大學(xué)物理-18第十八講光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、德布羅意波(002)-課件

1、第二十五章波粒二象性1引言：十九世紀(jì)末，隨著人們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典理論在解釋微觀物理現(xiàn)象時(shí)處處碰壁。主要包含:經(jīng)典熱力學(xué)理論無法說明黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律（“紫外災(zāi)難”） ；光的波動(dòng)理論對(duì)于光電效應(yīng)和 x 射線的康普頓效應(yīng)無法解釋(光是粒子還是波？)；經(jīng)典理論不能解釋原子的穩(wěn)定性和大小。25-1光的粒子性一、普朗克能量子假設(shè)2火爐1.熱輻射火爐1000度400度一切物體都以電磁波的形式向外輻射能量。輻射的能量與溫度有關(guān)，稱之為熱輻射。P.73幾個(gè)概念：單色輻出度：單位時(shí)間、單位表面積上所輻射出 的單位波長間隔內(nèi)的能量。輻射出射度：單位時(shí)間、單位表面積上所輻射出的各種波長

2、電磁波的能量。平衡熱輻射：輻射和吸收的能量恰好相等的輻射。輻射過程溫度恒定不變。 物體向外輻射的同時(shí)，也要從外界吸收。4吸收比 反射比2.絕對(duì)黑體及其熱輻射規(guī)律絕對(duì)黑體對(duì)于任意溫度、任何波長，其吸收比都恒為1，而無反射的物體。用不透明材料制成一空心容器，壁上開一小孔，可看成絕對(duì)黑體。非透明物體5斯忒藩玻耳茲曼定律維恩位移定律溫度升高時(shí)，單色輻出度最大值向短波方向移動(dòng)。黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1700K1300K6經(jīng)典物理的困難1900年，瑞利和金斯:只適于長波。1896年，維恩得出：短波部分與實(shí)驗(yàn)相符，但長波部分與之偏離。瑞利-金斯維恩理論值實(shí)驗(yàn)T=1646K“紫外災(zāi)難”7普朗克公式1900年德國物

3、理學(xué)家普朗克拼湊出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：由此能給出與前述兩條實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致的結(jié)果。問題：如何解釋這一拼湊的經(jīng)驗(yàn)公式？在長波段過渡到瑞利金斯公式，在短波段則過渡到維恩公式。8能量不連續(xù)概念能量子假說(1900年)：諧振子所處的能量狀態(tài)不連續(xù)，能量只能取某些特定的分離值：諧振子頻率量子數(shù)普朗克能量子假說輻射體由帶電諧振子組成。諧振子輻射和吸收電磁波，并由此和外界交換能量。(普朗克常數(shù))能量子能量量子經(jīng)典9諧振子輻射或吸收能量時(shí)將從一個(gè)能態(tài)躍遷到另一個(gè)能態(tài)。圓滿地解釋了絕對(duì)黑體的輻射問題，以及固體的比熱等問題。普朗克量子力學(xué)的開山鼻祖，1918年因此而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。提出了與經(jīng)典物理思想完全不同的概念，促

4、進(jìn)了量子力學(xué)的發(fā)展和誕生。假說的意義：諧振子輻射或吸收能量也是量子化的，也為 的整數(shù)倍。10RK1K2EGV光電管KA1.光電效應(yīng)當(dāng)光照射在金屬表面上時(shí)，就有電子（光電子）從金屬表面逸出的現(xiàn)象。A、K 兩極分開，但用光照陰極 K，電路中出現(xiàn)電流，稱光電流。二、愛因斯坦光子假說P.1311光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：1. 一定， 則 iH I，或 N I。2.光電子初動(dòng)能與 成正比，而與入射光強(qiáng)I無關(guān)：UUa ：入射光頻率； I：入射光強(qiáng)；iH：飽和光電流；N：光電子數(shù)3.存在紅限0，當(dāng) 0（ =c/）21x康普頓效應(yīng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)碰撞前：碰撞后：eemx系統(tǒng)能量守恒：系統(tǒng)動(dòng)量守恒：22電子質(zhì)量和散射光波長

5、：運(yùn)算得到康普頓散射方程與0 和散射物無關(guān)，而隨 增大。最大，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合很好!與實(shí)驗(yàn)公式比較得：康普頓波長23當(dāng)光子與原子內(nèi)層束縛很緊的電子碰撞時(shí)，它將與整個(gè)原子交換能量。原子質(zhì)量mA很大：輕原子中電子一般束縛較弱，而重原子中大部分內(nèi)部電子都束縛很緊，只有少數(shù)外層電子可視為自由電子。對(duì)正常散射的解釋光子與原子實(shí)作用的結(jié)果。對(duì)輕的物質(zhì)康普頓散射較強(qiáng)的解釋24康普頓實(shí)驗(yàn)的意義再一次證實(shí)了光子理論的正確性，說明光子具有質(zhì)量、能量、動(dòng)量-光具有粒子性。說明動(dòng)量守恒和能量守恒在微觀領(lǐng)域內(nèi)也是被嚴(yán)格遵守的。AHCompton（18921952年）美國物理學(xué)家，1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)結(jié)論光子與自由電

6、子相互作用的觀點(diǎn)成功地解釋了康普頓散射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？灯疹D效應(yīng)是研究個(gè)別光子與個(gè)別電子的作用。25證明：（反證法）設(shè)靜止自由電子吸收光子能量后以速率V 運(yùn)動(dòng)依能量守恒：依動(dòng)量守恒：解得：不可能！思考光電效應(yīng)中，一個(gè)電子可全部吸收一個(gè)光子的能量，而康普頓效應(yīng)中有何不同？答案自由電子不可能吸收光子，而只能以碰撞的形式進(jìn)行相互作用，獲得光子的部分能量。26例：已知X光子的能量為0.60MeV，在康普頓散射后,波長變化了20%，求反沖電子動(dòng)能。解：入射X射線的能量反沖電子能量2725-2 實(shí)物粒子的波動(dòng)性光的波粒二象性引起了法國德布羅意的思考 Once upon a time, there was a

7、handsome young prince named Louis de broglie. One day in 1924 the prince submitted his doctoral thesis in physics at the University of Paris. His thesis committee was beside itself with anxiety. For one thing, a prince of the realm is rarely a physics doctoral student. But to make matters worse, Pri

8、nce Louis thesis not only suggested that light waves might be particles, but also that real particles, like electrons, might be waves.28 What to do? The committee hit upon a brilliant solution. They would ask the wisest of the wise, Albert Einstein himself, to evaluate the thesis. If Einstein said i

9、t was nonsense, they could reject the thesis, even though it came from a prince. But when Einstein read the thesis, he didnt think it was nonsense at all. In fact, he thought it had merit. The thesis was accepted. Prince Louis de Broglie won the Nobel prize for his thesis in 1929, became a professor

10、 of physics at the University of Paris, and lived happily ever after.291924年德布羅意在他的博士論文“量子論研究”中,大膽地提出了一切實(shí)物粒子都具有波動(dòng)性的假說。該假說對(duì)實(shí)物粒子建立了一種微粒和波動(dòng)雙重性的圖象。這種描述實(shí)物粒子的波稱為“物質(zhì)波”或“德布羅意波”。類似于光的波粒二象性，質(zhì)量為m、以勻速V運(yùn)動(dòng)的粒子具有相應(yīng)的頻率、波長。一、德布羅意波實(shí)物粒子同光子一樣：30德布羅意公式非相對(duì)論近似（Vc）時(shí)：一個(gè)具有能量E、動(dòng)量P 的實(shí)物粒子，其相應(yīng)的物質(zhì)波的頻率和波長滿足如下德布羅意公式：31而對(duì)m00的實(shí)物粒子，V是指

11、粒子的運(yùn)動(dòng)速度(群速)，故不存在V= 的關(guān)系。思考：根據(jù)如下兩關(guān)系有人推出：？No !波的相速Why?P.3632UBK發(fā)射電子陰級(jí)加速電極em0例：一原靜止的電子被電場加速到速度V。(V c),加速電壓為U，則電子的德布羅意波波長為多少？解：德布羅意波長：P.3633電流出現(xiàn)了周期性變化UGNi單晶電流計(jì)MBK發(fā)射電子陰級(jí)加速電極Ni單晶da實(shí)驗(yàn)結(jié)果I實(shí)驗(yàn)裝置：戴維遜-革末實(shí)驗(yàn)德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證34電子德布羅意波長：當(dāng)U=54V，2d=0.215nm時(shí)，在 =50的方向上測得電子流的極大值（散射極大）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：散射極大方向滿足喇格公式k =1， =51理論計(jì)算：兩值差別源于電子受正離子吸引，在晶體中動(dòng)量稍大。經(jīng)修正后結(jié)果與實(shí)驗(yàn)完全符合。35電子衍射圖樣德拜相(a)波長為0.71nm的x射線通過鋁箔所得到的衍射環(huán).(b)波長為0.05nm的電子束通過鋁箔所得到的衍射環(huán).(c)中子通過銅箔所得到的衍射環(huán).36電子雙縫衍射實(shí)驗(yàn)1961年瓊森將一束電子加速到50KeV，讓其通過一縫寬為a=0.510-6m，間隔為d=2.010-6m的雙縫，