高中物理选修3-5《波粒二象性》教学课件(全章)

1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:“科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”--开尔文--也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，----”这两朵乌云是指什么呢？一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。事隔不到一年(1900年底)，就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着(1905年)从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓“山重水复疑无路,柳暗花明又一村§17.1能量量子化：物理学的新纪元一、黑体与黑体辐射1、热辐射（1）定义：一切物体在任何温度下都在辐射各种波长的电磁波，这种辐射与物体的温度有关，称为热辐射。（2）特征：辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。固体在温度升高时颜色的变化1400K800K1000K1200K例如：铁块温度从看不出发光到暗红到橙色到黄白色温度发射的能量电磁波的短波成分直觉:低温物体发出的是红外光炽热物体发出的是可见光高温物体发出的是紫外光（3）平衡热辐射加热一物体,物体的温度恒定时，物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。2、黑体（1）定义：能全部吸收各种波长的辐射而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体，简称黑体。（2）黑体模型（3）特征：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，与材料的种类及表面状况无关。0123456λ(μm)),(0Te二、黑体辐射的实验规律随着温度的增高，一方面各种波长的辐射强度都有增加，另一方面辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。o实验值/μm)(0TM维恩线瑞利--金斯线紫外灾难12345678黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。三、能量子：超越牛顿的发现1、普朗克能量子假说：微观粒子的能量是某一最小能量ε（称为能量子）的整数倍，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε，n为正整数，称为量子数。2、能量子：h346.62610Jsh普朗克常量λ(μm)123568947普朗克实验值),(0Te普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信h的引入确实反映了新理论的本质。1918年他荣获诺贝尔物理学奖，他的墓碑上只刻着他的姓名和秒焦3410626.6hM.Planck德国人1858－19471888年，霍瓦(Hallwachs)发现金属板被紫外光照射会放电。近10年以后（因为1897年，J.Thomson才发现电子）人们认识到那就是从金属表面射出的电子，这些电子被称作光电子(photoelectron)，相应的效应叫做光电效应。物理难题：§17.2科学的转折：光的粒子性回顾人类对光的本性的认识的发展过程。波动说（惠更斯）微粒说（牛顿）电磁说（麦克斯韦）用紫外线灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，发现验电器的指针张角变大。表明锌板在紫外线照射下失去电子而带正电。实验一、光电效应现象在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫做光电子。二、光电效应的实验规律AKGV阳极阴极光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出----光电子。光电子在电场作用下形成光电流。1、每种金属都存在截止频率（极限频率）γc；•当入射光频率c时，电子才能逸出金属表面；•当入射光频率c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。2、光子的最大初动能随入射光的频率增大而增大；遏止电压UC=EKm（使光电流减小到零的反向电压）随着入射光的频率的增大而增大，与光强无关。3、光电效应产生的时间为10-9秒，几乎瞬时；4、饱和光电流与入射光的强度成正比。入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。AKGV阳极阴极三、光电效应解释中的疑难经典理论实验事实光的强度（能量）由振幅决定，与频率无关，且能量是连续的，可积累的。每种金属都存在截止频率γcEKm应与入射光的强度有关。EKm只与频率有关，而与强度无关。能量积累需要时间。光电效应是瞬时效应。强度越大，能量越多，逸出的光电子数越多。饱和光电流与入射光的强度成正比。经典理论只能解释第4条规律。四、爱因斯坦的光子说1、内容：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且频率为γ的光本身是由大量能量为hγ的光（量）子组成的，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。2.爱因斯坦光电效应方程0WEhk电子逸出金属表面所需做功的最小值，称为逸出功；221vmEek0W为光电子的最大初动能。3、光子说对光电效应的解释实验事实光子说的解释截止频率只有当hγW0才有光电子逸出，所以γc=W0/h。最大初动能EKm与γ成线性关系。瞬时效应电子一次性吸收一个光子的全部能量，不需要积累。饱和光电流光强较大时，单位时间内发射的光子数较多，照射金属时产生的光电子多。4.光电效应理论的验证美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。密立根的实验的目的是：测量金属的遏止电压UC与入射光频率γ，由此算出普朗克常数h。UC/V0.5410.6370.7140.8090.878γ/1014HZ5.6445.8886.0986.3036.501作出UC-γ图象。CKeUE0WEhKeWehUC0求普朗克常数h这种金属的截止频率γCeWehUC0JSh341030.6HzC141027.4五、光电效应在近代技术中的应用光电管：把光信号转化为电信号。光控继电器放大器控制机构可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等如图所示是做光电效应实验的装置简图。在抽成真空的玻璃管内，K为阴极（用金属铯制成，发生光电效应的逸出功为1.9eV），A为阳极。在a、b间不接任何电源，用频率为γ（高于铯的极限频率）的单色光照射阴极K，会发现电流表指针有偏转。这时，若在a、b间接入直流电源，a接正极，b接负极，并使a、b间电压从零开始逐渐增大，发现当电压表的示数增大到2.1V时，电流表的示数刚好减小到零。求：⑴a、b间未接直流电源时，通过电流表的电流方向。⑵从阴极K发出的光电子的最大初动能EK是多少焦？⑶入射单色光的频率是多少？VμAKAab单色光六、康普顿效应1.光的散射光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射。1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射的X射线中除有与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。2、康普顿效应3、经典电磁理论的困难根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。4、光子理论对康普顿效应的解释光子不仅具有能量也具有动量，在与电子碰撞时要遵守能量守恒定律和动量守恒定律，光子的部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。5、康普顿散射实验的意义（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；（2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；（3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。七、光子的能量和动量2mcEhchcchmcP2hE2chm（光子的动质量）既然光子有动量，那么光照射到物体表面被吸收或被反射时就会对物体有压力，叫做“光压”。有人设想在遥远的宇宙探测中利用光压力作动力推动航天器加速，这样可以大大减少航天器发射时自身的体积和重量的影响，在某个设计方案中，计划给探测器安上面积极大，反射率极高的薄膜，并设法让它始终正对太阳．已知在地球绕日轨道上，每平方米面积上得到的太阳光的功率为P0=1.35kW，探测器本身的质量为M=100kg，薄膜面积为S=4×104m2，那么探测器由地球发射到太空时，由于太阳光的光压而得到的加速度将为多大?§17.2崭新的一页：粒子的波动性hEhP动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的。光到底是什么？一、光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性，而热辐射、光电效应、康普顿效应又表明光具有粒子性，单独使用任何一种都无法完整地描述光的所有性质，因此光具有波粒二象性。1、波长越长，波动性越明显，频率越大，粒子性越明显；2、大量光子的行为表现波动性，单个光子的行为表现粒子性；3、传播过程中表现波动性，和其他物质相互作用时表现粒子性。二、德布罗意波（物质波）De.Broglie1923年发表了题为“波和粒子”的博士学位论文，提出了物质波的概念。他认为，“整个世纪以来（指19世纪）在光学中比起波动的研究方法来，如果说是过于忽视了粒子的研究方法的话，那么在实物的理论中，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图象想得太多，而过分忽略了波的现象呢”于是他提出假设“实物粒子也具有波动性”。能量为E、动量为p的粒子与频率为γ、波长为λ的波相联系，并遵从以下关系：E=mc2=hvP=h/λ这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波(物质波或概率波),其波长λ称为德布罗意波长。一个质量为m的实物粒子以速率v运动时，即具有以能量E和动量P所描述的粒子性，同时也具有以频率和波长所描述的波动性。hEPh＝德布罗意关系如速度v=3.0102m/s飞行的子弹，质量为m=10-2Kg，对应的德布罗意波长为：nmmvh25103.1如电子m=9.110-31Kg，速度v=5.0107m/s,对应的德布罗意波长为：nmmvh2104.1太小测不到！X射线波段三、物质波的实验验证1912年德国物理学家劳厄利用晶体中排列规则的物质微粒作为衍射光栅检验X射线的波动性，证明X射线就是波长为十分之几纳米的电磁波。X射线经晶体的衍射图电子射线经晶体的衍射图1927年，戴维孙和汤姆孙分别分别利用晶体做了电子束衍射实验，证实了电子的波动性。后来的实验证明原子、分子、中子等微观粒子也具有波动性。德布罗意公式成为揭示微观粒子波粒二象性统一性的基本公式，1929年，DeBroglie荣获Nobel物理学奖。hEPh＝四、电子显微镜阅读课本42页科学漫步回答问题。§17.4概率波一、经典的粒子和经典的波1、经典物理学中粒子运动的基本特征：任意时刻具有确定的位置和速度。2、经典物理学中波的基本特征：具有频率和波长也就是具有时空的周期性。二、概率波1、光子说对明暗条纹的解释明纹处到达的光子数多，暗纹处到达的光子数少。2、光的波动性不是光子之间的相互作用引起的，而是光子自身固有的性质。玻恩1926年提出概率波。玻恩(M.Born.1882-1970)德国物理学家。不能肯定某个光子落在哪一点，但大量光子在空间出现的概率可以通过波动规律确定，即光波是一种概率波。3、电子干涉条纹对概率波的验证。对于电子和其他微观粒子，单个粒子位置是不确定的，但在某点附近出现的概率的大小可以用波动的规律确定。三、经典波动与德布罗意波(物质波)的区别经典的波动(如机械波、电磁波等)是可以测出的、实际存在于空间的一种波动。而德布罗意波(物