高二物理競賽物質(zhì)的波粒二象性課件

第三章

量子力學(xué)初步玻爾理論—經(jīng)典理論框架—電子—質(zhì)點—軌道運動—量子化條件—不自洽玻爾理論的困難，迫使新一代物理學(xué)家努力尋找更完整、更準確、應(yīng)用面更為廣泛的原子理論。一門描述原子的嶄新理論——量子力學(xué)在1925-1928年誕生了！一、光的波粒二象性1.黑體輻射

普朗克能量子假定實驗表明：一切物體都以電磁波的形式向外輻射能量。輻射能力越強的物體，吸收能力也越強黑體：能完全吸收各種波長電磁波而無反射維恩設(shè)計的黑體3.1

物質(zhì)的波粒二象性輻射在腔內(nèi)來回反射，單位內(nèi)側(cè)表面上吸收和輻射達到平衡，腔壁溫度不變，形成一個穩(wěn)定的輻射場一、光的波粒二象性1.黑體輻射普朗克能量子假定單色輻出度/輻射本領(lǐng)

M

—

輻射能量按波長的分布dM

(

,T

)

dW

(

,T

)單位時間、單位表面積上向一側(cè)輻射出的，ν附近單位頻率間隔中的能量。3.1

物質(zhì)的波粒二象性輻射能量密度ρν

—

頻率v附近單位頻率間隔內(nèi)的能量密度輻射本領(lǐng)

M

與輻射能量密度的關(guān)系汪志誠，熱力學(xué).統(tǒng)計物理，2.6節(jié)，P90紫外災(zāi)難M維恩線瑞利－金斯線“紫外災(zāi)難（發(fā)散）”

m實驗曲線Tm

b

3e

/

T1899年，瑞利－金斯公式（經(jīng)典電動力學(xué)）1859年，Kirchhoff證明絕對黑體熱輻射達到平衡后，輻射能量密度隨頻率的變化只與黑體的絕對溫度T有關(guān)，與空腔的形狀及組成物無關(guān)。1893年，維恩——位移率：輻射能量密度最大值所對應(yīng)的的頻率νm與黑體的絕對溫度T成正比kTc328

紫外災(zāi)難M瑞利－金斯線1900年，DPG會議，普朗克公式（猜、湊）在全波段與實驗結(jié)果符合！維恩線

m普朗克線實驗曲線h=6.6260755×10-34

J·s21c3 eh

/

kT

h

8

E

=nh

n＝0,1,2,3，…

1n

0kTkTeh

/

kThnhnh

exp

(-

)n

0)

nh

exp

(-

用玻耳茲曼分布律計算的能量平均值為振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量普朗克假說不僅圓滿地解釋了絕對黑體的輻射問題，還解釋了固體的比熱問題等等。它成為近代理論的重要組成部分。0截止頻率（紅限）

僅當(dāng)

0

才發(fā)生光電效應(yīng)，截止頻率與材料有關(guān)與光強無關(guān)幾種純金屬的截止頻率金屬銫鈉鋅銥鉑截止頻率

/1014

Hz04.5455.508.06511.5319.292.光電效應(yīng)實驗裝置光照射至金屬表面, 電子從金屬表面逸出,

稱其為光電子實驗規(guī)律Im1im2ioU0

2

I1

I2

I1Um電流飽和值

i瞬時性遏止電壓

U0eU0

Ekmax遏止電勢差與入射光頻率具有線性關(guān)系

i當(dāng)光照射到金屬表面上時，幾乎立即就有光電子逸出i

I（光強）mU00CsK Cu遏止電壓

U0

與光強無關(guān)（3）經(jīng)典理論遇到的困難紅限問題按經(jīng)典理論,無論何種頻率的入射光,只要其強度足夠大，就能使電子具有足夠的能量逸出金屬,決定電子能量的是光強，而不是光的頻率。與實驗結(jié)果不符！瞬時性問題按經(jīng)典理論，電子逸出金屬所需的能量，需要有一定的時間來積累，一直積累到足以使電子逸出金屬表面為止。與實驗結(jié)果不符！2.光電效應(yīng)2m1

mv2

h

A—愛因斯坦光電效應(yīng)方程2.光電效應(yīng)紅限問題瞬時性問題1905年，愛因斯坦提出“光量子”假設(shè)光子的能量為

hA是金屬中電子的結(jié)合能（逸出功）粒子性

h

=c

2= c2ε h光子的能量：光子的質(zhì)量：光子的動量：m

p

=

h

=

h c 波粒二象性光既具有波動性,

又具有粒子本性，是波粒二象性的.

光子的能量、動量與光波的頻率、波長有關(guān)：p

h

h3.光的波粒二象性*愛因斯坦的光子理論二、實物粒子的波粒二象性德布羅意物質(zhì)波假設(shè)微觀粒子和光子一樣，在一定的條件下顯示出波動性。具有一定能量

E

和一定動量

p

的自由粒子，相當(dāng)于具有一定頻率

和一定波長

的平面波，二者之間的關(guān)系為：E

p

h

n

k式中，

2

角頻率；n傳播方向上的單位矢量k

2

2n

波矢量；

h

1.054588

1034

J

sp mvh h實物粒子的德布羅意波長：

例：計算電子經(jīng)過U1=100V和U2=10000V電壓加速后的德布羅意波長λ1和λ2各是多少？電子動能1mv2

eU2m2e

Uv

h

hp mvnmh 1

1.2252em U U1

0.123nm2

0.0123nm考慮相對論效應(yīng)E

E0

EK0E2

p2c2

m2c40peU (2m

c2

eU

)

/

c2

h

h EK

eU0 0E

m

c2

0.0127

nm飛行的子彈m=10-2Kg，速度v=5.0