高中物理新課標(biāo)人教選修波粒二象性PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1高中物理新課標(biāo)人教選修波粒二象性高中物理新課標(biāo)人教選修波粒二象性第1頁/共71頁17世紀(jì)明確形成了兩大對(duì)立學(xué)說牛牛頓頓惠更惠更斯斯微粒說波動(dòng)說19世紀(jì)初證明了波動(dòng)說的正確性由于波動(dòng)說沒有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得微粒說一直占上風(fēng)19世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得愛因斯坦在20世紀(jì)初提出了光子說：光具有粒子性對(duì)光學(xué)的研究從很早就開始了 第2頁/共71頁能量量子化；物理學(xué)的新紀(jì)元能量量子化；物理學(xué)的新紀(jì)元1、黑體與黑體輻射、黑體與黑體輻射熱輻射熱輻射 固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受波長的電磁波，這種由于物體中的分子

2、、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射熱輻射。所輻射。所輻射電磁波的特征與電磁波的特征與溫度溫度有關(guān)。有關(guān)。固體在溫度升高時(shí)顏色的變固體在溫度升高時(shí)顏色的變化化1400K800K1000K1200K第3頁/共71頁 能全部吸收各種波長的輻射能而不發(fā)生反能全部吸收各種波長的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為射，折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體。簡稱黑。簡稱黑體體 不透明的材料制成帶小孔的的空腔不透明的材料制成帶小孔的的空腔, ,可近似看可近似看作作黑體黑體。黑體模型黑體模型 研究黑體輻射的研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基體熱

3、輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。礎(chǔ)。2. 2. 黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律第4頁/共71頁實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置T平行光管平行光管三棱鏡三棱鏡T第5頁/共71頁0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K),(0Te 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果第6頁/共71頁o實(shí)驗(yàn)值/m)(0TM維恩線維恩線瑞利瑞利-金斯線金斯線紫紫外外災(zāi)災(zāi)難難普普朗朗克克線線12345678第7頁/共71頁3.3.能量子能量子 超越牛頓的發(fā)現(xiàn)超越牛頓的發(fā)現(xiàn)=h輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能

4、處于某些分立的狀態(tài)，在這些些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量小能量（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：, 1 , 2 , 3 , . n . n為正整數(shù)，稱為為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。量子數(shù)。能量能量量子量子經(jīng)典經(jīng)典h=6.626*10-34J.s第8頁/共71頁(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值),(0Te 第9頁/共71頁第10頁/共71頁第1課時(shí)光電效應(yīng) 光子第11頁/共71頁問題問題1

5、：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過程？過程？第12頁/共71頁用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電 器張角增大到約為 30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會(huì)變大。一、光電效應(yīng)現(xiàn)象一、光電效應(yīng)現(xiàn)象表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電第13頁/共71頁在光(包括不可見光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。發(fā)射出來的電子叫做光電子第14頁/共71頁1.1.什么是光電效應(yīng)什么是光電效應(yīng) 當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電

6、效中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。第15頁/共71頁AKGV陽陽極極陰陰極極W石英窗石英窗 光線經(jīng)石英窗照在陰極上，光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出便有電子逸出-光電子光電子。光電子在電場作用下形成光電流光電子在電場作用下形成光電流。2.2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1. 1. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)第16頁/共71頁AKGV陽陽極極陰陰極極 將換向開關(guān)反接，電場反向?qū)Q向開關(guān)反接，電場反向，則光電子離開陰極后將受反向，則光電子離開陰極后將受反向電場阻礙作用。電場阻礙作用。 當(dāng)當(dāng) K K、A A 間加反向電壓，光間加反向電壓，光電

7、子克服電場力作功，當(dāng)電壓達(dá)電子克服電場力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值到某一值 U Uc c 時(shí)，光電流恰為時(shí)，光電流恰為0 0。 U Uc c稱稱遏止電壓遏止電壓。221cevmceU遏止電壓遏止電壓第17頁/共71頁IUcOU光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 弱弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏遏止止電電壓壓 一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律AKGV陽陽極極陰陰極極第18頁/共71頁IIsUaOU光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 強(qiáng)強(qiáng)光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 弱弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏遏止止電電壓壓飽飽和和電電流流 一、光電效應(yīng)的實(shí)

8、驗(yàn)規(guī)律一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律AKGV陽陽極極陰陰極極第19頁/共71頁AGVK陽陽極極陰陰極極W石石英英窗窗2. 2. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律. .光電流與光強(qiáng)的關(guān)系光電流與光強(qiáng)的關(guān)系飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。. .截止頻率截止頻率c -極限頻率極限頻率對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率率c 。 當(dāng)入射光頻率當(dāng)入射光頻率 c 時(shí)，電子才能逸出金屬表面時(shí)，電子才能逸出金屬表面；當(dāng)入射光頻率當(dāng)入射光頻率 c時(shí)，無論光強(qiáng)多大也無電子逸出金屬表面。時(shí)，無論光強(qiáng)多大也無電子逸出金屬表面。光電效應(yīng)是瞬時(shí)

9、的。從光開始照射到光電逸出所需時(shí)間光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開始照射到光電逸出所需時(shí)間 10-9s。第20頁/共71頁經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 經(jīng)典認(rèn)為，經(jīng)典認(rèn)為，按照經(jīng)典電磁理論，入按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強(qiáng)越大，光波的電場強(qiáng)度的射光的光強(qiáng)越大，光波的電場強(qiáng)度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，力也就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)光電子逸出的能量也應(yīng)該越大。也就是說，光電子的能量應(yīng)該越大。也就是說，光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什與

10、入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率么截止頻率。第21頁/共71頁 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時(shí)限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時(shí)，無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。，無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。 光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過程。上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過程。 為了

11、解釋光電效應(yīng)，為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)。，提出了光量子假設(shè)。第22頁/共71頁3.3.愛因斯坦的光量子假設(shè)愛因斯坦的光量子假設(shè)1.1.內(nèi)容內(nèi)容 光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說，空間傳播時(shí)也是如此。也就是說，頻率為頻率為 的的光是由大量能量為光是由大量能量為 =h 光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運(yùn)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)。0WEhk 在光電效應(yīng)中金屬中的電

12、子吸收了光子的能量，一部分消耗在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功在電子逸出功A，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能 Ek 。由能量。由能量守恒可得出：守恒可得出：2.2.愛因斯坦光電效應(yīng)方程愛因斯坦光電效應(yīng)方程為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功；為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功； 221vmEek0W為光電子的最大初動(dòng)能。為光電子的最大初動(dòng)能。第23頁/共71頁 3. 3. 從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系光的頻率成線性關(guān)系 4.4.從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，從光電

13、效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得極極限頻率：可得極極限頻率： 愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋：愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋： 1. 1. 光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。多，所以光電流也大。 2. 2. 電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。 第24頁/共71頁由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律, ,榮獲榮獲19211921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效

14、應(yīng)，但當(dāng)時(shí)愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。波動(dòng)理論。4.4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證 美國物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了美國物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效光電效應(yīng)應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦方程，年證實(shí)了愛因斯坦方程，h 的的值與理論值完全一致，又一次證明了值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子光量子”理論理論的正確。的正確。第25頁/共71頁愛因斯坦由于愛因斯坦由于對(duì)對(duì)光電效光電效應(yīng)應(yīng)的理論解釋和對(duì)的理論解釋和對(duì)理論理論物理學(xué)物理學(xué)

15、的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn)獲得獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于密立根由于研究基本電荷研究基本電荷和和光電效應(yīng)光電效應(yīng)，特別是通過，特別是通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。荷有最小單位。獲得獲得19231923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第26頁/共71頁放大器放大器控制機(jī)控制機(jī)構(gòu)構(gòu) 可以用于自動(dòng)控可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。4.4.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用1.1.光控繼電器光控繼電器K1K2K3K4K5KA可對(duì)微弱光線進(jìn)行可對(duì)微弱光線進(jìn)行放大，可使光電流放大，可使光電

16、流放大放大105 108 倍，靈倍，靈敏度高，用在工程敏度高，用在工程、天文、科研、軍、天文、科研、軍事等方面。事等方面。2.2.光電倍增管光電倍增管第27頁/共71頁光電源電流計(jì)IAK第28頁/共71頁第2課時(shí)康普頓效應(yīng)第29頁/共71頁1.光的散射光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做光的散射光的散射2.2.康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 19231923年康普頓在做年康普頓在做 X 射線通過物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)射線通過物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射現(xiàn)散射線中除有與入

17、射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角有關(guān)，而與有關(guān)，而與入射線波長入射線波長 和散射物質(zhì)都無關(guān)和散射物質(zhì)都無關(guān)。第30頁/共71頁一一. .康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：晶體晶體 光闌光闌X 射線管射線管探探測測器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質(zhì)散射物質(zhì))j 0散射波長散射波長 第31頁/共71頁康普頓正在測晶體康普頓正在測晶體對(duì)對(duì)X 射線的散射射線的散射 按經(jīng)典電磁理論：按經(jīng)典電磁理論： 如果入射如果入射X光是某光是某 種波長的電磁波，種波長的電磁波， 散射光的波長是散射光的波

18、長是 不會(huì)改變的！不會(huì)改變的！第32頁/共71頁康普頓散射曲線的特點(diǎn)：康普頓散射曲線的特點(diǎn)： 1.除原波長除原波長 0外出現(xiàn)了移向外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長長波方向的新的散射波長 。 2.新波長新波長 隨散射角的增大隨散射角的增大而增大。而增大。 散射中出現(xiàn)散射中出現(xiàn) 0 的現(xiàn)象，稱的現(xiàn)象，稱為為康普頓散射。康普頓散射。波長的偏移為波長的偏移為0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波長波長. 0 第33頁/共71頁光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋 康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的康普頓效應(yīng)是光

19、子和電子作彈性碰撞的子能量幾乎不變，波長不變。子能量幾乎不變，波長不變。小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光碰撞前后光光子將與整個(gè)原子交換能量光子將與整個(gè)原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)2. 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，是散射光的波長大于入射光的波長。是散射光的波長大于入射光的波長。 部分能量傳給電子部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于散射光子的能量減少，于1. 若光子和外層電子相碰撞，光子有一若光子和外層電子相碰撞，光子有一結(jié)果，具體解釋如下：結(jié)果，具體解釋如下： 第34頁/共71頁3. 因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能

20、量和碰撞的角度因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋第35頁/共71頁三三. .康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義（1 1）有力地支持了愛因斯坦）有力地支持了愛因斯坦“光量子光量子”假設(shè)；假設(shè)； （2 2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量光子具有動(dòng)量” 的假設(shè)；的假設(shè)；（3 3）證實(shí)了）證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中， 動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的康普頓的

21、成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來了某種熒光輻射混進(jìn)來了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒。考慮能量守恒，后來才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒?？灯疹D于康普頓于19271927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。第36頁/共71頁康康普普頓頓效效應(yīng)應(yīng)康康普普頓頓效效應(yīng)應(yīng)康普頓康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1892-1962)美國物理學(xué)家美國物理學(xué)家1927第37頁/共71頁19251926年，吳有訓(xùn)用銀的年，吳有訓(xùn)用銀的X射線射線( 0 =

22、5.62nm) 為入射線為入射線, 以以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，四、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)四、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。重要貢獻(xiàn)。在同一散射角在同一散射角( )測量測量各種波長的散射光強(qiáng)度，作各種波長的散射光強(qiáng)度，作了大量了大量 X 射線散射實(shí)驗(yàn)。射線散射實(shí)驗(yàn)。0120 j j（1897-19771897-1977） 吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)第38頁/共71頁光子的能量和動(dòng)量光子的能量和動(dòng)量2mcE hchcchmcP2hE 2chm

23、第39頁/共71頁hE hP動(dòng)量能量是描述粒子的動(dòng)量能量是描述粒子的,頻率和波長則是用來描述波的頻率和波長則是用來描述波的第40頁/共71頁第41頁/共71頁1、德布羅意波（物質(zhì)波）、德布羅意波（物質(zhì)波） De . Broglie 1923年發(fā)表了題為年發(fā)表了題為“波和粒子波和粒子”的的論文，提出了物質(zhì)波的概念。論文，提出了物質(zhì)波的概念。 他認(rèn)為，他認(rèn)為，“整個(gè)世紀(jì)以來（指整個(gè)世紀(jì)以來（指19世紀(jì)）在光學(xué)中世紀(jì)）在光學(xué)中比起波動(dòng)的研究方法來，如果說是過于忽視了粒子的比起波動(dòng)的研究方法來，如果說是過于忽視了粒子的研究方法的話，那末在實(shí)物的理論中，是否發(fā)生了相研究方法的話，那末在實(shí)物的理論中，是否

24、發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過分忽略了波的圖象呢過分忽略了波的圖象呢” 第42頁/共71頁德布羅意德布羅意 (due de Broglie, 1892-1960) 德布羅意原來學(xué)習(xí)歷史，后來改學(xué)德布羅意原來學(xué)習(xí)歷史，后來改學(xué)理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用對(duì)比的方法分析問題。對(duì)比的方法分析問題。 1923年，德布羅意試圖把粒子性和年，德布羅意試圖把粒子性和波動(dòng)性統(tǒng)一起來。波動(dòng)性統(tǒng)一起來。1924年，在博士論文年，在博士論文關(guān)于量子理論的研究關(guān)于量子理論的研究中提出德布羅中提出德布羅意波意

25、波,同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。驗(yàn)的想法。 愛因斯坦覺察到德布羅意物質(zhì)波思愛因斯坦覺察到德布羅意物質(zhì)波思想的重大意義，譽(yù)之為想的重大意義，譽(yù)之為“揭開一幅大幕揭開一幅大幕的一角的一角”。法國物理學(xué)家，法國物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠始人，量子力學(xué)的奠基人之一?；酥?。第43頁/共71頁 能量為能量為E、動(dòng)量為、動(dòng)量為p的粒子與頻率為的粒子與頻率為v、波長為、波長為 的波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系：的波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系：E=mc2=hv hmvp 這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波

26、稱為德布羅意波這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(物物質(zhì)波或概率波質(zhì)波或概率波),其波長其波長 稱為德布羅意波長。稱為德布羅意波長。第44頁/共71頁一切實(shí)物粒子都有波動(dòng)性一切實(shí)物粒子都有波動(dòng)性 后來，大量實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了：質(zhì)子、中子和原子、分子等實(shí)物微觀粒子都具有波動(dòng)性，并都滿足德布洛意關(guān)系。一顆子彈、一個(gè)足球有沒有波動(dòng)性呢？ 質(zhì)量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子彈的德布洛意波長為 計(jì)算結(jié)果表明，子彈的波長小到實(shí)驗(yàn)難以測量的程度。所以，宏觀物體只表現(xiàn)出粒子性。第45頁/共71頁由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運(yùn)動(dòng)著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念

27、：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與它對(duì)應(yīng)，該波的波長= 。 ph/【例1】試估算一個(gè)中學(xué)生在跑百米時(shí)的德布羅意波的波長。 解：估計(jì)一個(gè)中學(xué)生的質(zhì)量m50kg ，百米跑時(shí)速度v7m/s ，則由計(jì)算結(jié)果看出，宏觀物體的物質(zhì)波波長非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動(dòng)性。mmph3634109 . 17501063. 6第46頁/共71頁 例題例題2 (1)電電子動(dòng)能子動(dòng)能Ek=100eV；(2)子彈動(dòng)量子彈動(dòng)量p=6.63106kg.m.s-1, 求德布羅意波長。求德布羅意波長。 解解 (1)因因電電子動(dòng)能較小，速度較小，可用非相對(duì)論公式求解。子動(dòng)能較小，速度較小，可用非相對(duì)論公式求解。2410452 .m

28、Empk61093. 5phmh =1.23(2)子彈子彈:ph h= 6.6310-34= 1.010-40m 可見，只有微觀粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀粒子可見，只有微觀粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀粒子(如子彈如子彈)的的波動(dòng)性根本測不出來。波動(dòng)性根本測不出來。,22122mpmEk 第47頁/共71頁 一個(gè)質(zhì)量為一個(gè)質(zhì)量為m的實(shí)物粒子以速率的實(shí)物粒子以速率v 運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能量量E和動(dòng)量和動(dòng)量P所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率 和波長和波長 所描述的波動(dòng)性所描述的波動(dòng)性。hEPh德布羅意關(guān)系德布羅意關(guān)系如速度如速度v=5.0 102m/s飛

29、行的子飛行的子彈，質(zhì)量為彈，質(zhì)量為m=10-2Kg，對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)的德布羅意波長為：的德布羅意波長為：nmmvh25103 . 1 如電子如電子m=9.1 10-31Kg，速，速度度v=5.0 107m/s, 對(duì)應(yīng)的德對(duì)應(yīng)的德布羅意波長為：布羅意波長為：nmmvh2104 .1 太小測不到！太小測不到！X射線射線波段波段第48頁/共71頁2、戴維遜革末實(shí)驗(yàn)、戴維遜革末實(shí)驗(yàn) 1927年，年，Davisson和和Germer 進(jìn)行了電子衍射實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行了電子衍射實(shí)驗(yàn)。 （該實(shí)驗(yàn)榮獲（該實(shí)驗(yàn)榮獲19371937年年Nobel Nobel 物理學(xué)獎(jiǎng)）物理學(xué)獎(jiǎng)）戴維遜戴維遜-革末實(shí)驗(yàn)革末實(shí)驗(yàn)電子衍射實(shí)驗(yàn)電子衍射

30、實(shí)驗(yàn) 電子束垂直入電子束垂直入射到鎳單晶的水平射到鎳單晶的水平面上，在面上，在 散射方向上探測到散射方向上探測到一個(gè)強(qiáng)度極大。一個(gè)強(qiáng)度極大。 （可用晶體對(duì)（可用晶體對(duì)X射線射線的衍射方法來分析的衍射方法來分析） 50第49頁/共71頁vL.V.L.V.德布羅意德布羅意 v電子波動(dòng)性的理電子波動(dòng)性的理論研究論研究1929諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第50頁/共71頁vC.J.戴維孫戴維孫 v通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)電子的衍射體對(duì)電子的衍射作用作用1937諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第51頁/共71頁第52頁/共71頁第53頁/共71頁第54頁/共71頁X射線經(jīng)晶體的衍射圖射線經(jīng)晶體的衍射

31、圖電子射線經(jīng)晶體的衍射圖電子射線經(jīng)晶體的衍射圖第55頁/共71頁類似的實(shí)驗(yàn)： 19271927年，年，湯姆遜電子衍射實(shí)驗(yàn)湯姆遜電子衍射實(shí)驗(yàn) 19601960年，年，C.JonsonC.Jonson的的電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 后來的實(shí)驗(yàn)證明原子、分子、中子等微觀粒子也后來的實(shí)驗(yàn)證明原子、分子、中子等微觀粒子也具有波動(dòng)性。具有波動(dòng)性。 德布羅意公式成為揭示微觀粒子波粒二象性的統(tǒng)德布羅意公式成為揭示微觀粒子波粒二象性的統(tǒng)一性的基本公式，一性的基本公式，1929年，年，De Broglie因發(fā)現(xiàn)因發(fā)現(xiàn)電子波電子波而而榮獲榮獲Nobel 物理學(xué)獎(jiǎng)。物理學(xué)獎(jiǎng)。第56頁/共71頁電子顯微鏡電子顯微

32、鏡第57頁/共71頁第58頁/共71頁第59頁/共71頁第60頁/共71頁 玻 恩玻 恩 ( M . B o r n . 1882-1970)德國物理德國物理 學(xué)學(xué)家。家。1926年提出波函數(shù)年提出波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)意義。為此與博的統(tǒng)計(jì)意義。為此與博波波(W.W.G Bothe. 1891-1957)共享共享1954年諾貝爾年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。物理學(xué)獎(jiǎng)。玻 恩M. Born.第61頁/共71頁 一、德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋一、德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋 1926年，德國物理學(xué)玻恩年，德國物理學(xué)玻恩 (Born , 1882-1972) 提出了概率波，認(rèn)為提出了概率波，認(rèn)為個(gè)別微觀粒子個(gè)別微觀粒子在何處出現(xiàn)有在何

33、處出現(xiàn)有一定的一定的偶然性偶然性，但是，但是大量粒子大量粒子在空間何處出現(xiàn)的在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從空間分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。第62頁/共71頁 二二. .經(jīng)典波動(dòng)與德布羅意波經(jīng)典波動(dòng)與德布羅意波( (物質(zhì)波物質(zhì)波) )的區(qū)別的區(qū)別 經(jīng)典的波動(dòng)經(jīng)典的波動(dòng)(如機(jī)械波、電磁波等如機(jī)械波、電磁波等)是可以測出是可以測出的、實(shí)際存在于空間的一種波動(dòng)。的、實(shí)際存在于空間的一種波動(dòng)。 而德布羅意波而德布羅意波(物質(zhì)波物質(zhì)波)是一種概率波。簡單的是一種概率波。簡單的說，是為了描述微觀粒子的波動(dòng)性而引入的一種說，是為了描述微觀粒子的波動(dòng)性而引入的一種方法。方法。第63頁/共71頁 經(jīng)典

34、力學(xué)：經(jīng)典力學(xué)：運(yùn)動(dòng)物體有完全確定的位置、動(dòng)量、能量等運(yùn)動(dòng)物體有完全確定的位置、動(dòng)量、能量等。 微觀粒子：微觀粒子：位置、動(dòng)量等具有不確定量（概率）。位置、動(dòng)量等具有不確定量（概率）。、電子衍射中的不確定度、電子衍射中的不確定度 一束電子以速度一束電子以速度 v 沿沿 oy 軸射向狹縫。軸射向狹縫。 電子在中央主極大區(qū)電子在中央主極大區(qū)域出現(xiàn)的幾率最大。域出現(xiàn)的幾率最大。aoxy第64頁/共71頁 同一時(shí)刻，由于衍射效應(yīng)，粒子的速度方向有了同一時(shí)刻，由于衍射效應(yīng)，粒子的速度方向有了改變，縫越小，動(dòng)量的分量改變，縫越小，動(dòng)量的分量 Px變化越大。變化越大。p1 aoxy4hpxx分析計(jì)算可得分析

35、計(jì)算可得:第65頁/共71頁 我們知道，原子核的數(shù)量級(jí)為10-15m，所以，子彈位置的不確定范圍是微不足道的?？梢娮訌椀膭?dòng)量和位置都能精確地確定，不確定關(guān)系對(duì)宏觀物體來說沒有實(shí)際意義。 11smkg0 . 2smkg20001. 0 mvp1414smkg100 . 2smkg2100 . 1%01. 0pp例例1.1.一顆質(zhì)量為一顆質(zhì)量為1010g g 的子彈，具有的子彈，具有200m200ms s-1-1的速率，的速率，若其動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的若其動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的0. 01%(0. 01%(這在宏觀范圍這在宏觀范圍是十分精確的了是十分精確的了) )，則該子彈位置的不確定量范圍為多，則該子彈位置的不確定量范圍為多大大? ?解: 子彈的動(dòng)量動(dòng)量的不確定范圍由不確定關(guān)系式(17-17)，得子彈位置的不確定范圍mmphx31434106.2100.214.341063.64第66頁/共71頁 宏觀物體宏觀物體 微觀粒子微觀粒子具有確定的坐標(biāo)和