波粒二象性PPT教学课件

“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有 两朵令人不安的乌云，----”
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
§17.2科学的转折： 光的粒子性
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）
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 电器的指针张角变大。
入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。 极
K阴 极
G V
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。
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。
h 6.6261034 焦 秒 M.Planck 德国人 1858－1947
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。
经典理论只能解释第4条规律。
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。
2.爱因斯坦光电效应方程
h Ek W0
W 电子逸出金属表面所需做功的最小值，称为逸出功； 0
E 1 m v2 为光电子的最大初动能。
§17.2崭新的一页： 粒子的波动性
E h 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？
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。
2、能量子： h
普朗克常量 h 6.626 1034 Js
e0(,T )
实验值
普朗克
1 2 3 4 5 6 7 8 9 λ(μm)
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
作出UC-γ图象。
EK eUC
h EK W0
UC
h
e
W0 e
UC
h
e
W0 e
求普朗克常数h
h 6.301034 JS
这种金属的截止频率γC C 4.27 1014 Hz
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
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
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。
放大器 控制机构
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
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。
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
表明锌板在紫外线照射下失去电子而带正电。
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。
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
形成光电流。
V
K阴
极
G
1、每种金属都存在截止频率（极限频率）γc ；
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 尔物理学奖
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。
UC/V
0.541 0.637 0.714 0.809 0.878
γ/1014HZ 5.644 5.888 6.098 6.303 6.501
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”。
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=hv P=h/λ
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。
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
§17.1能量量子化： 物理学的新纪元
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
800K
1000K
1200K
1400K
例如：铁块 温度 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色
X射线经晶体的衍射图
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
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 物理学奖。
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。
七、光子的能量和动量
E mc2 E h
m h （光子的动质量）
c2
P mc h • c h h
c2
c
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 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?
•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。
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
（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 材料的种类及表面状况无关。
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。
λ
0 1 2 3 4 5 6 (μm)
M 0 (T )
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
（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。
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。
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。
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=5.0102m/s飞行的子 弹，质量为m=10-2Kg，对应的 德布罗意波长为：
Eh
Hale Waihona Puke Baidu
＝h P
四、电子显微镜
阅读课本42 页科学漫步 回答问题。
§17.4概率波
一、经典的粒子和经典的波
1、经典物理学中粒子运动的基本特征： 任意时刻具有确定的位置和速度。
2、经典物理学中波的基本特征： 具有频率和波长也就是具有时空的周期性。
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，？
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
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 k
e
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。
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。
4.光电效应理论的验证
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 科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：
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。
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 子,散射光子的能量减少，于是散射光 的波长大于入射光的波长。
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，
h 1.3 1025 nm
mv
太小测不到！
如电子m=9.110-31Kg，速 度v=5.0107m/s, 对应的德 布罗意波长为：
h 1.4 102 nm
mv
X射线波段
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。