光的粒子性修改版PPT

im1im2-Uc2）光电子的初动能与入射光的频率有关，而与入射光强度无关。实验表明：当U=0时，乃至U0时，即电场阻止电子飞向阳极，但仍有电子飞向阳极，说明光电子有初动能。当反向电压增至一定值时，光电流为零cU截止电压：212cmVeU克服电场力作功用于的电子，其初动能全部解释：具有最大初动能实验还表明：截止电压与入射光频率成线性关系实验还表明：截止电压与入射光频率成线性关系4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa0cUkU式中：U0--决定于金属性质k--与金属性质无关的普适恒量2012mVekeU212cmVeU又2102mV0ekeU0Uk00Uk称为红限频率（3）只有当入射光的频率高于红限频率时才产生光电效应。注意：每种金属都有各自对应的红限频率。红限频率对应于光电子初动能为零时的入射光频率。小于红限频率的入射光都不能产生光电流。经典物理解释不了此规律(4)光照后，光电子可立即从金属中逸出。实验表明：当光照射后，几乎不要时间（10-9s）便有光电子从阴极逸出。按经典物理，电子从光波场中吸取能量要有一定的时间积累，光强愈小，积累的时间越长。对钾金属而言，用相距3m远的一瓦的光源，经计算，要76分钟才有光电子逸出00Uk采用频率较小的光波，不会产生光电子二、爱因斯坦方程光子理论光是一束以C运动着的粒子流，每一个光子所带能量=hhA当电子吸收一个光子能量，该光子能量一部分消耗于逸出功为光电子的初动能，即电子的位置），剩下的取决于阴极材料性质与212hAmV212mVhA光电效应方程式光电子的动能与入射光的频率之间呈线性关系。2）光电子的初动能与入射光的频率有关，而与入射光强度无关。0AeU对光电效应的解释:（1）单位时间内从阴极逸出的光电子数与入射光强度成正比。按照光子理论，入射光越强，单位时间内打在金属上的光子数目越多，从金属内击出的光电子数目也越多，所以饱和电流与光强成正比。（3）只有当入射光的频率高于红限频率时才产生光电效应。212mVhA当＜A/h时，不发生光电效应。电子一次吸收一个光子的能量，勿需能量的积累过程。(4)光照后，光电子可立即从金属中逸出。2012mVekeU212mVhAhek0Ah爱因斯坦理论圆满地解释了光电效应。1912年获诺贝尔奖1916年密立根（Milikan）对光电效应进行了精密测量也由此获诺贝尔奖（另一原因是他用油滴法精确地测定了电子电量）4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCah2mc22chcm00mhchmcp光既具有波动性，又具有粒子性的双重性质称为光的波粒二象性。康普顿效应（Comptoneffect）引言：爱因斯坦断言：光是由光子组成，但真正证明光是由光子组成的还是康普顿实验。Compton实验是X射线散射的实验，按经典理论是X射线的电场迫使散射物中的电子作强迫振荡，而向周围辐射同频率的电磁波的过程。Compton实验否定了这一说法。一）康普顿实验早在1904年伊夫（AS.Eve)发现射线被物质散射后波长变长的现象,康普顿相继研究了射线及X射线的散射,他先确定了伊夫的发现又用自制的X射线分光计,测定了X射线经石墨沿不同方向的散射的定量关系,1923年发表论文作出了解释.1)实验装置02)实验结果:X光光栏石墨0.71ÅX射线分析仪2341原始=450=900=13500.700.75(Å)强度散射线中有与入射线相同的散射线存在，也有波长0的散射线存在（Compton散射）。2341原始=450=900=13500.700.75(Å)强度原子量较小的物质散射较强。也增加一定，散射线波长的增量与散射角有关（增加，也一定，与散射物质无关）三)康普顿散射的解释1）Compton散射是光和自由电子的相互作用因X射线的频率高，能量在104eV数量级，而石墨中的电子所受的束缚能量仅有几个电子伏特。相当于是没受束缚的自由电子。在狮子面前兔子没有被束缚！好有一比！竹笼2）自由电子不会吸收光子，而只能以碰撞的形式进行相互作用。X康普顿的分析：m0eh00ˆn20Cmm0enˆ碰撞前：碰撞后：碰撞前碰撞后电子光子反冲电子光子能量动量2mC0hh000ˆnChnChˆVm若过程满足能量守恒及动量守恒=++=+h00ˆnemVh)1(2200mChCmh)2(ˆˆ00nChVmnCh{nChˆVm00ˆnChnˆm0em0e康普顿的分析：碰撞前：碰撞后：Xh00ˆnh00ˆnemVh)9()cos1(00CmhCC)cos1(0Cmh0B）在微观领域内，同样严格遵守动量守恒和能量守恒。[A·H·Compton（1892~1952年）美国物理学家，1927年获诺贝尔奖]例：已知X光子的能量为0.60MeV，在康普顿散射后，波长变化了20%，求反冲电子动能。Compton实验的意义A）证实了光子理论的正确性，说明了光子具有质量、能量、动量---光具有粒子性。nChˆVm00ˆnCh例：已知X光子的能量为0.60MeV，在康普顿散射后，波长变化了20%，求反冲电子动能。已知：E0=h0=0.6MeV=0.20求:Ee=?解：入射的X射线能量：000ChhE)(1048.22.12.012000m)(1007.21060.11060.01031063.6/1219683400mEhC反冲电子能量：hhEEEe00eEm0enˆh00ˆnemVh000hCChCh01208341048.22.01031063.6)(1060.114JMeVEe10.0答：反冲电子能量为0.10Mev)(1048.22.12.012000m反冲电子能量：hhEEEe00eEnˆh00ˆnemVh求散射光与入射光垂直，射波例：康普顿效应中，入,A7.0；）反冲电子的动能（KE1。入射光之间的夹角）反冲电子运动方向与（2A724.07.0100cmh）解：（的能量电子动能即为光子损失J1042.9)(17000hchhEkvmPP0)2(220220)()(hhPPmv2022000)(11)()(coshhhmvP44)0PPvm0(1cos)hmC0光的波粒二象性一、物质波与实物粒子相联系的频率和波长分别为hEph,这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波（或质波）物与光子的公式相同粒子性波动性--它能在空间表现出干涉、衍射等波动现象，具有一定的波长、频率。--是指它具有集中的不可分割的性质。德布罗意认为实物粒子也具有波动性德布罗意：“整个世纪以来，在光学上，比起波动的研究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们关于粒子的图像想的太多，而过分地忽略了波的图像呢？”爱因斯坦：“我相信这一假设的意义远远超出了单纯的类比。”二、德布罗意公式若考虑相对论效应，则.1201()hhhVpmVmVc2.)c若不考虑相对论效应（V，则002kpmVmEkEmh02加速电子例：用电势U2012mVeU得非相对论公式A125.1220UeUmh的单位用伏U150U若加速电压伏特，则A1150125.12应明显。射线波长相当，波动效与X0.05500/mkgms例：子弹，V，求德布罗意波长。解：34256.63102.6510A0.05500hmV倍。见光提高电子显微镜分辨率比可5000光学仪器分辨率22.11dd加大透镜孔径减小光波波长左右可见光波长A5000A1加速电子波长宏观物体的物质波波长很小，一般不考虑波动。GNi单晶电流计三）德布罗意波的实验验证1）戴维逊--革末实验1923年ClntonDavisson发表了慢电子从铂片反射的角分布实验情况，他发现弹性反射电子束强度在某些角度出现了极大值。玻恩（Born）认为是一种干涉现象，可能与德布罗意波有关，这引起了戴维逊和革末（LesterGermer）继续对慢电子在镍单晶表面散射进行研究。实验装置：UMIBK发射电子阴级加速电极•电子通过金多晶薄膜的衍射实验（汤姆逊1927）3）电子双缝实验1961年琼森（ClausJönsson）将一束电子加速到50Kev，让其通过一缝宽为a=0.510-6m，间隔为d=2.010-6m的双缝,当电子撞击荧光屏时,发现了类似于双缝衍射.大量电子一次性行为电子双缝实验--一个电子多次重复性行为波恩概率波观察屏上光子最多的地方，恰好就是按波动理论算出的光强最强的地方。光波的强度（光振幅的平方）决定了光子到达屏上各处的概率物质波强度大的地方，粒子出现的概率大，反之小对波粒二象性的总结：经典粒子：具有集中的不可分割的性质。如质量，电量，能量具有一点的空间位置及确定的运动轨道。牛顿的决定论只要给出了初始条件，下一时刻粒子的轨迹是已知的，决定性的。经典波：某种实在物理量的空间分布做周期性变化。cosxyAtu呈现干涉、衍射等反映相干叠加的现象。(1)粒子性：(2)波动性:“原子性”或“整体性”，不是经典的粒子,抛弃了“轨道”概念不是经典的波不代表实在的物理量的波动22-5不确定关系（测不准关系）件，可确定已知质点受力及初始条决定论经典力学加速度任意时刻位置、速度、量子力学：实物粒子具有波粒二象性，其在空间出现具有某种不确定性，有一定的概率。任一时刻粒子不具有确定的位置，与此对应，其动量也不确定。24hPxx的不确定量量，在某一方向上位置某一时刻对粒子进行测，即的乘积，大于或等于量与该方向上动量不确定4hPxx)2(h的狭缝发生衍射例：电子通过宽度为a衍射角一级衍射极小值对应的sinhaxPx0xPx方向动量平均值为方向最大动量不确定量小衍射范围内，则设电子被限制在一级极xsinxxxPPPP)P电子aXYxv电子在单缝的何处通过是不确定的!只知是在宽为a的的缝中通过.结论:电子在单缝处的位置不确定量为ax由于电子还会出现在一级极小衍射角的外部得出严格的量子力学理论可2xPx2yPy2zPz的坐标与动量。不能同时精确确定粒子无论仪器如何精密上式说明,,,22LtE另外角位置与角动量不确定关系时间与能量不确定关系为sinxPPsinhaxPxhxPx海森伯不确定关系不确定关系是微观粒子波粒二象性所决定的，不确定关系更确切、更准确地反映了微观粒子的本质/2Vmx2/xPx例1）H原子的线度的数量级为10-10m，H原中电子的速度为V=106m/s，求其速度的不确定量。10313410101.94/1063.656610/10/msms+MrnmV解：不确定量已达106m/s数量级，已不能用经典物理中的速度来描述。/2xxP例2）一质量为0.4kg的足球，以10m/s的速度飞来，如动量的不确定量为10%，求其位置的不确定量。1.0104.04/1063.634m341032.1解：V/2/210/xxpmV%足球运动员完全不必担心由于有波动性而一脚踢空。越精确，与仪器无关，位置测量位置与动量不确定关系)i则动量测量越不精确。用。量物体之间必有相互作原