第17章 波粒二象性

强弱如何,遏止电压是一 遏 Is 样的. 光的频率 ν改变 止 电 时，遏止电压也会改变。 压 光电子的能量只与入射 光的频率有关，与入射 U O bU a 光的强弱无关。
流
兰光 黄光（ 弱）
U
存在截止频率c
经研究后发现：当入射光的频率减小 到某一数值时，即使不施加反向电压也没 有光电流，这表明已经没有光电子了，这 一数值称为截止频率或极限频率。 对于每种金属，都相应确定的截止频率c 。 当入射光频率 > c 时，电子才能逸出金 属表面； 当入射光频率 < c时，无论光强多大也无 电子逸出金属表面。
• 遗憾的是，普朗克虽然发现了能量子，但他不 能理解这一发现的意义，对自己的发现长期惴 惴不安。在发现能量子之后的长达１４年时间， 他总想退回到经典物理学的立场。他曾在散步 时对儿子说：“我现在做的事情，要么毫无意 义，要么可能成为牛顿以后物理学上最大的发 现。” • 普朗克在做出量子假说时已年过四十。他受过 严格的经典物理学训练，对经典物理学十分熟 悉和热爱。他不愿意同经典物理学决裂，只是 迫于事实的压力，才不得不做出能量子的假说。 他的能量子理论是不彻底的，他的理论还是以 承认电磁波本身的连续性为基础的。他把自己 的量子假说仅仅局限于粒子对电磁波的吸收和 发射的特殊性上。
• １９０５年，爱因斯坦提出光量子假说， 成功地解释了光电效应；１９０６年，他 又将量子理论运用到固体比热问题，获得 成功；１９１２年，玻尔将量子理论引入 到原子结构理论中，克服了经典理论解释 原子稳定性的困难，建立了他的原子结构 模型，取得了原子物理学划时代的进展； １９２２年，康普顿通过实验最终使物理 学家们确认光量子图景的实在性，从而使 量子理论得到科学界的普遍承认。
h 6.626 10
34
J s
第二节 光的粒子性
光的干涉、衍射现象说明了光是电磁波， 光的偏振现象进一步说明光还是横波。19 世纪60年代，麦克斯韦又从理论上确定了 光的电磁波本质。然而，出人意料的是， 正当人们以为光的波动理论似乎非常完美 的时候，又发现了用波动说无法解释的新 现象---光电效应现象。对这一现象及其 他相关问题的研究，使得人们对光的又一 本质性认识得到了发展。
K
G
大，单位时间内发射的光 电子数越多。
(2)存在遏止电压和截止频率 存在遏止电压UC ：使光电流减小到零的反 向电压 U=0时，I≠0， 因为电子有初速度 U A K 加反向电压，如右图所示： 一 E 光电子所受电场力方向与光 一 v 一 电子速度方向相反，光电子 － 一 F 作减速运动。若 一 一 1 2 最大的 E me vc eU c 初动能 速率最大的是 2 v
这两朵乌云是指什么呢？
光的速度 黑体辐射实验 后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一场革 命的风暴，乌云落地化为一场春雨，浇灌着两朵鲜 花。
相对论问世
普朗克量子力学的诞生
这两朵乌云到底是什么回事呢？
高速领域 微观领域 经典力学 相对论 量子力学
第一节：
思考与讨论
1，在炉火旁边有什么感觉？ 2，投在炉中的铁块一开始是什么 颜色？过一会儿又是什么颜色？
E=nε （n=1,2,…）
*能量子的能量：ε=h （ 是辐射吸收的电 磁波的频率） h=6.62610-34 J· S ----普朗克常数
理论与实验符合的让人击掌叫绝
e0 ( , T )
实验值
普朗克 理论
1800K
1
2
3 4
5
67
8λ9 (μ m)
能量量子化：
• 宏观世界中：能量可以是任意值，可以连续变化。 例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。 • 微观世界中：微观粒子的能量只能是一个一个的 特定值，不能连续变化。（能量量子化），例如： 物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。 • 量子化：只能取一系列分立值，不能连续变化 • 你能举出生活中“量子化”例子吗？ • 普朗克的量子化理论改变了人们对世界的根本认 识。1900年不仅成为新世纪的开始，也成为物理 学的一个新纪元。18年后，普朗克为此获得了诺 贝尔物理学奖。
c
+ + + + + +
则I=0，式中UC为遏止电压
思考：对刚才的实验，加 1 2 了遏止电压后，如果再增 me vc = eU c 光电效应伏安特性曲线 2 大入射光的强度，电路中 饱 I 会有光电流吗？减弱光的 和 实验表明 :对于一定颜色 黄光（ 强） 强度，遏止电压会减小吗？ 电 ( 频率)的光, 无论光的
一、黑体及黑体辐射 理想的热辐射体是“绝对黑体”，简称 “黑体”。它在任何温度下都能全部吸收 入射的各种波长的电磁波而不发生反射。
在空腔壁上开一个 很小的孔，射入小孔 的电磁波在空腔中会 发生多次反射和吸收， 最终不能从空腔射出。 这个小孔就可以看成 一个绝对黑体。
德国物理学家基尔霍夫首先提出了绝对黑体的模型。
一、光电效应现象
用弧光灯照射擦得 很亮的锌板，(注意 用导线与不带电的 验电器相连），使 验电器张角增大到 约为 30度时，再用 与丝绸磨擦过的玻 璃棒去靠近锌板， 则验电器的指针张 角会变大。
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电
1.什么是光电效应
当光线照射在金属表面时，能使 金属中的电子从表面逸出的现象，称 为光电效应。逸出的电子称为光电子。 光电子定向移动形成的电流叫光电流
问题：如何研究物体的热辐射规律？
• 注意：除了热辐射外，物体表面还会吸 收和反射外界射来的电磁波。 • 例如：常温下我们看到的物体颜色就是 物体反射了该频率的电磁波，吸收了其 他频率的电磁波。一些物体看起来很黑， 其实是它吸收所有电磁波，反射的电磁 波很弱。 • 那么：在研究物体热辐射中，应如何避 免反射电磁波的影响？
(3)具有瞬时性
阴极
A
阳极
K
实验结果：即使入射光的 猜测：电子是怎样吸收 强度非常微弱，只要入射 入射光的能量的呢？ 光频率大于被照金属的极 思考：如果入射光的频率 限频率，电流表指针也几 超过截至频率，做两次实 乎是随着入射光照射就立 验，第一次用很弱的光照 即偏转。
G
V
射，第二次用很强的光照 更精确的研究推知，光电子 射，请问那一次光电子从 发射所经过的时间不超过10 －9 锌板跑出来的时间长些？ 秒（这个现象一般称作 “光电子的瞬时发射”）。
能量很小，宏观物体的能量不连续变化非常不明显， 可以忽略不计。）
• 3.在研究微观粒子时必需考虑能量量子化
意义：
普朗克抛弃了经典物理中的能量可连 续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任 意值的旧观点，提出了能量量子化、物体 辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续 的方式进行的新观点。这不仅成功地解决 了热辐射中的难题，而且开创物理学研究 新局面，标志着人类对自然规律的认识已 经从从宏观领域进入微观领域，为量子力 学的诞生奠定了基础。
固体在温度升高时颜色的变化： 800K
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热辐射现象：一切物体在任何温度下都在 辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关， 所以叫做热辐射。 辐射规律：
1.辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波， 不同波长，辐射强度不同。 2. 温度升高，辐射强度增大，同时辐射 电磁波的频率和波长也在变化。
三、能量子 超越牛顿的发现
微观世界的某 些规律，在我们 宏观世界看来可 能非常奇怪。
普朗克能量子理论
*微观粒子的能量只能是某一最小能量值 的整
ε
数倍， ，这个不 可再分的最小能量值ε叫能量子。n为正整数， 称为量子数。
* 带电微粒吸收和辐射能量时，也是以这个 最小能量值为单位一份一份地辐射和吸收的。
扩展阅读:变革的困难
• 1900年12月14日普朗克在德国物理学会上报 告了自己的研究结果，他的公式受到欢迎，但 他的能量子假说，却受到冷遇，当时没有人相 信他的假说。 • 能量的变化竟然是不连续的，这与物理学界几 百年来信奉的“自然界无跳跃”的原则直接矛 盾，因此量子论出现之后，许多物理学家不予 接受,物理学界最初的反应是极其冷淡的。人 们只承认普朗克那个同实验一致的经验性的辐 射公式，而不承认他的理论性的量子假说。
说明：
①黑体是个理想化的模型。例：开孔的空 腔，远处的窗口等可近似看作黑体。 ②实验表明：对于一般材料的物体，辐射 电磁波的情况除与温度有关外，还与材料 的种类及表面状况有关，而黑体辐射电磁 波的规律只与黑体的温度有关，因而可以 反映某种具有普通意义的客观规律。于是， 在研究热辐射的规律时．人们特别注意对 黑体辐射的研究。
光电效应在极短的时间 内完成
勒纳德等人通过实验得出以下结论：
①对于任何一种金属，都有一个极限频率， 入射光的频率必须大于这个极限频率，才 能发生光电效应，低于这个频率就不能发 生光电效应； ② 当入射光的频率大于极限频率时，入射 光越强，饱和电流越大； ③光电子的最大初动能与入射光的强度无 关，只随着入射光的频率增大而增大； ④入射光照到金属上时，光电子的发射几 乎是瞬时的，一般不超过10-9秒.
2.光电效应的实验规律 （1 ）存在饱和电流 思考：为什么要加正
阴极
A 分析解答：光束照在阴极 K 光照不变，增大 U ， G 表中 向电压？不加正向电压 AK 上会发生光电效应现象，但 电流达到某一值后不再增大， 电路中有电流吗？ 思考：保持光照条件不变， 阳极 只有极少的电子能到达阳极 即达到饱和值。 A ，电路中电流很小。加了 逐渐加大两极之间的电压， 因为光照条件一定时， K发 正向电压后，大量的电子在 大家分析光电流会怎样变 V 电场力的作用下向阳极运动， 射的电子数目一定。 化？ 形成较大电流。（加正向电 实验表明： 压的目的是放大实验效果， 入射光越强，饱和电流越 增强实验“可见性”）。
无锡市第一中学
第十七章
波粒二象性
第一节 能量量子化
第二节 光的粒子性
第三节 粒子的波动性 第四节 概率波
第五节 不确定关系
材料鉴赏:
19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了 很大的成功：在机械运动方面获得巨大成就。 在热学方面，成功地解释了温度、压强、气 体的内能。在电磁学方面，建立了能推断一 切电磁现象的麦克斯韦方程。另外还找到了 力、电、光、声----等都遵循的规律：能量转 化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于 这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经 发展到头了。
1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学 家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:
“科学的大厦已经基本完成， 后辈的物理学家只要做一些零碎 的修补工作就行了。”
--开尔文-也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈 科学家只要把做过的实验再精确一下，在实验数据 的小数点后面再加几位罢了！ 但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家， 就在上面提到的文章中他还讲到： “但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令 人不安的乌云，----”
问题与练习 在一杯开水中放入一枝温度计， 开水静置室内，可以看到开水的温度 是逐渐降低的，既然从微观的角度来 看能量是一份一份向外辐射的，为什 么它的温度不是一段一段地降低？
解释：
• 1.开水向外辐射的每一分能量子能量很小 （微观量），而水降低1℃释放的能量很大 （宏观量），由于温度计的精度不够，所以 观察到的温度计温度不是一段一段地降低的。 • 2.在宏观尺度内研究物体的能量变化时我们 可以认为：物体的运动是连续的,能量变化是 连续的,不必考虑量子化。（因为每个能量子的
二、黑体辐射的实验规律
辐射强度
随着温度的升高： 1、各种波长的辐射强度都 有增加； 2、辐射强度的极大值向波 长较短的方向移动。
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M 0 (, T )
维恩公式在 短波部分与 实验结果吻 合得很好， 但长波却不 行。
实验 瑞利分与实验结果比较吻合。但 在紫外区(波长范围在紫外线附近)竟算得辐射 强度为无穷大，这个荒谬的结论被认为是物理 学理论的灾难，当时称为“紫外灾难”。
• 科学的发展总是在困难中前进，失败 不可怕，它是人类进步的阶梯。
课堂练习
1.请你填空:在做全国人口普查时我们关心的是:现 在全国有几___人, 班级小组长在数人数时常用:一 ___,两___;等. 2.灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍.那么红 光的最小能量比紫光的最小能量大还是小?
本节课的主要知识: 微观粒子的运动 是不连续的, 在发射和吸收能量的时候， 不是连续的，而是一份一份的。能量是 h 的整数倍。 每份能量为: E=hν