波粒二象性 大學(xué)物理張三慧件PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1波粒二象性波粒二象性 大學(xué)物理張三慧件大學(xué)物理張三慧件量子理論和相對(duì)論。量子理論和相對(duì)論。紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難邁克爾遜邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)第1頁(yè)/共90頁(yè) 物體由大量原子組成，物體由大量原子組成，熱運(yùn)動(dòng)引起熱運(yùn)動(dòng)引起原子碰撞原子碰撞使原子激發(fā)而使原子激發(fā)而輻射電磁波輻射電磁波。原子的動(dòng)能越大，。原子的動(dòng)能越大，通過(guò)碰撞引起原子激發(fā)的能量就越高，從而輻通過(guò)碰撞引起原子激發(fā)的能量就越高，從而輻射電磁波的波長(zhǎng)就越短。射電磁波的波長(zhǎng)就越短。 熱運(yùn)動(dòng)是混亂的，原子的動(dòng)能與溫度有關(guān)，熱運(yùn)動(dòng)是混亂的，原子的動(dòng)能與溫度有關(guān)，因而輻射電磁波的能量也與溫度有關(guān)。因而輻射電磁波的能量也與溫度有關(guān)。一、熱輻射

2、的基本概念一、熱輻射的基本概念 1、熱輻射、熱輻射（thermal radiation） 例如：例如：加熱鐵塊，加熱鐵塊， 溫度溫度 ，鐵塊顏色由看鐵塊顏色由看 藍(lán)白藍(lán)白色色不出發(fā)光不出發(fā)光 暗紅暗紅 橙色橙色 黃白色黃白色26.1 26.1 黑體輻射黑體輻射第2頁(yè)/共90頁(yè)這種這種與溫度有關(guān)與溫度有關(guān)的的電磁輻射，電磁輻射，稱為稱為熱輻射。熱輻射。激光激光 、 日光燈發(fā)光就不是熱輻射。日光燈發(fā)光就不是熱輻射。并不是所有發(fā)光現(xiàn)象都是熱輻射，并不是所有發(fā)光現(xiàn)象都是熱輻射，例如：例如： 任何物體在任何溫度下都有熱輻射，波長(zhǎng)自任何物體在任何溫度下都有熱輻射，波長(zhǎng)自遠(yuǎn)紅外區(qū)遠(yuǎn)紅外區(qū)連續(xù)連續(xù)延伸到紫外區(qū)

3、延伸到紫外區(qū)（連續(xù)譜）。（連續(xù)譜）。溫度溫度 輻射中短波長(zhǎng)的電磁波的比例輻射中短波長(zhǎng)的電磁波的比例 1400 K800K1000 K1200 K幾種溫度下輻射最強(qiáng)的電磁波顏色幾種溫度下輻射最強(qiáng)的電磁波顏色第3頁(yè)/共90頁(yè)頭部的紅外照片（熱的地方顯白色，冷的顯黑色）頭部的紅外照片（熱的地方顯白色，冷的顯黑色） 低溫物體（例如人體）也有熱輻射，但輻射低溫物體（例如人體）也有熱輻射，但輻射較弱，并且主要成分是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線。較弱，并且主要成分是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線。第4頁(yè)/共90頁(yè) 紅外輻射熱象圖紅外輻射熱象圖 紅外夜視儀拍的照片紅外夜視儀拍的照片 煉鋼的熱輻射煉鋼的熱輻射第5頁(yè)/共90頁(yè)同一個(gè)物體的

4、發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)有內(nèi)在聯(lián)系，同一個(gè)物體的發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)有內(nèi)在聯(lián)系，室溫下的反射光照片室溫下的反射光照片1100K的自身輻射光照片的自身輻射光照片圖片說(shuō)明一個(gè)圖片說(shuō)明一個(gè)好的發(fā)射體一定也是好的吸收體。好的發(fā)射體一定也是好的吸收體。例如：黑白花盤子的反射和自身輻射照片例如：黑白花盤子的反射和自身輻射照片第6頁(yè)/共90頁(yè)的物體，的物體，維恩設(shè)計(jì)的黑體：維恩設(shè)計(jì)的黑體：二、黑體二、黑體（black body） 1、黑體：、黑體：黑體是最理想的發(fā)射體。黑體是最理想的發(fā)射體。能完全吸收各種波長(zhǎng)電磁波能完全吸收各種波長(zhǎng)電磁波而無(wú)反射而無(wú)反射 不透明介質(zhì)空腔開(kāi)一不透明介質(zhì)空腔開(kāi)一小孔，電磁波射入小孔小孔

5、，電磁波射入小孔后，很難再?gòu)男】字猩浜?，很難再?gòu)男】字猩涑?。出。小孔表面是黑體。小孔表面是黑體。即使是煤黑，對(duì)太陽(yáng)光的即使是煤黑，對(duì)太陽(yáng)光的吸收吸收也小于也小于 99%。 100100次反射次反射, ,每次吸收每次吸收1010 射出的強(qiáng)度射出的強(qiáng)度 0900000266100.黑體模型黑體模型第7頁(yè)/共90頁(yè)實(shí)驗(yàn)曲線實(shí)驗(yàn)曲線理論公式理論公式輻射能量輻射能量按經(jīng)典的能量連按經(jīng)典的能量連續(xù)變化計(jì)算出來(lái)續(xù)變化計(jì)算出來(lái)的理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在波長(zhǎng)趨于據(jù)在波長(zhǎng)趨于0（即頻率趨于即頻率趨于）處）處發(fā)生分歧。發(fā)生分歧。故稱為故稱為紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難三、紫外災(zāi)難三、紫外災(zāi)難在研究黑體熱輻射時(shí)，在研究黑體

6、熱輻射時(shí)，測(cè)量輻射的波長(zhǎng)與能量測(cè)量輻射的波長(zhǎng)與能量的關(guān)系圖的關(guān)系圖第8頁(yè)/共90頁(yè) E E = =nhvnhv，n=0n=0，1 1，2 2，普朗克常數(shù)：普朗克常數(shù)：h=6.6260755h=6.62607551010-34-34J Js s 19001900年普朗克提出能量子概念年普朗克提出能量子概念h h，并在并在此基礎(chǔ)上修正了黑體輻射的理論公式，與此基礎(chǔ)上修正了黑體輻射的理論公式，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分相符。實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分相符。第9頁(yè)/共90頁(yè)經(jīng)典電磁理論：經(jīng)典電磁理論：輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作輻射黑體分子、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。諧振諧振子，這些諧振子可以發(fā)

7、射和吸收輻射能。諧振子的能量可具有任意連續(xù)值。子的能量可具有任意連續(xù)值。普朗克的能量子假設(shè)：普朗克的能量子假設(shè)：振子振動(dòng)的能量是不連續(xù)的振子振動(dòng)的能量是不連續(xù)的，只能取最小能量，只能取最小能量 的整數(shù)倍的整數(shù)倍 ， 2， 3， n n 為正整數(shù)為正整數(shù)振子在輻射或吸收能量時(shí)，從一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一振子在輻射或吸收能量時(shí)，從一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)。個(gè)狀態(tài)。 =h 能量子能量子（為為振子的頻率）振子的頻率）第10頁(yè)/共90頁(yè)h=6.6260755 10-34 JS 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) k=1.380662 10-23 J / k 玻爾茲曼常數(shù)玻爾茲曼常數(shù)1232kThvvevchM在能量子假說(shuō)基

8、礎(chǔ)上，普朗克由玻爾茲曼分布律和在能量子假說(shuō)基礎(chǔ)上，普朗克由玻爾茲曼分布律和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論，得出經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論，得出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的熱輻射公式：與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的熱輻射公式：第11頁(yè)/共90頁(yè)取高頻取高頻 極限極限取低頻取低頻 極限極限 m = C T 普朗克公式普朗克公式 M = T 4積分積分求極值求極值維恩公式維恩公式瑞金公式瑞金公式第12頁(yè)/共90頁(yè)普朗克榮獲普朗克榮獲1918年年 Nobel Prize 普朗克普朗克 (1858(18581947) 1947) 德國(guó)人德國(guó)人 (60(60歲獲諾貝爾獎(jiǎng)歲獲諾貝爾獎(jiǎng)) )第13頁(yè)/共90頁(yè)V一、實(shí)驗(yàn)裝置一、實(shí)驗(yàn)裝置單色單色(紫外紫外)光照

9、射時(shí)，光照射時(shí)，金屬金屬K會(huì)釋放光電子。會(huì)釋放光電子。KAGiU什么是光電效應(yīng)？什么是光電效應(yīng)？適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射金屬表面，有電子逸適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射金屬表面，有電子逸出金屬表面出金屬表面.第14頁(yè)/共90頁(yè)二、實(shí)驗(yàn)規(guī)律二、實(shí)驗(yàn)規(guī)律截止電壓截止電壓Ua光強(qiáng)小光強(qiáng)小iSi伏伏-安特性曲線安特性曲線U光強(qiáng)大光強(qiáng)大U=0，一般一般i0U0, 電流電流升高至升高至飽和飽和 1212mamvUeKAiU說(shuō)明電子有最大初動(dòng)能說(shuō)明電子有最大初動(dòng)能1. 1. is與光強(qiáng)成正與光強(qiáng)成正比；與比；與Ua無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。 第15頁(yè)/共90頁(yè) 20UkUa2.2.初動(dòng)能（截止電壓）與入射光頻率成初動(dòng)能（截止電壓）與入射光頻率

10、成正比正比; ; 存在紅限存在紅限 0 00eUekUeaUaU0鉀鉀00eUek必須必須kU0即才有電子逸出。才有電子逸出。221mmv注意：圖中直線斜率與材料無(wú)關(guān)！注意：圖中直線斜率與材料無(wú)關(guān)！第16頁(yè)/共90頁(yè)只要光照頻率只要光照頻率v vv v0 0 ，立即有，立即有光電流，響應(yīng)時(shí)間光電流，響應(yīng)時(shí)間1010-9-9S S。3.3.瞬時(shí)性瞬時(shí)性kU00稱為稱為截止頻率截止頻率( (紅限紅限) )。不同材料斜率相同不同材料斜率相同, , 與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。第17頁(yè)/共90頁(yè)三、經(jīng)典電磁理論解釋的困難三、經(jīng)典電磁理論解釋的困難1 1、經(jīng)典中光強(qiáng)經(jīng)典中光強(qiáng)aUmv 221但實(shí)驗(yàn)中但實(shí)驗(yàn)中

11、Ua大小與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。大小與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。2 2、經(jīng)典中只要光強(qiáng)足夠，就有光電效、經(jīng)典中只要光強(qiáng)足夠，就有光電效 應(yīng)，不應(yīng)存在紅限應(yīng)，不應(yīng)存在紅限 0 0但實(shí)驗(yàn)中但實(shí)驗(yàn)中 0 0時(shí)時(shí)才能有光電效應(yīng)。才能有光電效應(yīng)。3、經(jīng)典中電子吸收光能量，應(yīng)有一定、經(jīng)典中電子吸收光能量，應(yīng)有一定 的時(shí)間積累過(guò)程。的時(shí)間積累過(guò)程。 但實(shí)驗(yàn)中幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。但實(shí)驗(yàn)中幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。第18頁(yè)/共90頁(yè)一、一、光量子光量子的提出的提出愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦(1879-1955)(1879-1955)德國(guó)人德國(guó)人 26.3 26.3 光的二象性光的二象性 光子光子第19頁(yè)/共90頁(yè)1 1、愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō)愛(ài)因斯坦的光量子假

12、說(shuō) 光由光由光量子光量子組成。組成。h19261926光子光子能量為能量為光強(qiáng)大則光子數(shù)多。光強(qiáng)大則光子數(shù)多。Jsh341063. 6普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)光在傳播過(guò)程中能量在空間分布是不連續(xù)的，是一份一份地光在傳播過(guò)程中能量在空間分布是不連續(xù)的，是一份一份地傳播的，這些能量單元都占據(jù)空間，運(yùn)動(dòng)時(shí)不分裂，只能以傳播的，這些能量單元都占據(jù)空間，運(yùn)動(dòng)時(shí)不分裂，只能以完整的單元產(chǎn)生或被吸收。完整的單元產(chǎn)生或被吸收。第20頁(yè)/共90頁(yè)2 2、愛(ài)因斯坦方程愛(ài)因斯坦方程 Amvh221一個(gè)光子作用一個(gè)光子作用一個(gè)電子一個(gè)電子1 1）光強(qiáng)大）光強(qiáng)大光子數(shù)多光子數(shù)多逸出逸出電子數(shù)多電子數(shù)多iS S大。大。對(duì)確定

13、的金屬，對(duì)確定的金屬，A確定，即確定，即mvmv2 2/2/2與與 成正比成正比。所以所以Ua 與與 成正比，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。成正比，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。3 3、愛(ài)因斯坦解釋光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦解釋光電效應(yīng) A:A:逸出功，電子從金屬表面逸出時(shí)克服阻力需要逸出功，電子從金屬表面逸出時(shí)克服阻力需要做的功做的功第21頁(yè)/共90頁(yè) 2） h0A0v221m3 3）一個(gè)電子吸收一個(gè)光子的能量）一個(gè)電子吸收一個(gè)光子的能量, ,無(wú)需積累。無(wú)需積累。可知可知 h h0 0 用于消耗電子從金屬表面逸出時(shí)所用于消耗電子從金屬表面逸出時(shí)所需的逸出功需的逸出功A A 。當(dāng)當(dāng) 0 0，無(wú)光電流，無(wú)光電流0 = A h逸出的電子的逸出

14、的電子的最大初動(dòng)能最大初動(dòng)能為為當(dāng)當(dāng) A A/ /h h時(shí)，電子的能量不足以克服逸時(shí)，電子的能量不足以克服逸出出功而發(fā)生光電效應(yīng)。存在功而發(fā)生光電效應(yīng)。存在紅限頻率紅限頻率Ahvmvm221第22頁(yè)/共90頁(yè)金屬金屬鎢鎢鈣鈣鈉鈉鉀鉀銣銣銫銫紅限紅限 0 0(10(101414Hz)Hz)10.9510.957.737.73 5.535.53 5.445.44 5.155.154.694.69逸出功逸出功A A(eV)(eV)4.544.543.203.20 2.292.29 2.252.25 2.132.131.941.94第23頁(yè)/共90頁(yè)練習(xí)練習(xí)1.1.對(duì)金屬鉀對(duì)金屬鉀, ,臨界波長(zhǎng)為臨界

15、波長(zhǎng)為558558毫微米，求毫微米，求它的逸出功。若入射光波長(zhǎng)為它的逸出功。若入射光波長(zhǎng)為400400毫微米，毫微米，則遏止電壓多大則遏止電壓多大? ?Amvh2210hA eAehUa)(eAehc0ch0212mv代入代入221mveUa代入代入第24頁(yè)/共90頁(yè)由光電效應(yīng)由光電效應(yīng)( (從能量從能量) ) 、 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)( (從動(dòng)量從動(dòng)量) )加以證實(shí)。加以證實(shí)。一一. .光的波粒二象性光的波粒二象性1. 1. 近代認(rèn)為光具有波粒二象性近代認(rèn)為光具有波粒二象性 在有些情況下，光突出顯示出波動(dòng)性；在有些情況下，光突出顯示出波動(dòng)性； 粒子不是經(jīng)典粒子粒子不是經(jīng)典粒子, , 波也不是

16、經(jīng)典波波也不是經(jīng)典波而在另一些情況下，則突出顯示出粒子性。而在另一些情況下，則突出顯示出粒子性。二、光子二、光子(photon)(photon)與光的波粒二象性與光的波粒二象性第25頁(yè)/共90頁(yè)微粒說(shuō)微粒說(shuō)牛頓牛頓波動(dòng)波動(dòng)說(shuō)說(shuō)惠更斯惠更斯光子說(shuō)光子說(shuō)波粒二象性波粒二象性第26頁(yè)/共90頁(yè)2. 2. 基本關(guān)系式基本關(guān)系式粒子性：能量粒子性：能量 ，動(dòng)量，動(dòng)量P P，質(zhì)量質(zhì)量 m m波動(dòng)性：波長(zhǎng)波動(dòng)性：波長(zhǎng) ，頻率頻率 0/10308msmc h 2chm 2mc =hchmcp第27頁(yè)/共90頁(yè)例例 已知銫的已知銫的逸出功逸出功 A = 1.9 eV，用鈉黃光，用鈉黃光 =589.3 nm照射銫

17、。計(jì)算：照射銫。計(jì)算：（1）黃光黃光光子光子的能量、質(zhì)量和的能量、質(zhì)量和動(dòng)量；動(dòng)量；（2）銫在光電效應(yīng)中釋放的光電子的動(dòng)能；銫在光電效應(yīng)中釋放的光電子的動(dòng)能；（3）銫的遏止電壓、紅限頻率。銫的遏止電壓、紅限頻率。解解：(1)J104 . 319hchEkg108 . 3362chmm/skg101 . 127chp第28頁(yè)/共90頁(yè)(2)(3)J1036. 02192kAhvmEeV225. 0/keEUaHz106 . 4140hA第29頁(yè)/共90頁(yè) 一、普朗克能量子假說(shuō)一、普朗克能量子假說(shuō)1. 輻射體中包含大量諧振子輻射體中包含大量諧振子,能量是取特定的分立值能量是取特定的分立值 2. 存

18、在著能量的最小單元（能量子存在著能量的最小單元（能量子 =h ); h=6.626 10-34焦耳焦耳 秒。秒。3. 振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量重點(diǎn)內(nèi)容小結(jié)重點(diǎn)內(nèi)容小結(jié)第30頁(yè)/共90頁(yè)221mamveU （3 3）不同的陰極材料對(duì)應(yīng)不同的截止頻率）不同的陰極材料對(duì)應(yīng)不同的截止頻率( (取決于取決于材料材料) )。0 0叫截止頻率或紅限頻率，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為紅叫截止頻率或紅限頻率，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為紅限波長(zhǎng)。限波長(zhǎng)。二、光電效應(yīng)二、光電效應(yīng) 愛(ài)因斯坦光子理論愛(ài)因斯坦光子理論 1. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律：光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律： （1）入射光頻率）入

19、射光頻率一定時(shí)，飽和電流的大小正比于入一定時(shí)，飽和電流的大小正比于入射光強(qiáng)。射光強(qiáng)。 （2）光電子的初動(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系，）光電子的初動(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。 （4）瞬時(shí)效應(yīng)）瞬時(shí)效應(yīng)第31頁(yè)/共90頁(yè) （2）愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程）愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程 光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是金屬中的電子吸收一個(gè)光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是金屬中的電子吸收一個(gè)光子，光子將能量光子，光子將能量(h)傳給電子，電子獲得此傳給電子，電子獲得此能量后，克服正離子的引力而作功能量后，克服正離子的引力而作功逸出功逸出功(A)，故電子逸出表面時(shí)的最大動(dòng)能應(yīng)為故電子逸出表面時(shí)的最大動(dòng)能應(yīng)為 ：AhmvEm

20、m 221Amvhm 221 第32頁(yè)/共90頁(yè)經(jīng)典中波的散射，其波長(zhǎng)不變。經(jīng)典中波的散射，其波長(zhǎng)不變。 1923年康普頓發(fā)現(xiàn)年康普頓發(fā)現(xiàn)X射線經(jīng)過(guò)射線經(jīng)過(guò)物質(zhì)散射時(shí)，散射線的波長(zhǎng)發(fā)生變物質(zhì)散射時(shí)，散射線的波長(zhǎng)發(fā)生變化（變長(zhǎng)）的現(xiàn)象?；ㄗ冮L(zhǎng)）的現(xiàn)象。一、一、康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)然而然而1923年康普頓發(fā)現(xiàn)年康普頓發(fā)現(xiàn)第33頁(yè)/共90頁(yè)1 1、裝置圖、裝置圖X光管光管晶體光柵晶體光柵測(cè)波長(zhǎng)測(cè)波長(zhǎng)散射線散射線 , , 入射線入射線 為散射角為散射角第34頁(yè)/共90頁(yè) 相同時(shí)，相同時(shí)，輕原子的輕原子的 康普頓效應(yīng)比較明顯?？灯疹D效應(yīng)比較明顯。 2 2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 散射線中除散射線中除不變不

21、變 線外線外, , 還有還有變線變線 ； 散射線中有兩個(gè)峰值。散射線中有兩個(gè)峰值。 與與散射角散射角 有關(guān)有關(guān), , 與散射物質(zhì)無(wú)關(guān)與散射物質(zhì)無(wú)關(guān); ; 0 450 900 1350 相對(duì)相對(duì)強(qiáng)度強(qiáng)度波長(zhǎng)波長(zhǎng)第35頁(yè)/共90頁(yè)二、二、ComptonCompton效應(yīng)的量子解釋：效應(yīng)的量子解釋：3.3.若電子束縛較緊，光子損失能量就小。若電子束縛較緊，光子損失能量就小。原子量大的原子量大的散射物質(zhì)內(nèi)層電子散射物質(zhì)內(nèi)層電子束縛較緊束縛較緊, ,故故x-rayx-ray散射強(qiáng)度較??；反之，原子量小的散射物散射強(qiáng)度較??；反之，原子量小的散射物質(zhì)質(zhì),x-ray,x-ray散射強(qiáng)度較大。散射強(qiáng)度較大。2.

22、2.光子與靜止自由電子光子與靜止自由電子( (輕輕) )碰撞，光子能量碰撞，光子能量h h要損失，故要損失，故 降低，降低， 變長(zhǎng)變長(zhǎng)。變線變線1.1.光子碰光子碰原子實(shí)原子實(shí)( (重重),),能量幾乎無(wú)損失能量幾乎無(wú)損失 不變線不變線第36頁(yè)/共90頁(yè)2201cVmm 2mcE 和和00 m而對(duì)于光子而對(duì)于光子由由得得chcEP 下面從碰撞理論導(dǎo)出康普頓散射公式，由于光子與下面從碰撞理論導(dǎo)出康普頓散射公式，由于光子與電子碰撞后電子可獲得與光速相比擬的速度，故應(yīng)引入電子碰撞后電子可獲得與光速相比擬的速度，故應(yīng)引入狹義相對(duì)論的一些公式：狹義相對(duì)論的一些公式：222240EP cm c三、理論計(jì)算

23、三、理論計(jì)算第37頁(yè)/共90頁(yè)光子光子碰撞后碰撞后電子電子碰撞前碰撞前能量能量動(dòng)量動(dòng)量動(dòng)量動(dòng)量能量能量20cmch0 0 hmc20 0v反沖電子反沖電子碰撞后光子碰撞后光子-散射線散射線光子光子電子電子00vvmch h 散射過(guò)程中，一個(gè)光子與一個(gè)散射過(guò)程中，一個(gè)光子與一個(gè)“靜止電子靜止電子”碰撞前后碰撞前后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如下圖。的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如下圖。第38頁(yè)/共90頁(yè)00nch nch Vm 光子學(xué)說(shuō)對(duì)康普頓散射的解釋光子學(xué)說(shuō)對(duì)康普頓散射的解釋2200mchcmh22/1cVmme Vmnchnch 00電子的相對(duì)論質(zhì)量電子的相對(duì)論質(zhì)量：系統(tǒng)能量守恒系統(tǒng)能量守恒：系統(tǒng)動(dòng)量守恒：系統(tǒng)動(dòng)量守恒：第39

24、頁(yè)/共90頁(yè)2002)(cmhmc（1）能量守恒能量守恒cos2)()()(02202chchchchmV（2）動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒(1) 2 (2) c2 得出得出：(4)220/1cVmm將（將（4）帶入（）帶入（3）式：）式：)( 2)cos1 (2)1 (020024202242hcmhcmcVcm (3)( 2)cos1 (202002420420hcmhcmcm(5)第40頁(yè)/共90頁(yè))cos1 ()(000cmhc(6)cos1 (00cmhcc入射光子入射光子散射的光子散射的光子外層電子外層電子nmcmhc301043. 2)cos1 (cos1 0 ccmh第41頁(yè)/共90頁(yè))c

25、os1 (cos1 0 ccmh 波長(zhǎng)改變量與原波長(zhǎng)無(wú)關(guān)波長(zhǎng)改變量與原波長(zhǎng)無(wú)關(guān),只與散射角只與散射角 有關(guān)。當(dāng)有關(guān)。當(dāng)時(shí)時(shí),波長(zhǎng)改變量最大。這些均與實(shí)驗(yàn)一致！波長(zhǎng)改變量最大。這些均與實(shí)驗(yàn)一致！mcmhc1201043.2-康普頓波長(zhǎng)康普頓波長(zhǎng)康普頓波長(zhǎng)改變公式康普頓波長(zhǎng)改變公式:第42頁(yè)/共90頁(yè)25111043. 21043. 21043. 2無(wú)線電波無(wú)線電波 10 1011m 可見(jiàn)光可見(jiàn)光101077mX光光 10 101010m效應(yīng)不效應(yīng)不明顯明顯效應(yīng)顯著效應(yīng)顯著第43頁(yè)/共90頁(yè)四、四、Compton效應(yīng)的意義：效應(yīng)的意義：1 1、證實(shí)了光子假說(shuō)的正確。證實(shí)了光子假說(shuō)的正確。光具有波粒

26、二象性。光具有波粒二象性。2、證實(shí)了微觀粒子的相互作用過(guò)、證實(shí)了微觀粒子的相互作用過(guò) 程中，也嚴(yán)格遵守能量守恒和程中，也嚴(yán)格遵守能量守恒和 動(dòng)量守恒定律。動(dòng)量守恒定律。康普頓康普頓1927年榮獲年榮獲Noble獎(jiǎng)。獎(jiǎng)。第44頁(yè)/共90頁(yè)相同點(diǎn)：?jiǎn)蝹€(gè)光子與電子相互作用相同點(diǎn)：?jiǎn)蝹€(gè)光子與電子相互作用(不是光束與電子不是光束與電子 的作用的作用)系統(tǒng)能量守恒；系統(tǒng)能量守恒；五、康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)的關(guān)系五、康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)的關(guān)系不同點(diǎn)：光電效應(yīng)不同點(diǎn)：光電效應(yīng)(束縛電子吸收一個(gè)光子束縛電子吸收一個(gè)光子)， 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)(光子與自由電子的彈性碰撞光子與自由電子的彈性碰撞)。第45頁(yè)/共90

27、頁(yè)26. 2 波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為0.01nm的的X射線與靜止自由電子作射線與靜止自由電子作彈性碰撞。散射角彈性碰撞。散射角 為為900。散射線波長(zhǎng)散射線波長(zhǎng)？反沖電子得到多少動(dòng)能？動(dòng)量？反沖電子得到多少動(dòng)能？動(dòng)量？ nmcmh00243. 0cos1 100(2)反沖電子得到的動(dòng)能等于光子的能量損失。反沖電子得到的動(dòng)能等于光子的能量損失。eVhchchhEk400104 . 2JeV19106 . 11nm01243. 0 0第46頁(yè)/共90頁(yè)反沖電子反沖電子的動(dòng)量的動(dòng)量pe =？碰撞前碰撞前碰撞后碰撞后碰撞后碰撞后h0h220hhpe01tg=90第47頁(yè)/共90頁(yè)粒子性：粒子性：具有具有E,p

28、h 把兩者聯(lián)系起來(lái)，揭示了把兩者聯(lián)系起來(lái)，揭示了光的粒子性和波動(dòng)性之間的聯(lián)系。光的粒子性和波動(dòng)性之間的聯(lián)系。有波粒二象性有波粒二象性hE 光光hp hmc 2chmc波動(dòng)性：波動(dòng)性：具有具有 , , 第48頁(yè)/共90頁(yè)波動(dòng)性：波動(dòng)性：光是電磁波，有干涉、衍射現(xiàn)象光是電磁波，有干涉、衍射現(xiàn)象粒子性：粒子性：光是光子流，光子具有粒子的一切光是光子流，光子具有粒子的一切屬性屬性- - 質(zhì)量、能量、動(dòng)量質(zhì)量、能量、動(dòng)量 第49頁(yè)/共90頁(yè) 1923年，法國(guó)青年物理學(xué)家年，法國(guó)青年物理學(xué)家德布羅意德布羅意分析對(duì)比了經(jīng)典物理中分析對(duì)比了經(jīng)典物理中力學(xué)和光學(xué)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并試圖力學(xué)和光學(xué)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并試圖在物

29、理學(xué)的這兩個(gè)領(lǐng)域內(nèi)同時(shí)建在物理學(xué)的這兩個(gè)領(lǐng)域內(nèi)同時(shí)建立一種適應(yīng)兩者的理論。他考慮立一種適應(yīng)兩者的理論。他考慮到到（1）自然界在許多方面是顯著對(duì)）自然界在許多方面是顯著對(duì)稱的；稱的；（2）可以觀察到宇宙完全是由光）可以觀察到宇宙完全是由光和物質(zhì)構(gòu)成的；和物質(zhì)構(gòu)成的；（3）如果光具有波粒二象性，物）如果光具有波粒二象性，物體或許具有波粒二象性。體或許具有波粒二象性。于是，在于是，在1924年他提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：年他提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：不僅不僅輻射具有波粒二象性，一切實(shí)物粒子也具有波粒二象性輻射具有波粒二象性，一切實(shí)物粒子也具有波粒二象性。法國(guó)青年物理法國(guó)青年物理學(xué)家德布羅意學(xué)家德布羅意 (

30、1 8 9 2( 1 8 9 2 1986)1986)第50頁(yè)/共90頁(yè)德布羅意假設(shè)實(shí)物粒子也具波動(dòng)性德布羅意假設(shè)實(shí)物粒子也具波動(dòng)性. . 1924年由德布羅意提出年由德布羅意提出: 質(zhì)量為質(zhì)量為m、運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度為速度為v 的實(shí)物粒子的實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性。也具有波動(dòng)性。對(duì)對(duì)應(yīng)的波稱為應(yīng)的波稱為德布羅意波德布羅意波或或物質(zhì)波物質(zhì)波。ph粒子性：粒子性：E, p波動(dòng)性：波動(dòng)性： , ,一一. .德布羅意波德布羅意波hE物質(zhì)波的波長(zhǎng)和頻率為：物質(zhì)波的波長(zhǎng)和頻率為：第51頁(yè)/共90頁(yè)非相對(duì)論條件下非相對(duì)論條件下(vc)(v ) 時(shí)，可時(shí)，可作為經(jīng)典粒子處理。作為經(jīng)典粒子處理。ppxx,2. 對(duì)于微觀

31、粒子，不能同時(shí)用確定的位置和動(dòng)量來(lái)對(duì)于微觀粒子，不能同時(shí)用確定的位置和動(dòng)量來(lái)描述。描述。 因此，因此，微觀粒子：微觀粒子：(1) 沒(méi)有沒(méi)有“軌道軌道”，(2) 不不可能靜止（對(duì)任何慣性系）?？赡莒o止（對(duì)任何慣性系）。說(shuō)明說(shuō)明4. 能量和時(shí)間的不確定關(guān)系：能量和時(shí)間的不確定關(guān)系：2tE稱為原子激發(fā)態(tài)的能級(jí)寬度稱為原子激發(fā)態(tài)的能級(jí)寬度E為原子處于該激發(fā)態(tài)的平均壽命為原子處于該激發(fā)態(tài)的平均壽命t第78頁(yè)/共90頁(yè)5 5 不確定關(guān)系中不確定關(guān)系中h h的重要性的重要性h 0 使得不確定關(guān)系在微觀世界成為一個(gè)重要的規(guī)律；使得不確定關(guān)系在微觀世界成為一個(gè)重要的規(guī)律； 但但h h很小很小使不確定關(guān)系在宏觀世

32、界不能得到直接體現(xiàn)。使不確定關(guān)系在宏觀世界不能得到直接體現(xiàn)。不確定關(guān)系在宏觀世界的效果，好象是微觀不確定關(guān)系在宏觀世界的效果，好象是微觀世界里當(dāng)世界里當(dāng)h h0 0時(shí)的效果，時(shí)的效果， 當(dāng)當(dāng)h 0時(shí)時(shí), 量子物理量子物理經(jīng)典物理經(jīng)典物理 ( (對(duì)應(yīng)原理對(duì)應(yīng)原理) )第79頁(yè)/共90頁(yè)mmvpxx31102 .50001.0Ex.子彈質(zhì)量10克,具有速率200ms-1。在運(yùn)動(dòng)中的某一時(shí)刻,測(cè)得動(dòng)量的不確定量為0.01%，在確定該子彈位置時(shí),有多大的不確定量。子彈換成電子如何？h與與m相比微不足道相比微不足道, ,不必考慮不必考慮不確定不確定關(guān)系關(guān)系, ,子彈服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。子彈服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律。mvmpxex3109 .50001.0h與與me可比擬可比擬，粒子位置和動(dòng)量不能，粒子位置和動(dòng)量不能同時(shí)確定。軌道概念無(wú)意義。同時(shí)確定。軌道概念無(wú)意義。第80頁(yè)/共90頁(yè) 例例 電視顯象管中電子的加速度電壓為電視顯象管中電子的加速度電壓為10kV，電子，電子槍的槍口的直徑為槍的槍口的直徑為0.01cm。試求電子射出電子槍。試求電子射出電子槍后的橫向速度的不確定量。后的橫向速度的不確定量。 電子橫向位置的不確定量電子橫向位置的不確定量 cm01. 0 xxmvx2sm58. 0所以電子運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)來(lái)說(shuō)仍然是相當(dāng)確定的所以電子運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)來(lái)說(shuō)仍然是相當(dāng)確定的，波動(dòng)性