波粒二象性 整章

3、光电效应产生的时间为10-9秒，几乎瞬时；
4、饱和光电流与入射光的强度成正比。阳 A
极 入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
K阴 极
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G
V
19
三、光电效应解释中的疑难
经典理论 光的强度（能量）由振幅决 定，与频率无关，且能量是 连续的，可积累的。 EKm应与入射光的强度有关。
能量积累需要时间。 强度越大，能量越多，逸出 的光电子数越多。
中比起波动的研究方法来，如果说是过于忽视了粒 子的研究方法的话，那么在实物的理论中，是否发 生了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图象想得 太多，而过分忽略了波的现象呢”于是他提出假设 “实物粒子也具有波动性”。
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能量为E、动量为p的粒子与频率为γ、波 长为λ的波相联系，并遵从以下关系：
E=mc2=h
饱和光电流 光强较大时，单位时间内发射的光子 数较多，照射金属时产生的光电子多。
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4.光电效应理论的验证
美国物理学家密立根，花了十年时间做了 “光电效应”实验，结果在1915年证实了爱 因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又 一次证明了“光量子”理论的正确。
由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说 明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺 贝尔物理学奖。
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§17.2科学的转折： 光的粒子性
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回顾人类对光的本性 的认识的发展过程。
波动说（惠更斯） 微粒说（牛顿）
电磁说 （麦克斯韦）
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实验
用紫外线灯照射擦得很 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，发现验
h6.6 2 16 30 焦 4 秒 M.Planck 德国人 1858－1947
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物理难题：
1888年，霍瓦(Hallwachs)发现金属板被 紫外光照射会放电。近10年以后（因为 1897年，J.Thomson才发现电子）人们认识 到那就是从金属表面射出的电子，这些电 子被称作光电子(photoelectron)，相应的 效应叫做光电效应。
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3、经典电磁理论的困难
根据经典电磁波理论，当电磁波通过物 质时，物质中带电粒子将作受迫振动， 其频率等于入射光频率，所以它所发射
的散射光频率应等于入射光频率。
4、光子理论对康普顿效应的解释 光子不仅具有能量也具有动量，在与
电子碰撞时要遵守能量守恒定律和动
量守恒定律，光子的部分能量传给电
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X射线经晶体的衍射图
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1927年，戴维孙和 汤姆孙分别分别利 用晶体做了电子束 衍射实验，证实了 电子的波动性。
电子射线经晶体的衍射图
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后来的实验证明原子、分子、 中子等微观粒子也具有波动性。
德布罗意公式成为揭示微观粒子 波粒二象性统一性的基本公式， 1929年，De Broglie荣获Nobel
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 辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小 数点后面在加几位罢了！
但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科
个设计方案中，计划给探测器安上面积极大，
反射率极高的薄膜，并设法让它始终正对太
阳． 已知在地球绕日轨道上，每平方米面积上得到的
太阳光的功率为P0 = 1.35kW，探测器本身的质量 为M=100kg，薄膜面积为S=4×104m2，那么探测
器由地球发射到太空时，由于太阳光的光压而得
到的加速度将为多大?
K
最通大过初电动流能表E的K是电多流少方焦向？。
a
A
μA
V
b
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六、康普顿效应
1.光的散射
光在介质中与物质微粒相互作用,因而传 播方向发生改变,这种现象叫做光的散射。
2、康普顿效应
1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射 的实验时，发现散射的X射线中除有与入 射波长λ0相同的成分外，还有波长大于 λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。
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1、波长越长，波动性越明显， 频率越大，粒子性越明显；
2、大量光子的行为表现波动性， 单个光子的行为表现粒子性；
3、传播过程中表现波动性， 和其他物质相互作用时表现粒子性。
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二、德布罗意波（物质波）
De . Broglie 1923年发表了题为“波和 粒子”的博士学位论文，提出了物质波的概 念。 他认为，“整个世纪以来（指19世纪）在光学
为γ（高于铯的极限频率）的单色光照射阴极K，会发现
电流表指针有偏转。这时，若在a、b间接入直流电源，a
接正极，b接负极，并使a、b间电压从零开始逐渐增大，
发现当电压表的示数增大到2.1V时，电流表的示数刚好减
小到零。求：
单色光
⑶⑴⑵入a从、射阴b单间极色未K光发接的出直频的流率光电是电源多子时少的，？
UC/V
0.541 0.637 0.714 0.809 0.878
γ/1014HZ 5.644 5.888 6.098 6.303 6.501
作出UC-γ图象。
EK eUC
hEKW0
UC
h
e
W0 e
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UC
h
e
W0 e
求普朗克常数h
h6.3 010 34 JS
这种金属的截止频率γC C4.271014Hz
λ
0
1
2
3
4
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5 (μm6)8
M0(T)
黑体辐射实验
实验值 是物理学晴朗
紫 外 灾
难
天空中一朵 令人不安的乌云。
瑞利--金斯线
维恩线
o1 2 3 4 5
6 78
/μm
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三、能量子：超越牛顿的发现
1、普朗克能量子假说：微观粒子的能量 是某一最小能量ε（称为能量子）的整数 倍，即：ε, 1ε, 2ε, 3ε, ... nε，n为正整数， 称为量子数。
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例如：铁块 温度 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色
温度 发射的能量 电磁波的短波成分 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
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5
（3）平衡热辐射
加热一物体, 物体的温度恒定时，物体所 吸收的能量等于在同一时间内辐射的能 量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。
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2
§17.1能量量子化： 物理学的新纪元
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3
一、黑体与黑体辐射
1、热辐射 （1）定义：一切物体在任何温度下都在辐射
各种波长的电磁波，这种辐射与 物体的温度有关，称为热辐射。
（2）特征：辐射强度按波长的分布情况随
物体的温度而有所不同。 固体在温度升高时颜色的变化
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1000K 实用文档 1200K
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，----实用”文档
1
这两朵乌云是指什么呢？
一朵与黑体辐射有关，
另一朵与迈克尔逊实验有关。
事隔不到一年(1900年底)，就从第一朵乌云 中降生了量子论，紧接着(1905年)从第二朵乌 云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底 动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。 正可谓“山重水复疑无路, 柳暗花明又一村
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§17.2崭新的一页： 粒子的波动性
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Eh P h
动量能量是描述粒子的,
频率和波长则是用来描述波的。
光到底是什么？
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一、光的波粒二象性
光的干涉、衍射、偏振现象说明 光具有波动性，而热辐射、光电 效应、康普顿效应又表明光具有 粒子性，单独使用任何一种都无 法完整地描述光的所有性质，因 此光具有波粒二象性。
vP=h/λ
这种和实物粒子相联系的波称 为德布罗意波(物质波或概率波), 其波长λ称为德布罗意波长。
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一个质量为m的实物粒子以速率v 运动时，即具有以能
量E和动量P所描述的粒子性，同时也具有以频率和波长
所描述的波动性。
德布罗意关系
E h
＝h P
如速度v=3.0102m/s飞行的子 弹，质量为m=10-2Kg，对应的 德布罗意波长为：
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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
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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
子,散射光子的能量减少，于是散射光
的波长大于入射光实用的文档 波长。
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5、康普顿散射实验的意义 （1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设； （2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设 （3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，
动量和能量守恒定律仍然是成立的。
康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。
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爱因斯坦由于对光电效 应的理论解释和对理论 物理学的贡献获得1921 年诺贝尔物理学奖
密立根由于研究基本电荷和
光电效应，特别是通过著名
的油滴实验，证明电荷有最
小单位。获得1923年诺贝
。实用文档尔物理学奖
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密立根的实验的目的是：测量金属的遏止电压 UC与入射光频率γ，由此算出普朗克常数h。
形成光电流。
V
K阴
极
G
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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。
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6
2、黑体 （1）定义：能全部吸收各种波长的辐射 而不发生反射，折射和透射的 物体称为绝对黑体，简称黑体。
（2）黑体模型
（3）特征：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，与
材料的种类及表面实状用文档况无关。
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二、黑体辐射的实验规律
e0(,T)
随着温度的增高， 一方面各种波长的辐射 强度都有增加，另一方 面辐射强度的极大值向 波长较短的方向移动。
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
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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。
最大初动能 EKm与γ成线性关系。
瞬时效应 电子一次性吸收一个光子的全部能量， 不需要积累。
电器的指针张角变大。
表明锌板在紫外线照射下失去电子而带正电。
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一、光电效应现象
在光(包括不可见光)的照射下，从物 体发射电子的现象叫做光电效应。
发射出来的电子叫做光电子。
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二、光电效应的实验规律
光线经石英窗照在阴极 阳 A 上，便有电子逸出---- 极
光电子。
光电子在电场作用下
h 2、能量子：
普朗克常量 h6.6261034Js
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பைடு நூலகம்
10
e0(,T)
实验值
普朗克 1 2 3 54 6 8 实用文档 9 7
λ(μm11)
普朗克后来又为这种与经典物 理格格不入的观念深感不安，只是 在经过十多年的努力证明任何复归 于经典物理的企图都以失败而告终 之后，他才坚定地相信h的引入确实 反映了新理论的本质。1918年他荣 获诺贝尔物理学奖，他的墓碑上只 刻着他的姓名和
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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
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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
如电子m=9.110-31Kg，速 度v=5.0107m/s, 对应的德 布罗意波长为：
h 1.31025nm
mv
h 1.4102nm
mv
太小测不到！
实用文档 X射线波段
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三、物质波的实验验证
1912年德国物理学 家劳厄利用晶体中排 列规则的物质微粒作 为衍射光栅检验X射 线的波动性，证明X 射线就是波长为十分 之几纳米的电磁波。
实验事实 每种金属都存在截止 频率γc
EKm只与频率有关，而 与强度无关。 光电效应是瞬时效应。 饱和光电流与入射光 的强度成正比。
经典理论只能解释第4条规律。
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四、爱因斯坦的光子说
1、内容：光不仅在发射和吸收时能量是 一份一份的，而且频率为γ的光本身是由 大量能量为hγ的光（量）子组成的，这 些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。