zx第九章-波粒二象性
波粒二象性
二、物质波(德布罗意波) 物质可分为两大类：实物和场．既然作为场的光具有粒子性， 那么作为粒子的电子、质子等实物是否也具有波动性？德布罗意 把光的波粒二象性推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得 出了物质波的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对 应，该波的波长λ＝hp.人们把这种波叫做德布罗意波．物质波也 是概率波．
光的波动性：光是概率波
物质波 粒子的波动性
λ＝ph
粒子运动对应的物质波也是概率波
不确定性关系：ΔxΔp≥4hπ
③光电流强度
(2016·课标全国Ⅰ)现用某一光电管进行光电效应实 验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生，下列说法正确的 是( )
A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电 流变大
(2015·新课标全国Ⅰ)在某次光电效应实验中，得到的遏止电 压 Uc 与入射光的频率 ν 的关系如图所示，若该直线的斜率和截 距分别为 k 和 b，电子电荷量的绝对值为 e，则普朗克常量可表 示为________，所用材料的逸出功可表示为________．
答案 ek －eb 解析 根据动能定理有：12meve2＝eUc，爱因斯坦光电效应方 程：12meve2＝hν－W0 可得 遏止电压 Uc＝heν－We 0，结合 Uc－ν 图，斜率即 k＝he，截 距为 b＝－We 0，可得普朗克常量 h＝ek，所用材料的逸出功 W0 ＝－eb.
第五类：光电子的最大初动能 光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率 ν 的增大而增大． 理解要点：Ekm＝12mv2＝hν－W0，即 Ekm 与入射光的频率 ν 有关，还与导体材料有关．Ekm 与 ν 是一次函数，但不成正比．
【答案】 ACE 【解析】 根据光电效应实验得出的结论：保持入射光的频 率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大，故 A 项正确，B 项错误；根据爱因斯坦光电效应方程得：入射光的频率变高，光 电子的最大初动能变大，故 C 项正确；遏止电压的大小与入射光 的频率有关，与入射光的光强无关，保持入射光的光强不变，若 低于遏止频率，则没有光电流产生，故 D 项错误，E 项正确．
高二物理波粒二象性知识点总结
高二物理波粒二象性知识点总结高二物理课本中，粒二象性是量子力学中非常重要的概念之一，学生要掌握相关知识点，下面给大家带来高二物理波粒二象性知识点，希望对你有帮助。
高二物理波粒二象性知识点一、量子论1.创立标志：1900年普朗克在德国的《物理年刊》上发表《论正常光谱能量分布定律》的论文，标志着量子论的诞生。
2.量子论的主要内容①普朗克认为物质的辐射能量并不是无限可分的，其最小的、不可分的能量单元即能量子或称量子，也就是说组成能量的单元是量子。
②物质的辐射能量不是连续的，而是以量子的整数倍跳跃式变化的。
3.量子论的发展①1905年，爱因斯坦奖量子概念推广到光的传播中，提出了光量子论。
②1913年，英国物理学家玻尔把量子概念推广到原子内部的能量状态，提出了一种量子化的原子结构模型，丰富了量子论。
③到1925年左右，量子力学最终建立。
二、黑体和黑体辐射1.热辐射现象任何物体在任何温度下都要发射各种波长的电磁波，并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的分布都与温度有关。
这种由于物质中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。
①物体在任何温度下都会辐射能量。
②物体既会辐射能量，也会吸收能量。
物体在某个频率范围内发射电磁波能力越大，则它吸收该频率范围内电磁波能力也越大。
辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡。
此时温度恒定不变。
实验表明：物体辐射能多少决定于物体的温度(T)、辐射的波长、时间的长短和发射的面积。
2.黑体物体具有向四周辐射能量的本领，又有吸收外界辐射来的能量的本领。
黑体是指在任何温度下，全部吸收任何波长的辐射的物体。
3.实验规律：①随着温度的升高，黑体的辐射强度都有增加;②随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动。
三、光电效应1.光电效应在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射出电子的现象称为光电效应。
⑵光电效应的实验规律：①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，低于极限频率的光不能发生光电效应。
波粒二象性波粒二象性
波粒二象性波粒二象性（wave-particle duality）是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。
波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。
在经典力学中，研究对象总是被明确区分为两类：波和粒子。
前者的典型例子是光，后者则组成了我们常说的“物质”。
1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。
1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。
根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实。
目录简介历史惠更斯和牛顿，早期光理论费涅尔、麦克斯韦和杨爱因斯坦和光子光电效应方程德布罗意假设玻恩概率波薛定谔方程简介历史惠更斯和牛顿，早期光理论费涅尔、麦克斯韦和杨爱因斯坦和光子光电效应方程德布罗意假设玻恩概率波薛定谔方程展开编辑本段简介波粒二象性（wave-particle duality）是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。
波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。
编辑本段历史在十九世纪末，日臻成熟的原子理论逐渐盛行，根据原子理论的看法，物质都是由微小的粒子——原子构成。
比如原本被认为是一种流体的电，由汤普森的阴极射线实验证明是由被称为电子的粒子所组成。
因此，人们认为大多数的物质是由粒子所组成。
而与此同时，波被认为是物质的另一种存在方式。
波动理论已经被相当深入地研究，包括干涉和衍射等现象。
由于光在托马斯·杨的双缝干涉实验中，以及夫琅和费衍射中所展现的特性，明显地说明它是一种波动。
不过在二十世纪来临之时，这个观点面临了一些挑战。
1905年由阿尔伯特·爱因斯坦研究的光电效应展示了光粒子性的一面。
随后，电子衍射被预言和证实了。
这又展现了原来被认为是粒子的电子波动性的一面。
这个波与粒子的困扰终于在二十世纪初由量子力学的建立所解决，即所谓波粒二象性。
它提供了一个理论框架，使得任何物质在一定的环境下都能够表现出这两种性质。
波粒二象性 整章
实用文档
26
五、光电效应在近代技术中的应用
光电管：把光信号转化为电信号。
光控继电器
可以用于自动控制，自动计 数、自动报警、自动跟踪等
放大器
控制机构
实用文档
27
如图所示是做光电效应实验的装置简图。在抽成真空的玻
璃管内，K为阴极（用金属铯制成，发生光电效应的逸出
功为1.9eV），A为阳极。在a、b间不接任何电源，用频率
形成光电流。
V
K阴
极
G
实用文档
18
1、每种金属都存在截止频率（极限频率）γc ；
•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。
2、光子的最大初动能随入射光的频率增大而增大；
遏止电压UC=EKm（使光电流减小到零的反向电压） 随着入射光的频率的增大而增大，与光强无关。
31
七、光子的能量和动量
Em2c Eh
m h （光子的动质量）
c2
Pm ch c2 •chc h
实用文档
32
既然光子有动量，那么光照射到物体表面被吸
收或被反射时就会对物体有压力，叫做 “光
压”。有人设想在遥远的宇宙探测中利用光压
力作动力推动航天器加速，这样可以大大减少
航天器发射时自身的体积和重量的影响，在某
2.爱因斯坦光电效应方程
hEk W0
W 电子逸出金属表面所需做功的最小值，称为逸出功； 0
Ek
1 2
mev2
为光电子的最大初动能。 实用文档
21
3、光子说对光电效应的解释
实验事实
光子说的解释
截止频率 只有当hγ>W0才有光电子逸出， 所以γc=W0/h。
波粒二象性知识点
波粒二象性知识点波粒二象性（wave-particle duality）是量子力学的基本原理之一，指出微观粒子既可以表现出波动性质，又可以表现出粒子性质。
这一概念是由物理学家Max Planck和Albert Einstein等人在早期量子力学的发展过程中提出的，它颠覆了经典物理学中关于光和微观粒子的常识。
在经典物理学中，光被认为是一种电磁波，而微观粒子（如电子、质子等）被视为具有确定的位置和动量的粒子。
然而，实验观测表明，许多粒子在特定条件下表现出波动特性，如干涉和衍射现象，而这种波动特性无法用经典的波动理论解释。
同时，光也被发现具有粒子性质，如光电效应和康普顿散射等现象。
量子力学通过描述微观粒子的波函数（wave function）来统一解释波动性和粒子性。
波函数是一个数学函数，描述了粒子在不同时刻和位置上的可能状态。
而根据波函数的形式不同，粒子的性质也表现出波动性或粒子性。
在实验中，双缝干涉实验（double-slit experiment）是展示波粒二象性的经典实验之一。
这个实验可以用来观察光束通过两个狭缝时的干涉现象。
当光束通过单个狭缝时，会形成一个亮度分布均匀的斑点。
然而，当有两个狭缝时，光束会产生干涉效应，形成一系列交替的明暗条纹，这表明光具有波动性质。
但是，如果用非常低强度的光源，只发射一个光子，我们会发现光子也会产生干涉和衍射现象，说明光子也具有粒子性质。
波粒二象性的理解是基于量子力学的数学形式，如薛定谔方程（Schrodinger equation）。
这些方程描述了具有波动和粒子性质的微观粒子，并通过解方程来计算粒子在不同情况下的行为和性质。
这些数学工具为我们提供了一种计算和预测粒子行为的方法，但并没有提供对物理现象的直观解释。
波粒二象性的认识对科学的发展产生了重大影响。
它为我们揭示了微观世界的奇特规律，改变了我们对物质和能量本质的理解。
通过研究粒子的波动性质，人们发现了许多重要的物理现象和应用，如原子能级、激光、微波炉等。
波粒二象性知识点总结
波粒二象性知识点总结 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】波粒二象性知识点总结一：黑体与黑体辐射1．热辐射(1)定义：我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射。
(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。
2．黑体(1)定义：在热辐射的同时，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。
如果一些物体能够完全吸收投射到其表面的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。
(2)黑体辐射特点：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。
注意：一般物体的热辐射除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。
二：黑体辐射的实验规律如图所示，随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加；另—方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
三：能量子1．能量子：带电微粒辐射或吸收能量时，只能是辐射或吸收某个最小能量值的整数倍，这个不可再分的最小能量值E叫做能量子。
2．大小：E=hν。
其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，h=6．626x10—34J·s(—般h=—34J·s)。
四：拓展：1、对热辐射的理解（1）．在任何温度下，任何物体都会发射电磁波，并且其辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同，这是热辐射的一种特性。
在室温下，大多数物体辐射不可见的红外光；但当物体被加热到5000C左右时，开始发出暗红色的可见光。
随着温度的不断上升，辉光逐渐亮起来，而且波长较短的辐射越来越多，大约在1 5000C时变成明亮的白炽光。
这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量在不同光谱区域的分布是不均匀的，而且温度越高光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高。
（2）．在一定温度下，不同物体所辐射的光谱成分有显着的不同。
例如，将钢加热到约800℃时，就可观察到明亮的红色光，但在同一温度下，熔化的水晶却不辐射可见光。
大学物理课件：波粒二象性(wave-particle duality)
黑体的辐出度与黑体的热力
学温度四次方成正比。
2）维恩位移定律
0
6000K
3000K
m1000
/ nm
2000
mT b (b 2.898103 m k)
当黑体温度升高时，与单色辐出度峰值对应 的波长向短波方向移动
例1：实验测得太阳m 490nm，若把太阳作为
黑体，试估计1）太阳表面温度； 2）太阳每单 位表面上所发射的功率；3）地球表面单位面积 接受到的辐射能。
解：（1） 2h sin 2 1.221012 m
m0c
2
1.252 1010 m
h
0
e0
0
c
0
c
c
0
(
0 )
2.30
1016
Hz
h e
θ
p mv
E h 1.551017 J 97.3eV
(2)由能量守恒：反冲电子动能： Ek E
=
反冲动量
h
e
由相对论中粒子的能量、动量
s L1
T
平行光管
L2
M (T ) /(1014 W m3 )
1.0
棱镜
热电偶
c
0.5
6000K
/ nm
0
1000
2000
黑体辐射定律
M (T ) /(1014 W m3 )
1）斯特藩—玻耳兹曼定律 1.0
M (T )
0
M
(T
)d
T
4
可 见 光 区
5.67 108W m2K 4 0.5
单位面积、单位时间内，单位波长范围内
所辐射的电磁能量 M (T ) M (T )
9-波粒二象性
* 3.光电子最大初动能（或 遏止电压）随入射光频 率线性增加，
与入射光强无关
| U a |= kν − U 0
经典理论无法解释。
* 4.存在截止频率（又称红限频率）ν 0 , 不同金属ν 0 不同.
当入射光频率ν < ν 0时，无论光强如何大，也不可能产生 光电效应。
无论光强如何，只要ν > ν 0，就可以产生光电效应。
hc
1 Ek = ε 0 − ε = ε 0 (1 − ) = 0.1Mev 1.2
传播过程
与物质作用
波动
光子（粒子）
ν,λ
干涉、衍射、偏振
光电效应、康普顿效应
ε，p
p= h
光
联系 波粒二象性
ε = hν
λ
一、物质波
1924年，（德布罗意假设）：实物粒子（静止质量m0 ≠ 0）
也可能具有波动性，与具有一定能量E和动量P的实物粒子联系的波
4. 微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒
例：康普顿效应中，入射波λ = 0.7 A, 散射光与入射光垂直，求
o
（1 ）反冲电子的动能E K；
（2）反冲电子运动方向与入射光之间的夹角θ。 r P o h 解：（ ）λ = λ0 + ∆λ = 0.7 + 1 = 0.724 A
m0 c
电子动能即为光子损失的能量
1.入射光频率一定，饱和电流与入射光强成正比 i iH 3 3I iH 2 2I iH 1 I
Ua
o
U
理解：从阴极逸出的电子有不同的速度，设单位时间从 阴极逸出光子数为N，则N ∝ I（入射光强）
饱和电流 iH = Ne ∝ I
2.遏止电压U a为负 光电子最大初动能 1 2 mvmax 2
量子力学的波粒二象性研究进展
量子力学的波粒二象性研究进展引言量子力学是描述微观世界的基本理论，其奠基人之一是德国物理学家马克斯·波恩。
在20世纪初，人们对微观粒子的性质做出了一系列的实验观察，这些观察结果无法用经典物理学解释。
量子力学的波粒二象性概念应运而生，它揭示了微观粒子既可以表现为波动又可以表现为粒子。
一、波粒二象性的基本概念波粒二象性是指微观粒子既可以表现为波动，具有干涉和衍射的特性，又可以表现为粒子，具有能量和动量的离散性质。
这一概念在20世纪初由物理学家路易斯·德布罗意和埃尔温·薛定谔提出，并在实验观察中得到了验证。
根据德布罗意的假设，所有物质都具有粒子性和波动性。
他提出了一个简单的关系式，称为德布罗意波长公式：λ = h/p其中，λ是德布罗意波长，h是普朗克常数，p是粒子的动量。
这一公式揭示了波动性和粒子性之间的关联，即粒子的动量越大，其波长越短，表现出更明显的粒子性；相反，粒子的动量越小，其波长越长，表现出更明显的波动性。
二、实验验证与观察证据波粒二象性概念的提出引起了许多实验的开展，以验证其真实性。
我们可以从以下几个方面来了解实验观察的证据。
1. 光的干涉和衍射早在19世纪初，托马斯·杨的双缝干涉实验证明了光的波动性。
然而，当我们使用低强度的光源，如单个光子源照射双缝时，我们却观察到了干涉和衍射的现象，这表明光既具有粒子性又具有波动性。
这一现象在年轻双缝实验中得到了更加直接的证明。
当一个光源通过双缝时，我们期望在屏幕上观察到一系列亮度最强的条纹，呈现出波动性。
然而，当我们减弱光源强度到仅剩下一个光子时，仍然出现了干涉和衍射的现象。
这说明即使只有一个光子，它也可以同时通过两条路径，与自身干涉。
2. 电子的双缝干涉实验随着实验技术的发展，人们开始研究电子、中子等微观粒子的性质。
在1955年，Davisson和Germer通过对电子的双缝干涉实验证实了德布罗意的波动假设。
波粒二象性资料课件
双缝干涉实验中，单色光通过两个相距较近的小缝隙后，会在屏幕上形成明暗相 间的干涉条纹。这一现象表明光具有波动性，能够像水波一样发生干涉。通过测 量干涉条纹的间距和缝隙的宽度，可以计算出光的波长和波速。
单光子干涉实验
总结词
单光子干涉实验是研究单个光子行为的实验，通过观察单个光子通过双缝后的干涉现象，进一步揭示了量子世界 的神秘特性。
光的波粒二象性的数学描述
光具有波粒二象性是指光既表 现出波动性质，又表现出粒子 性质。
光的波动性可以通过麦克斯韦 方程组描述，而光的粒子性则 可以通过光子概念描述。
光子是光的能量单位，它的能 量与光的频率成正比，与波长 的倒数成正比。
光的波粒二象性与量子纠缠
光的波粒二象性是量子力学中的基本原理之一，它表明光既具有波动性质又具有粒 子性质。
分发和量子隐形传态等。
量子物理学的实验验证与理论发展
实验验证
随着实验技术的发展，我们能够更精 确地观测和验证量子现象，包括波粒 二象性。例如，利用超冷原子和光晶 格等实验装置，可以模拟和验证量子 力学的基本原理。
理论发展
随着量子计算和量子通信等技术的发 展，我们需要进一步发展量子理论， 以更好地解释和预测新现象。这包括 对量子力学的诠释、量子场论和量子 引力等领域的深入研究。
波粒二象性的含 义
01
光同时具有波动和粒子两种属性， 这两种属性在一定条件下可以相 互转化。
02
光的波粒二象性是量子力学的基 本原理之一，是理解微观世界的 基本出发点。
03 实验证据与现象
双缝干涉实验
总结词
双缝干涉实验是证明光具有波动性的经典实验，通过观察光束通过双缝后的干涉 现象，可以直观地展示波粒二象性的特点。
大学物理课件-波粒二象性
)2
R 2eB 2 2m
波长 3000A的紫外线照射某金属表面，光电子能量范围
从0到4.0 1019 J，其遏止电压 |U a | V，金属红限频率 0
1 2
mv
2 max
e |Ua
|
4.0 1019
J
A
h
1 2
mv 2 max
2.63 10 19
J
0
A h
2.63 10 19 6.63 10 34
★光子的品質：
m
h
c2
h
c
m0 m 1 v2 / c2 m0(光子) 0
★光子的動量：p mc h h
c
1
三 光電效應在近代技術中的應用
光控繼電器、自動控制、 自動計數、自動報警等.
光控繼電器示意圖
光
放大器
接控制機構
光電倍增管
例：光 波电长子为（的电单子色电光 量e照，射质某量金m）属， M表进面 入均发匀生磁光场电B效（应v，B)发, 射
4 1014 Hz
|U a | 2.5V
Uc (V)
0
5 -2
(1014Hz)
在某金屬的光電效應實驗中，測得如圖所
示曲線，則該金屬的紅限頻率0= Hz， 逸出功A= eV。
解： ⑴由圖： 0=51014 Hz
⑵
eUc
1 2
mvm2
h A
Uc
h
e
A e
1
A 2V e
A 2eV
[解法二]：
1
一、基本概念
分子热运动导致物体不断向外发射电磁波， 这种与温度有关的辐射称热辐射。
這種輻射可以是紅外線、可見光或紫外線，人眼不一 定可見。
《波粒二象性》课件
德布罗意假说和实验验证
电子衍射验证实了电子的波动性。
总结
波粒二象性的发现和理解对科学和技术产生了广泛的影响，并推动了许多领域的发展。
1
波粒二象性的意义
揭示了微观世界的奇妙行为，并推动了量子力学的发展。
2
发展前景
随着科技的不断进步，对波粒二象性的研究仍在进行中，将继续为人类带来新的 发现。
《波粒二象性》PPT课件
# 波粒二象性PPT课件大纲 ## 简介 - 历史发展 - 波粒二象性的定义 - 应用领域 ## 光的波粒二象性 - 光的波动理论 - 光的粒子性质验证 - 双缝实验 ## 物质的波粒二象性 - 原子结构和波粒二象性 - 德布罗意假说和实验验证 - 电子衍射实验 ## 应用领域 - 电子显微镜 - X射线衍射
波粒二象性的定义
波粒二象性指的是光和物质既有粒子性也有波动性的性质。它们既可以表现出粒子特性（如位置和动量），也 可以表现出波动特性（如干涉和衍射）。
粒子性
可用于描述光和物质的位置 和动量。
波动性
可用于描述光和物质的干涉 和衍射现象。
波粒二象性的统一性
波粒二象性的性质并不互斥， 而是统一存在于光和物质的 微观领域中。
历史发展
自17世纪以来，科学家们一直在探索光和物质的本性。从牛顿的光粒子理论到普朗克的量子假设，波粒二象性 的研究经历了长期而精彩的发展。
1
牛顿的光粒子理论
认为光是由粒子组成的，即光粒子。
普朗克的量子假设
2
提出能量在一定量上是离散的，即量子
化。
3
法布里-珀罗实验
展示了光在干涉和衍射中表现出波动性。
应用领域
波粒二象性的研究对许多领域产生了深远的影响，并推动了许多重要的科学和技术进展。
大学物理波粒二象性(PPT课件)
前 言
在20世纪纪初，发生了三次概念上的
革命，它们深刻地改变了人们对物理世界
的了解，这就是狭义相对论（1905年）、
广义相对论（1916年）和量子力学（1925 年）。
经典物理（18－19 世纪）
牛顿力学、热力学、经典统计力学、经典电磁理论， 19世纪末趋于完善。使人感到，经典物理似可解决 所有问题:
铁块温度升高时颜色的变化
低温物体（例如人体）也有热辐射，但辐射较弱， 并且主要成分是波长较长的红外线。
头部的红外照片（热的地方显白色，冷的显黑色）
直觉:
低温物体发出的是红外光
炽热物体发出的是可见光
高温物体发出的是紫外光
注意：
热辐射与温度有关 但并不是所有发光现象都是热辐射 例如：激光、日光灯发光就不是热辐射
二、 描述热辐射的基本物理量
1) 光谱辐射出射度(也称单色辐射本领)
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 M λ (T )
T
单位面积
dE ( dλ)（单位时间内）
d E M (T ) d
M (T ) M (T )d
0
普朗克常量： h 6.626 10
34
3
Js
M.Planck 德国人 1858－1947
4.136 10 e V s
15
在全波段与实验结果惊人符合
M (10 - 9 W/(m2 Hz))
2 2 （1900） M (T ) 2 kT c
“紫外灾难”
实验曲线
T 2000 K
/1014Hz
W/(m2 Hz)
m
不同温度下的黑体辐射 M～ 曲线
波粒二象性
看到书本图17.1-1思考： 射入空腔的光能反射出来吗？能看清里面 的情形吗?
二、黑体与黑体辐射
⑴定义：如果一个物体在任何温度下，对任何波长 的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种 物体为绝对黑体，简称黑体。
用不透明材料制成一空心容器， 壁上开一小孔，可看成绝对黑体
量子物理引言 到十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日 臻完善，并不断取得新的成就。首先在牛顿力学基础 上，哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学，几 乎达到无懈可击的地步，特别是十九世纪中期，海王 星的发现充分表明了牛顿力学是完美无缺的。其次， 通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的巨大努力， 建立了体系完整而又严密的热力学和统计力学，并且 应用越来越广泛。 由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行 的深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础， 特别是由麦克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存 在，随即被赫兹的实验所证实。后来又把牛顿、惠更 斯和菲涅耳所建立的光学也纳入了电动力学的范畴， 更是一项辉煌的成就。
因此当时许多著名的物理学家都认为物理学的基本 规律都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本规 律应用到各种具体问题上，并用来说明各种新的实验 事实而已。就连当时赫赫有名对物理学各方面都做出 过重要贡献的权威人物开尔文在一篇于1900年发表的 瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经基 本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零 星的修补工作就行了”，不过接着又指出：“但是在 物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌 云”，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两 个实验现象，一个是热辐射现象中的紫外灾难，另一 个是否定绝对时空观的迈克尔逊--莫雷实验。正是这 两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了 当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立 近代物理学的理论基础作出了贡献。
高二物理竞赛课件：量子力学——光的波粒二象性
诺贝尔物理学奖.
4
1913年玻尔在卢瑟福的原子结构模型的 基础上，将量子化概念应用于原子系统，提 出三条假设：
(1)定态假设 (2)频率条件 (3)量子化条件
玻 尔 (Bohr . Niels 1885—1962) 5
(1)定态假设
电子在原子中可以在一些特定的圆轨道上 运动而不辐射电磁波，这时，原子处于稳定 状态，简称定态.
12
不同，是一种概率波.
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某一时刻整个空间内发现粒子的概率为
归一化条件
Ψ
2
dV
1
(束缚态)
标准条件
波函数必须是单值、连续、有限的函数.
11
1926 年 波 恩 对 波 函 数提出了统计解释
任意时刻粒子在空间 某点出现的概率与在 该处粒子波函数绝对 值的平方成正比。
1954.Nobel Prize
H0
cos2π(t
x
)
经典波为实函数
y ( x,t )
Re[
i 2π(t x
Ae
)
]
8
(2)量子力学波函数(复函数)
描述微观粒子运动的波函数 Ψ (x,y,z,t)
微观粒子的波粒二象性
E h
h
p
自由粒子的能量和动量是确定的，其德布罗意频率 和波长不变 ，可认为是一平面单色波. 波列无限长，
根据不确定原理 ，粒子在 x方向上的位置完全不确定.
量子力学--光的波粒二象性
1
光的波粒二象性
（1）波动性：光的干涉和衍射
（2）粒子性： E h （光电效应等）
描述光的 粒子性
E h p h
描述光的 波动性
2
光学理论发展历史表明，曾有很长一段 时间，人们徘徊于光的粒子性和波动性之间， 实际上这两种解释并不是对立的，量子理论 的发展证明了这一点. 20世纪初发展起来的 光量子理论，似过于强调粒子性，德布罗意 企盼把粒子观点和波动观点统一起来，给予 “量子”以真正的涵义.
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§9.1 爱因斯坦的辐射理论
• 爱因斯坦宣称:“这些考虑⋯⋯ 表明辐射的空间分布 的涨落和辐射压的涨落也表现得好象辐射是由具 有上述大小的量子所构成的一样。”他强调指 出:“现代辐射理论(按: 指麦克斯韦的光的波动理 论)与这个结果并不一致。”“如果(第一项) 单独 存在,它就会导致(所期望的)涨落,这种涨落发生在 辐射是由独 立运动的、具有能量 hν 的类点量子 组成的情况下”。爱因斯坦用“类点 量子”一词 表明他已把光量子当作粒子来看待。爱因斯坦虽 然还没有形 成完整的辐射理论,但他已经明确到, 遵循普朗克能量分布公式的辐射, 同时具有粒子和 波动的特性。
• 他 为了解释荧光辐射的频率变低,曾试图用 多普勒效应进行计算,在计算中,他把 X 射线 对散射物质中电子的作用看成是一个量子 过程。开始他用能量hv = 1/2 mυ 2进行计 算,结果与实际不符。后来,他终于采用了两 2 个条件,在碰撞中既要遵守能量守恒,又要 遵守动量守恒,从而,导致 了 1923 年 5 月在 《物理评论》上发表了那篇有历史意义的 文献。 •
• 他开始是用 J.J.汤姆生的电子散射理论解释 γ 射线和 X 射线的散 射,后来又提出荧光辐 射理论和大电子模型。他设想电子具有一 定的大 小和形状,认为只要“电子的电荷分 布区域的半径与γ 射线的波长大小 可比拟” 就可以“在经典电动力学的基础上解释高 频辐射的散射。”
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§9.3 康普顿效应
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§9.1 爱因斯坦的辐射理论
• 爱因斯坦利用普朗克的能 量分布公式,推导 出体积 V 中频率在 v→v+dv,之间的那一部 分黑体辐射所具有的能量均方涨落为
• 前一项正是能量子的涨落, 它是以 hν 作为 基数的。后一项具有从麦克斯韦理论求出 的电磁场涨落的 形式。前者代表粒子性,后 者代表波动性。
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§9.2 X射线本性之争
• 这个实验后来经瓦尔特(Walter)和泡尔 (Pohl)改进,得到的照片似乎有 微弱的衍射 图象。直到 1912 年,有人用光度计测量这 一照片的光度分布, 才看到真正的衍射现象。 索末菲据此计算出 X 射线的有效波长大约 为 4 ×10-9 厘米。
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§9.2 X射线本性之争
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§9.2 X射线本性之争
• 1912 年劳厄发现 X 射线衍射,对波动说提 供了最有力的证据。布拉 格这时已不再坚 持他的中性偶假说。不过,他总是直觉地认 为,就象他 自己说的那样,似乎问题“不在于 (微粒和波动)哪一种理论对,而是 要找到一 种理论,能够将这两方面包蓄并容。”布拉 格的思想对后来的 德布罗意有一定影响。
• X 射线还有一种效应颇引人注目。当它照射 到物质上时,会产生二次 辐射。这一效应是 1897 年由塞格纳克(Sagnac)发现的。塞格 纳克注意到, 这种二次辐射是漫反射,比入射 的 X 射线更容易吸收。这一发现为以后 研 究 X 射线的性质作了准备。
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§9.2 X射线本性之争
• 1906 年巴克拉在这个基础上判定 X 射线具 有偏振性。从 X 射线管发出的 X 射线以 45 °角辐照在散射物 A 上,从 A 发出的二次辐 射又以 45°角投向散射物 B, 再从垂直于二 次辐射的各个方向观察三次辐射,发现强度 有很大变化。 沿着既垂直于入射射线又垂 直于二次辐射的方向强度最弱。由此巴克 拉 得出了X 射线具有偏振性的结论。
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• 第一个肯定光既有波动性又有微粒性的是爱因斯坦。 他认为电磁辐 射不仅在被发射和吸收时以能量 hv 的微粒形式出现,而且在空间运动 时,也具有这种微 粒形式。爱因斯坦这一光辉思想是在研究辐射的产 生 和转化时逐步形成的。与此同时,实验物理学家 也相对独立地提出了同 样的看法。其中有 W.H.布 拉格和 A.H.康普顿 (ArthurHollyCompton,1892 —1962)。康普顿证 明了,光子与电子在相互作用中不但有能量变换,还 有一定的动量交换。 • 1923 年,德布罗意把爱因斯坦的波粒二象性推广到 微观粒子,提出 物质波假说,论证了微观粒子也具有 波动性。他的观点不久就得到电子 衍射等实验的证 实。
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§9.1 爱因斯坦的辐射理论
• 1921 年,德拜在一次演讲中讨论到爱因斯坦的量 子辐射理论。作为 一个例题,他计算了光量子和电 子相互碰撞的情况,结果显示光在碰撞后波长变长 了。当时他曾建议他的同事舒勒(P.Scherrer)做一 个 X 射线 实验来检验波长是否真有改变。可惜舒 勒没有及时做这个实验,德拜也 就暂时放下这项研 究。就在这段时间里,康普顿却一直在为 X 射线散 射 后波长变长的实验结果探求理论解释。在介绍 康普顿的工作之前,还应 当提到另一桩与波粒二象 性有关的事件,这就是 W.H.布拉格和巴克拉 (C.G.Barkla)之间发生的关于 1919 年康普顿也接触到γ 散射问题。他以 精确的手段测定了γ 射线的波长,确定了散射 后波长变长的事实。后来,他又从γ 射线散射 转移到X 射线散射。
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• 图7－23 康普顿的X射线分光计
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• 图7－24 康普顿正 在操纵X射线光谱仪
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§9.3 康普顿效应
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§9.1 爱因斯坦的辐射理论
• 1909 年 1 月,爱因斯坦再次撰文讨论辐射 问题,9 月在萨尔茨堡举行的第 81 届德国物 理学家和医学家会议上作了题为: 《论我们 关于辐射本质和组成的观点的发展》的演 讲。
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§9.1 爱因斯坦的辐射理论
• 他利用能量涨落的概念,考察一个 挂在空腔 中的完全反射性的镜子的运动,空腔中充有 温度为 T 的热辐射。 如果镜子是以一个非 零的速度运动,则从它的正面反射出去的具 有给定 频率 v 的辐射要比从它的背面反射 出去的多一些;因此镜子的运动将会受到阻 尼,除非它从辐射涨落获得新的动量。
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§9.1 爱因斯坦的辐射理论
• 爱因斯坦在上述两篇论文中,对辐射理论的状况表 示了如下的见解: “我早已打算表明,必须放弃辐 射理论现有的基础”;“我认为, 理论物理学发展 的下一阶段将给我们带来一个光的理论,这个理论 可以 解释为波动理论与发射理论的熔合;”“不要 把波动结构和量子结构⋯⋯ 看成是互不相容的。” 爱因斯坦在这里预见到了将有一种新的理论使波 动性和微粒性熔合于一体,虽然十几年后,当新的理 论真正出现时,他 却反而不能接受。
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§9.2 X射线本性之争
• X 射线的波动性是 1912 年德国人劳厄用晶 体衍射实验发现的。在此 之前,人们对 X 射 线的本性众说纷纭。伦琴倾向于 X 射线可 能是以太中 的某种纵波,斯托克斯认为 X 射 线可能是横向的以太脉冲。由于 X 射线 可 以使气体分子电离,J.J.汤姆生也认为是一种 脉冲波。
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• 图7-22 伊夫(1904 年)的装置
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§9.3 康普顿效应
• 后 来,γ 射线的散射问题经过多人研究,英国的弗罗 兰斯(D.C.H.Florance) 在 1910 年获得了明确结 论,证明散射后的二次射线决定于散射角度,与 散 射物的材料无关,而且散射角越大,吸收系数也越大。 所谓射线变软, 实际上就是射线的波长变长,当时 尚未判明γ 射线的本质,只好根据实 验现象来表示。 1913 年,麦克基尔大学的格雷(J.A.Gray)又重做γ 射线实验,证 实了弗罗兰斯的结论并进一步精确测 量了射线强度。他发现:“单色的 γ 射线被散射后, 性质会有所变化。散射角越大,散射射线就越软。” •
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• 图7-20 巴克拉X射 线二次辐射实验原理
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§9.2 X射线本性之争
• 但是偏振性还不足以判定 X 射线是波还是 粒子。因为粒子也能解释这一现象,只要假 设这种粒子具有旋转性就可以了。 • 果然在 1907—8 年 间一场关于 X 射线是 波还是粒子的争论在巴克拉和布拉格之间 展开了。
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第九章 波粒二象性
• • • • •
§9.1 爱因斯坦的辐射理论 §9.2 X射线本性之争 §9.3 康普顿效应 §9.4 德布罗意假说 §9.5 物质波理论的实验验证
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§9.1 爱因斯坦的辐射理论
• 早在 1905 年,爱因斯坦在他提出的光量子 假说中,就隐含了波动性与粒子性是光的两 种表现形式的思想。他分析了从牛顿和惠 更斯以来, 波动说和微粒说之间的长期争论, 指出麦克斯韦电磁波理论的局限性, 审查了 普朗克处理黑体辐射的思路,总结了光和物 质相互作用有关的各 种现象,认为光在传播 过程和与物质相互作用的过程中,能量不是 分散 的,而是一份一份地以能量子的形式出 现的。
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§9.2 X射线本性之争
• 布拉格根据γ 射线能使原子电离,在电场和磁场中 不受偏转以及穿透力 极强等事实主张γ 射线是由 中性偶——电子和正电荷组成。后来他把 X射线 也一样看待,解释了已知的各种 X 射线现象。 • 巴克拉则坚持 X 射线 的波动性。两人各持己见, 在科学期刊上展开了辩论,双方都有一些实 验事实 支持。这场争论虽然没有得出明确结论,但还是给 科学界留下了深刻印象。
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§9.1 爱因斯坦的辐射理论
• 1916 年爱因斯坦再次回到辐射问题上来,发 表了《关于辐射的量子 理论》一文,这篇论 文总结了量子论的成果,指出旧量子论的主 要缺陷, 并运用统计方法,又一次论证了辐射 的量子特性。
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§9.1 爱因斯坦的辐射理论
• 他考虑的基本点是,分子的分立能态的稳定分布是 靠分子与辐射不 断进行能量交换来维持的。他假 设能量交换的过程,即分子跃迁的过程 有两种基本 方式,一种叫自发辐射,一种叫受激辐射。根据这两 种方式 发生的几率,他推导出玻尔的频率定则和普 朗克的能量分布公式。这样 他就把前一阶段量子 论的各项成果,统一在一个逻辑完备的整体之中。 值得特别指出的是,爱因斯坦的受激辐射理论,为 50 年后激光的发展奠 定了理论基础。