15波粒二象性01

1、第十五章量子物理 相對(duì)論相對(duì)論 1905 狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論; 1916 廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論. 量子力學(xué)量子力學(xué) 舊量子論的形成：舊量子論的形成： 1900 planck 振子能量量子化振子能量量子化 1905 einstein 電磁輻射能量量子化電磁輻射能量量子化 1913 n.bohr 原子能量量子化原子能量量子化 近代物理（近代物理（20世紀(jì)）包括：世紀(jì)）包括： mm實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) 相對(duì)論相對(duì)論 黑體輻射黑體輻射 量子論量子論 1925 heisenberg 矩陣力學(xué)矩陣力學(xué) 量子力學(xué)的建立：量子力學(xué)的建立：量子力學(xué)量子力學(xué) 原子、分子、原子核、固體原子、分子、原子核、固體量子電動(dòng)力學(xué)（量

2、子電動(dòng)力學(xué)（qed） 電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)量子場(chǎng)論量子場(chǎng)論 原子核和粒子原子核和粒子 量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展：量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展：1924 de broglie 電子具有波動(dòng)性電子具有波動(dòng)性1928 dirac 相對(duì)論波動(dòng)方程相對(duì)論波動(dòng)方程1927 davisson， g.p.thomson 電子衍射實(shí)驗(yàn)電子衍射實(shí)驗(yàn)1926 schroedinger 波動(dòng)方程波動(dòng)方程 從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過(guò)渡時(shí)期的三個(gè)重大問(wèn)題的提出從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過(guò)渡時(shí)期的三個(gè)重大問(wèn)題的提出 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)?？灯疹D效應(yīng)。 黑體輻射問(wèn)題，即所謂黑體輻射問(wèn)題，即所謂“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”。 原子的穩(wěn)定性和大小。原子的

3、穩(wěn)定性和大小。15-1-1黑體輻射黑體輻射（black-body radiation） 一一. . 熱輻射及其特點(diǎn)熱輻射及其特點(diǎn)溫度不同時(shí)溫度不同時(shí), ,輻射的波長(zhǎng)（或頻率）也不同，輻射的波長(zhǎng)（或頻率）也不同，1. . 熱輻射熱輻射15-1 15-1 黑體輻射和普朗克能量子假設(shè)黑體輻射和普朗克能量子假設(shè) 熱輻射：熱輻射：物體內(nèi)的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射物體內(nèi)的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁輻射的現(xiàn)象。電磁輻射的現(xiàn)象。 任何物體（氣、液、固）在任何溫度下，都會(huì)有熱輻射任何物體（氣、液、固）在任何溫度下，都會(huì)有熱輻射極高溫物體發(fā)出的是極高溫物體發(fā)出的是紫外光。紫外光。熾熱物體發(fā)出的是熾熱物體發(fā)出

4、的是可見(jiàn)光，可見(jiàn)光，低溫物體發(fā)出的是低溫物體發(fā)出的是紅外光，紅外光， 溫度溫度 短波長(zhǎng)的電磁波的比例短波長(zhǎng)的電磁波的比例 。紅外照相機(jī)拍攝的人的頭部的紅外照相機(jī)拍攝的人的頭部的熱圖熱圖 熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色2. . 描述熱輻射的基本物理量描述熱輻射的基本物理量1)1)單色輻出度單色輻出度2)（總）輻出度（總發(fā)射本領(lǐng)）（總）輻出度（總發(fā)射本領(lǐng)）m(t)（radiant exitance）單位：?jiǎn)挝唬簑/m-2m: 從物體表面單位面積上輻射出的波長(zhǎng)介于從物體表面單位面積上輻射出的波長(zhǎng)介于 與與 之間的輻射功率之間的輻射功率 與與 的比值。的比值。 d md

5、d d,d,tmtm 3mw d,0 tmtm這種這種溫度不變溫度不變的熱輻射稱之為的熱輻射稱之為平衡熱輻射。平衡熱輻射。3. 平衡熱輻射平衡熱輻射加熱一物體，若物體所吸收的能量等于在同一時(shí)加熱一物體，若物體所吸收的能量等于在同一時(shí)間內(nèi)輻射的能量，間內(nèi)輻射的能量，則物體的溫度恒定。則物體的溫度恒定。)()(dd)(入入射射吸吸收收 eeta 光譜吸收比（率）光譜吸收比（率）a (t)同一溫度下同一溫度下 與材料種類無(wú)關(guān)與材料種類無(wú)關(guān))( am二二. .黑體黑體（black body） 1. 黑體：黑體：黑體是理想化模型，黑體是理想化模型，能能完全完全吸收吸收照射到它上面的照射到它上面的各種頻率

6、的光各種頻率的光的物體的物體即使是煤黑，對(duì)太陽(yáng)光的即使是煤黑，對(duì)太陽(yáng)光的a也小于也小于 99%。即即 的物體。的物體。1)( a描述物體的吸收能力描述物體的吸收能力維恩設(shè)計(jì)的黑體維恩設(shè)計(jì)的黑體 小孔空腔小孔空腔u維恩公式維恩公式2.黑體的黑體的m 關(guān)系曲線關(guān)系曲線 維恩公式在高頻段與實(shí)驗(yàn)曲線符合得很好，維恩公式在高頻段與實(shí)驗(yàn)曲線符合得很好，但在但在低頻段明顯偏離實(shí)驗(yàn)曲線。低頻段明顯偏離實(shí)驗(yàn)曲線。u瑞利瑞利 金斯公式金斯公式，時(shí)，時(shí)， 0m“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”！該公式在低頻段與實(shí)驗(yàn)曲線符合得很好。該公式在低頻段與實(shí)驗(yàn)曲線符合得很好。5102),( tcectm 402),( ktctm 由經(jīng)典理

7、論導(dǎo)出的由經(jīng)典理論導(dǎo)出的 m0 (t) 公式都與公式都與實(shí)驗(yàn)曲線不完全符合！實(shí)驗(yàn)曲線不完全符合！ “ 物理學(xué)晴朗物理學(xué)晴朗 天空中的一朵天空中的一朵 烏云烏云!”這正所謂是這正所謂是 /1014hzm0 (10 - 9 w/(m2 hz)0維恩公式維恩公式瑞利瑞利 金斯公式金斯公式u普朗克的能量子假說(shuō)和黑體輻射公式普朗克的能量子假說(shuō)和黑體輻射公式 很大時(shí)很大時(shí) 很小時(shí)很小時(shí)普朗克公式普朗克公式（planck formula）他提出：金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可他提出：金屬空腔壁中電子的振動(dòng)可 視為一維諧振子，諧振子可視為一維諧振子，諧振子可 能具有的能量是能具有的能量是量子化量子化的。的。 輻射的

8、振子模型輻射的振子模型即輻射即輻射“能量子能量子”的能量的能量 e=nh ，n =1,2,3，sj106260755. 6 34 h普朗克常量 112,520 kthcehctm n 稱為稱為量子數(shù)量子數(shù) h稱為稱為能量子能量子 m0 (10 -8 w/(m2 hz) /1014hz1）維恩位移定律）維恩位移定律3. 黑體輻射定律黑體輻射定律（wien displacement law）2）斯特藩）斯特藩 玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律4)(ttm 斯特藩斯特藩 玻耳茲曼常量玻耳茲曼常量428kw/m1067. 5 對(duì)普公式求導(dǎo)對(duì)普公式求導(dǎo)對(duì)普公式積分對(duì)普公式積分btm km10517685897.

9、 23 b光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：光照射到金屬表面光照射到金屬表面時(shí)，電子會(huì)從金屬表面逸出時(shí)，電子會(huì)從金屬表面逸出光電效應(yīng)中光電效應(yīng)中產(chǎn)生的電產(chǎn)生的電子稱為子稱為“光電子光電子”。15-2 15-2 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 愛(ài)因斯坦光量子理論愛(ài)因斯坦光量子理論 15-2-1 15-2-1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 回路中形成電流稱為回路中形成電流稱為光光電流。電流。 一一. .光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果： 1. 存在存在截止頻率截止頻率（又稱（又稱紅限紅限）0 當(dāng)入射光的頻率當(dāng)入射光的頻率 大于截止頻率大于截止頻率 時(shí)，才能時(shí)，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)；反之，無(wú)論入射光的強(qiáng)度多大，都產(chǎn)生光電效應(yīng)；反之，無(wú)論

10、入射光的強(qiáng)度多大，都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。不同材料的截止頻率不同。不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。不同材料的截止頻率不同。 02. 在入射光頻率不變時(shí)，飽和光在入射光頻率不變時(shí)，飽和光電流隨入射光強(qiáng)度電流隨入射光強(qiáng)度 i 增加而增大；增加而增大；在在 一定時(shí)，一定時(shí)，。 iim 達(dá)到達(dá)到 im說(shuō)明：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從陰極說(shuō)明：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從陰極逸出的光電子全部被陽(yáng)極吸收逸出的光電子全部被陽(yáng)極吸收單位時(shí)間內(nèi)從陰極逸出的光電子數(shù)和光強(qiáng)成正比單位時(shí)間內(nèi)從陰極逸出的光電子數(shù)和光強(qiáng)成正比ivov入射光較弱入射光較弱入射光較強(qiáng)入射光較強(qiáng)im3. 遏止電壓與入射光強(qiáng)度遏止電壓與入射光強(qiáng)度i無(wú)關(guān)，無(wú)關(guān)，但與入射光的頻率成正比。但與入射

11、光的頻率成正比。 ov銫鉀04. 光電效應(yīng)具有瞬時(shí)響應(yīng)特性光電效應(yīng)具有瞬時(shí)響應(yīng)特性( t w 時(shí)才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，時(shí)才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，0wh 不發(fā)生光電效應(yīng)，不發(fā)生光電效應(yīng)，所以存在紅限頻率所以存在紅限頻率當(dāng)當(dāng) w/h時(shí)，時(shí)，在確定的光強(qiáng)下在確定的光強(qiáng)下i = n h ，打出的最多電子數(shù)就是打出的最多電子數(shù)就是 n飽和電流飽和電流光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)方程 光的頻率決定光子能量，光的頻率決定光子能量，i只決定光子數(shù)目只決定光子數(shù)目wmh 2m21v2m21,vmev 根據(jù)根據(jù)ewehv 遏止電壓與入射光的頻率成正比，比例系數(shù)遏止電壓與入射光的頻率成正比，比例系數(shù)與材料的性質(zhì)無(wú)關(guān)。與材料的性質(zhì)無(wú)關(guān)。 光子打出光電子光子打出光電子是瞬時(shí)發(fā)生的是瞬時(shí)發(fā)生的15-2-315-2-3光的波粒二象性光的波粒二象性（dualismdualism）波動(dòng)性特征：波動(dòng)性特征： 粒子性特征：粒子性特征：波長(zhǎng)大或障礙物小波長(zhǎng)大或障礙物小波動(dòng)性突出波動(dòng)性突出波長(zhǎng)小或障礙物大波長(zhǎng)小或障礙物大粒子性突出粒子性突出 、pme、 he 2chm hchp ch 光子靜止質(zhì)量光子靜止質(zhì)量 m0 = 0 2mce epc 20/1cvmm 傳播過(guò)程中傳播過(guò)程中光和物質(zhì)相光和物質(zhì)相互作用時(shí)互作用時(shí)例：波長(zhǎng)為例：波長(zhǎng)為1 1的的x光光子的質(zhì)量為光光子的質(zhì)量為