是单个光子能量为 hn 的光子束入射到K极，光子与 K 极内的电子发生碰撞。当电子一次性地吸收了一个光子后，便获得了hn 的能量而立刻从金属表面逸出，没有明显的时间滞后，这也正是光的“粒子性”表现。,（1）瞬时性,三、光的二象性 光子,光照射到金属表面，一个光子的能量可立

6、即被金属中的自由电子吸收。但只有当入射光的频率足够高，以致每个光量子的能量 h 足够大时，电子才有可能克服逸出功 A 逸出金属表面。,称为 光电效应方程,逸出电子的最大初动能为,三、光的二象性 光子,（2）存在截止频率0,有,由此式可以测量普朗克常数。,所以，当 A /h 时，电子的能量不足以克服逸出功而发生光电效应。,红限频率,比较,三、光的二象性 光子,几种金属的红限频率和逸出功,三、光的二象性 光子,（3）饱和光电流与入射光强成正比,当外来光频率和电压固定时，光强增大，意味着撞击金属表面的光子数增多。只要 v v0，被撞击出来的光电子数目就按比例增大，饱和光电流也就越来越大。,三、光的二

7、象性 光子,这里的粒子不是经典意义上的“单纯”粒子，波也不是经典意义上的“单纯”电磁波！而是光的本性在两个不同的则面的反映！光的这种本性称为波粒二象性。,三、光的二象性 光子,光子能量,E = h,因为,光子质量,由相对论质能关系， E = mc2,可得,所以，光子的静止质量为零。,三、光的二象性 光子,光子动量,由相对论能量-动量关系，,对光子，m0 = 0,所以，光子动量,或,例 P.14,四、康普顿散射,康普顿（A.H.Compton）1923年研究了X射线与石墨的散射。,四、康普顿散射,X 射线通过物质散射时，波长发生变化，散射后的波长有两个峰值，一个与原来波长相同，而另一个较长的与散

8、射角有关。,这种有波长改变的散射称为康普顿散射或康普顿效应。,四、康普顿散射,单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时，引起受迫振动，向各方向辐射同频率的电磁波。对于存在的散射光的波长变化经典理论不能作出合理解释！,四、康普顿散射,定性说明,光子与电子作弹性碰撞，光子传递一部分能量给电子，光子的能量减少，波长变长。,四、康普顿散射,定量计算,X 射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞。,碰撞过程中能量与动量守恒,四、康普顿散射,散射后的X光子波长偏移,称为康普顿散射公式，波长偏移只与散射角有关。,称为电子的康普顿波长,它与短波 X 射线的波长相当。,四、康普顿散射,讨论,康普顿散射进一步证

9、实了Einstein的光子理论，光确实具有波粒二象性。另外证明光电相互作用过程严格遵守能量、动量守恒定律。,散射后为什么还有原波长的峰值？ 当光子与束缚电子碰撞时，是与整个原子碰撞，失去能量较少，散射后频率几乎不变。这种波长不变的散射称为瑞利散射。,为什么选用 X 射线观察？,四、康普顿散射,例 P.20,五、粒子的波动性,1924年，德布罗意问道：“整个世纪以来，在光学上，比起波动的研究方法来，是过于忽视了粒子的研究方法，在物质理论上，是否发生了相反的错误呢；是不是我们把关于粒子的图象想得太多，而过份地忽视了波的图象? ”,光(波)具有粒子性,实物粒子具有波动性,五、粒子的波动性,德布罗意假

10、设,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,五、粒子的波动性,（a）装置简图,五、粒子的波动性,d 为晶面间距，则散射电子束极大的方向满足,对镍晶面,d = 2.1510-10 m,则,五、粒子的波动性,德布罗意电子波长,和实验结果符合得很好！,五、粒子的波动性,汤姆逊1927年电子通过金多晶薄膜的衍射实验,衍射图样,五、粒子的波动性,约恩逊1961年电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验,五、粒子的波动性,扫描电子显微镜,当探针针尖与物质表面排布原子的距离小到一定程度时，其隧道电流会发生明显变化。,五、粒子的波动性,纳米“皇冠”，量子“围栏”,五、粒子的波动性,几个纳米大小的汉字,例题 P.25,五、粒子的波动性,粒子性,“原子性”或“整体性”,不是经典的粒子,抛弃了“轨道”概念,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,六、概率波与概率幅,电子通过单缝和双缝的衍射结果不一样！,六、概率波与概率幅,电子通过双缝中的任意一个狭缝的概率,上式中的交叉项是两缝之间的干涉结果。,六、概率波与概率幅,波函数统计诠释涉及对世界本质的认识争论至今未息,哥本哈根学