大學(xué)物理-波粒二象性1黑體輻射和光電效應(yīng)及康課件

第26章波粒二象性

§26.1量子概念的誕生

§26.2光的粒子性的提出

§26.3康普頓散射

§26.5概率波與概率幅

§26.4粒子的波動性

§26.6不確定關(guān)系

第26章波粒二象性§26.1量子概念的誕生§26.11、X射線的發(fā)現(xiàn)(1895年)

§.引言臨近世紀(jì)末，上帝突然變得躁動不安，他扔下一大把謎語，然后默默不言。陶醉在經(jīng)典物理學(xué)無往不勝的壓倒性戰(zhàn)績里的人們隱隱覺得什么地方出了問題，自然界還是有很多神秘現(xiàn)象沒能解釋。一、三大發(fā)現(xiàn)揭開研究微觀世界的序幕(WilhelmKonradR?ntgen，1845—1923)1、X射線的發(fā)現(xiàn)(1895年)§.引言臨近2倫琴,1845年3月27日生于德國萊茵省的雷內(nèi)普(Lennep)，是紡織商人的獨(dú)生子，童年時代大部分是在母親的故鄉(xiāng)荷蘭渡過。1868年倫琴畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦工程學(xué)院，成為一名機(jī)械工程師。1869年，獲哲學(xué)博士學(xué)位。受老師昆特教授的影響，轉(zhuǎn)而從事物理學(xué)的研究，并隨昆特到維爾茨堡大學(xué)做昆特的助手。1872年倫琴到斯特拉斯堡大學(xué)任副教授。1875年成為霍恩海堡農(nóng)業(yè)專科學(xué)校的教授。1879年—1888年主持吉森大學(xué)物理學(xué)講座。1889年—1893年任耶拿大學(xué)和烏德勒茲兩大學(xué)的教授。1894年—1900年年任維爾茨堡大學(xué)校長和慕尼黑物理研究所所長。他是柏林和慕尼黑科學(xué)院的通訊院士。倫琴,1845年3月27日生于德國萊茵省的3§24.6X射線衍射布喇格公式1.

X

射線AK高壓1895年德國的倫琴發(fā)現(xiàn)X射線。原子內(nèi)殼層電子躍遷產(chǎn)生的一種輻射和高速電子在靶上驟然減速時伴隨的輻射，稱為X射線。其特點(diǎn)是：#在電磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；#穿透力強(qiáng)；#波長較短的電磁波；范圍在0.01nm~10nm之間；#具有化學(xué)、生物反應(yīng)作用?！?4.6X射線衍射布喇格公式1.X射線AK42.

X

射線晶體衍射

天然晶體可以看作是光柵常數(shù)很小的空間三維衍射光柵。1912年勞厄的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖：BCP鉛版天然晶體乳膠板在乳膠板上形成對稱分布的若干衍射斑點(diǎn)，稱為勞厄斑。1913年英國物理學(xué)家布喇格父子提出一種簡化了的研究X射線衍射的方法，與勞厄理論結(jié)果一致。2.X射線晶體衍射天然晶體可以看作是光柵常數(shù)1953.

布喇格公式同一晶面上相鄰原子散射的光波的光程差為AD-BC=0，它們相干加強(qiáng)。若要在該方向上不同晶面上原子散射光相干加強(qiáng)，則必須滿足：CDMNPAB123d即當(dāng)時各層面上的反射光相干加強(qiáng)，形成亮點(diǎn)，稱為k級干涉主極大。該式稱為布喇格公式。因?yàn)榫w有很多組平行晶面，晶面間的距離d各不相同，所以勞厄斑是由空間分布的亮斑組成。3.布喇格公式同一晶面上相鄰原子CDMNPAB123d6X射線的應(yīng)用不僅開創(chuàng)了研究晶體結(jié)構(gòu)的新領(lǐng)域，而且用它可以作光譜分析，在科學(xué)研究和工程技術(shù)上有著廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)和分子生物學(xué)領(lǐng)域也不斷有新的突破。1953年英國的威爾金斯、沃森和克里克利用X射線的結(jié)構(gòu)分析得到了遺傳基因脫氧核糖核酸（DNA)的雙螺旋結(jié)構(gòu)，榮獲了1962年度諾貝爾生物和醫(yī)學(xué)獎。4.應(yīng)用2002度諾貝爾物理學(xué)獎--X射線天文學(xué)。X射線的應(yīng)用不僅開創(chuàng)了研究晶體結(jié)構(gòu)的新在醫(yī)72009年10月7日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎委員會宣布，將2009年度諾貝爾化學(xué)獎授予美國科學(xué)家文卡特拉曼·拉馬克里希南、托馬斯·施泰茨和以色列女科學(xué)家阿達(dá)·約納特，他們分別采用X射線晶體學(xué)方法，繪制出核糖體的三維模型，不僅讓我們知曉了核糖體的“外貌”，而且在原子層面揭示了核糖體功能的機(jī)理。諾貝爾獎評審委員會認(rèn)為，這項研究可以很快在實(shí)際中得到應(yīng)用。今天的抗生素藥品治療很多疾病，主要是通過阻止核糖體細(xì)菌發(fā)揮作用，沒有發(fā)揮作用的核糖體，細(xì)菌就不能生存。2009年10月7日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎8科學(xué)家使用了13種波長（從紫外線到紅外線之間的）的光照射《蒙娜·麗莎》，并用攝像機(jī)掃描畫面。撥開幾世紀(jì)前的顏料和其他改變，得出了結(jié)果：達(dá)·芬奇實(shí)際上給蒙娜·麗莎畫了眉毛。美國用新的X光技術(shù)揭開諸多名畫隱藏的秘密科學(xué)家使用了13種波長（從紫外線到紅外線之間的）的光照射《蒙92、放射性的發(fā)現(xiàn)(1896年)安東尼·亨利·貝克勒爾（AntoineHenriBecquerel，1852—1908）于1852年生于法國。1872年就讀巴黎理工大學(xué)，后在公路橋梁學(xué)校畢業(yè)，獲工程師職位。1878年在巴黎自然博物館任物理學(xué)教授，1895年任理工大學(xué)教授。1903年諾貝爾物理學(xué)獎一半授予法國物理學(xué)家亨利·貝克勒爾，以表彰他發(fā)現(xiàn)了自發(fā)放射性；另一半授予法國物理學(xué)家皮埃爾·居里（PierreCurie，1859—1906）和瑪麗·斯可羅夫斯卡·居里（MarieSklodowska，1867—1934）.2、放射性的發(fā)現(xiàn)(1896年)安東尼·亨利·貝克勒爾（Ant103、電子的發(fā)現(xiàn)（1897年）J?J?湯姆孫(JospehJohnThomson,1856～1940)1856年出生于英格蘭的曼徹斯特附近的蘇格蘭人家庭.1870年進(jìn)入曼徹斯特的一所?？茖W(xué)校，本打算學(xué)工科，但卻對物理學(xué)逐漸發(fā)生了興趣。1876年，他靠獎學(xué)金入劍橋大學(xué)讀書，此后便在那里度過了他的一生.領(lǐng)導(dǎo)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室達(dá)三十余年之久.“布丁蛋糕”原子模型.3、電子的發(fā)現(xiàn)（1897年）J?J?湯姆孫(Josp111900年4月27日，開爾文(WilliamThomson）在英國皇家學(xué)會以《19世紀(jì)熱和光的動力理論上空的烏云》為題作長篇演講?！耙蕴浴薄白贤鉃?zāi)難”物理學(xué)晴空中的兩朵烏云.二.十九世紀(jì)物理學(xué)的成就與困惑1900年4月27日，開爾文(WilliamTh1226.1量子概念的誕生——普朗克量子假設(shè)1.熱輻射:由溫度決定的物體的電磁輻射。一.熱輻射的基本概念入射反射透射吸收輻射物體輻射電磁波的同時也吸收電磁波。輻射和吸收達(dá)到平衡時，物體的溫度不再變化，此時物體的熱輻射稱為平衡熱輻射。26.1量子概念的誕生——普朗克量子假設(shè)1.熱輻射:132.單色輻出度

—-在一定溫度T下，物體單位表面在單位時間內(nèi)發(fā)射的波長在λ~λ+dλ范圍內(nèi)的輻射能與波長間隔的比值，即

3.熱輻射的特點(diǎn):(1)連續(xù)譜(2)頻譜分布隨溫度變化,溫度越高,輻射越強(qiáng)(3)物體的輻射本領(lǐng)與溫度、材料有關(guān)；輻射本領(lǐng)越大，吸收本領(lǐng)也越大。2.單色輻出度—-在一定溫度T下，物體單位表面在單位14二.黑體輻射1.絕對黑體(黑體)：能夠全部吸收各種波長的輻射且不反射和透射的物體。黑體輻射的特點(diǎn)：

與同溫度其它物體的熱輻射相比，黑體熱輻射本領(lǐng)最強(qiáng).

煤煙

約90%黑體模型黑體熱輻射溫度材料性質(zhì)二.黑體輻射1.絕對黑體(黑體)：能夠全部吸收各種波長的15(1)斯忒藩(Stefan)-玻耳茲曼(Boltzmann)定律(2)維恩(Wien)位移定律實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)絕對黑體的溫度升高時，單色輻出度最大值m

向短波方向移動。1700k1500k1300k2.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律絕對黑體的輻出度按波長分布曲線(1)斯忒藩(Stefan)-玻耳茲曼(Boltzmann16熱輻射的規(guī)律在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)上的應(yīng)用非常廣泛.它是測高溫、遙感、紅外追蹤等技術(shù)的物理基礎(chǔ).例如：太陽光譜測出，可推算得太陽表面溫度約為6000K；地面溫度約為300K，可算得，這說明地面的熱輻射主要在10μm附近的波段，而大氣對這一波段的電磁波吸收極少，幾乎透明，故長稱這一波段為電磁波的窗口（大氣窗口）.地球衛(wèi)星可以利用紅外遙感技術(shù)測定地面的熱輻射，從而進(jìn)行資源、地質(zhì)等各類探查。宇宙背景輻射：熱輻射的規(guī)律在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)上的應(yīng)用非常廣泛.它是17瑞利(Rayleigh)和金斯(Jeans)用能量均分定理、電磁理論得出：只適于長波，有所謂的“紫外災(zāi)難”。實(shí)驗(yàn)瑞利-金斯維恩理論值T=1646k維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出：3.黑體輻射的經(jīng)典物理的理論公式瑞利(Rayleigh)和金斯(Jeans)只適于長波18三.普朗克(Planck)公式(1900年)MB瑞利—金斯公式(1900年)維恩公式(1896年)

1.普朗克公式實(shí)驗(yàn)曲線普朗克常數(shù)

h=6.626×10-34J·s

（為得到這一公式，普朗克提出了能量量子化假設(shè)）三.普朗克(Planck)公式(1900年)MB瑞利19能量子假說:輻射黑體中的分子、原子振動可看作線性諧振子，它和周圍電磁場交換能量。這些諧振子只能處于某種特殊的狀態(tài)，它的能量取值只能為某一最小能量（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：普朗克常數(shù)2.普朗克能量子假設(shè)首次提出微觀粒子的能量是量子化的，打破了經(jīng)典物理學(xué)中能量連續(xù)的觀念。3.意義打開了人們認(rèn)識微觀世界的大門,在物理學(xué)發(fā)展史上起了劃時代的作用.能量子假說:輻射黑體中的分子、原子振動可看作線性諧振子，它和20光電效應(yīng)

當(dāng)波長較短的可見光或紫外光照射到某些金屬表面上時,金屬中的電子就會從光中吸取能量而從金屬表面逸出的現(xiàn)象。一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

金屬板釋放的電子稱為光電子,光電子在電場作用下在回路中形成光電流?！?6.2光的粒子性的提出入射光線OOOOOOVGAKBOO光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置光電效應(yīng)當(dāng)波長較短的一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律21光電效應(yīng)伏安特性曲線1)飽和電流Is當(dāng)加速電勢差增加到一定值時，電流達(dá)到飽和，說明所有電子都到達(dá)陽極。在同樣加速電壓下，光強(qiáng)越強(qiáng)，光電流越大。結(jié)論1：單位時間內(nèi)，光電子數(shù)和入射光的光強(qiáng)有關(guān).IOU光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較弱Is飽和電流Ua遏止電勢差2)遏止電勢差Ua當(dāng)反向電勢差達(dá)到Ua

時，光電流為零稱Ua的絕對值為遏止電勢差。12mUa=ev2m

結(jié)論2：光電子從金屬表面逸出時具有一定的動能，最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。光電效應(yīng)伏安特性曲線1)飽和電流Is當(dāng)加速電勢差22（3）遏止頻率（又稱紅限）實(shí)驗(yàn)表明：遏止電勢差和入射光的頻率之間具有線性關(guān)系。K為不隨金屬性質(zhì)不同而改變的普適恒量即最大初動能隨入射光的頻率線性地增加，要使光所照射的金屬釋放電子，入射光的頻率必須滿足：

稱為光電效應(yīng)的紅限（遏止頻率）（3）遏止頻率（又稱紅限）實(shí)驗(yàn)表明：遏止電K為不隨金屬性質(zhì)23（4）弛豫時間

實(shí)驗(yàn)表明，從入射光開始照射直到金屬釋放出電子，無論光的強(qiáng)度如何，這段時間很短，不超過。結(jié)論3：光電子從金屬表面逸出時的最大初動能與入射光的頻率成線性關(guān)系。當(dāng)入射光的頻率小于時，不管照射光的強(qiáng)度多大，不會產(chǎn)生光電效應(yīng)。結(jié)論4：光電效應(yīng)的產(chǎn)生幾乎無需時間的累積（4）弛豫時間實(shí)驗(yàn)表明，從入射光開始照射直到金屬釋放出電24二.經(jīng)典物理與實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾電子在電磁波作用下作受迫振動，直到獲得足夠能量(與光強(qiáng)I有關(guān))逸出，不應(yīng)存在紅限0。當(dāng)光強(qiáng)很小時，電子要逸出，必須經(jīng)較長時間的能量積累。只有光的頻率0

時，電子才會逸出。光電子即時發(fā)射，滯后時間不超過10–9秒。經(jīng)典物理無法解釋的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電子最大初動能和光頻率

成線性關(guān)系。

光電子最大初動能取決于光強(qiáng)，和光的頻率無關(guān)。二.經(jīng)典物理與實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾電子在電磁波作用下作受迫振25三.愛因斯坦光子假說和光電效應(yīng)方程光是光子流

，每一光子能量為h

，電子吸收一個光子（A為逸出功）單位時間到達(dá)單位面積的光子數(shù)為N，則光強(qiáng)I=Nh

.I越強(qiáng),到陰極的光子越多,則逸出的光電子越多。電子吸收一個光子即可逸出，不需要長時間的能量積累。光頻率>A/h

時，電子吸收一個光子即可克服逸出功A

逸出(o=A/h)。

結(jié)論光電子最大初動能和光頻率

成線性關(guān)系。

三.愛因斯坦光子假說和光電效應(yīng)方程光是光子流，每一光子26

光不僅具有波動性，還具有粒子性。這種雙重性稱為波-粒二象性。波動性和粒子性之間的聯(lián)系如下：光子動量光子能量光子質(zhì)量粒子性：光的性質(zhì)不同側(cè)面波動性：突出表現(xiàn)在傳播過程中（干涉、衍射）突出表現(xiàn)在與物質(zhì)相互作用中（光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等）四.光（電磁輻射）的波粒二象性光不僅具有波動性，還具有粒子性。這種雙重性稱為波-27測量波長在200~1200nm極微弱光的功率光電效應(yīng)的應(yīng)用光電管:光電開關(guān),紅外成像儀,光電傳感器等光電倍增管:(微光)夜視儀測量波長在200~1200nm極微弱光的功率光電效28例1:鉀的光電效應(yīng)紅限波長為求:(1)鉀的逸出功;(2)在波長的紫外光照射下,鉀的遏止電勢差.分析:求解有關(guān)光電效應(yīng)的習(xí)題,關(guān)鍵在于深刻理解愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及方程中每一項物理量的含義.解:(1)逸出功(2)由光電效應(yīng)方程,及,可得例1:鉀的光電效應(yīng)紅限波長為29例2:鋁的逸出功為4.2eV.今用波長為200nm的紫外光照射到鋁表面上,發(fā)射的光電子的最大初動能為多少?遏止電勢差為多大?鋁的紅限波長是多大?解:(1)由光電效應(yīng)方程,得(2)由得(3)由得例2:鋁的逸出功為4.2eV.今用波長為2030例3：有一金屬鉀薄片，距弱光源3米。此光源的功率為1W，計算在單位時間內(nèi)打在金屬單位面積上的光子數(shù)。設(shè)=589nm。解：例3：有一金屬鉀薄片，距弱光源3米。此光源的功率為1W，計算31例4:如果一個光子的能量等于一個電子的靜止能量,問該光子的頻率、波長和動量各是多少?在電磁波譜中屬于何種射線?分析:可根據(jù)相對論的質(zhì)能關(guān)系求得光子的能量,再根據(jù)光子的基本性質(zhì)求解.解:由,得光子頻率光子波長光子動量屬于射線.例4:如果一個光子的能量等于一個電子的靜止能32θ0λ0探測器026.3

康普頓散射及光子理論的解釋一.康普頓散射X

光管光闌散射物體(實(shí)驗(yàn)裝置示意圖）康普頓效應(yīng)：在散射的x射線中，不但存在與入射線波長相同的反射線，同時還存在波長大于入射線波長的反射線現(xiàn)象。θ0λ0探測器026.332、康普頓散射強(qiáng)度隨散射角的增加而增加。隨物質(zhì)原子量的增大而減弱。1、波長的改變量-o隨散射角的增加而增加，與散射物質(zhì)無關(guān)?？灯疹D波長：2、康普頓散射強(qiáng)度隨散射角的增加而增加。隨物質(zhì)原子量的增大34強(qiáng)度變化

波長0

輕物質(zhì)（多數(shù)電子處于弱束縛狀態(tài)）弱強(qiáng)重物質(zhì)（多數(shù)電子處于強(qiáng)束縛狀態(tài)）強(qiáng)弱吳有訓(xùn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)度變化35二.經(jīng)典物理的解釋經(jīng)典理論只能說明波長不變的散射，而不能說明康普頓散射.電子受迫振動同頻率散射線發(fā)射

單色電磁波照射θ受迫振動v0散射物體二.經(jīng)典物理的解釋經(jīng)典理論只能說明波長不變的散射，而不能36子能量幾乎不變，波長不變。小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光光子將與整個原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)2.若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，是散射光的波長大于入射光的波長。部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于1.若光子和外層電子相碰撞，光子有一康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的結(jié)果：

3.因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。三.光子理論的解釋子能量幾乎不變，波長不變。小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞37能量、動量守恒(1)入射X射線光子與外層電子彈性碰撞外層電子受原子核束縛較弱動能＜＜光子能量近似自由近似靜止靜止自由電子能量、動量守恒(1)入射X射線光子與外層電子彈性碰撞外38（電子的康普頓波長）其中（電子的康普頓波長）其中39(2)X射線光子和原子內(nèi)層電子相互作用光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子，碰撞時光子不損失能量，波長不變。自由電子000內(nèi)層電子被緊束縛，光子相當(dāng)于和整個原子發(fā)生碰撞。光子內(nèi)層電子外層電子波長變大的散射線波長不變的散射線彈性碰撞結(jié)論原子(2)X射線光子和原子內(nèi)層電子相互作用光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子401、波長改變量與隨散射角的增加而增加，與散射物質(zhì)無關(guān)。2、波長的改變量與入射光的波長無關(guān)?？梢姽猓簒光：討論：證明了愛因斯坦光子理論的正確性.證明了能量守恒、動量守恒定律的普適性.證明相對論效應(yīng)在宏觀、微觀均存在.意義：1、波長改變量與隨散射角的增加而增加，與散射物質(zhì)無關(guān)。41例1.(同教材P140例26.3)

λ0=0.02nm的X射線與靜止的自由電子碰撞,若從與入射線成900的方向觀察散射線。

求:(1)散射線的波長λ;(2)反沖電子的動能;(3)反沖電子的動量。解(1)散射線的波長λ:(2)反沖電子的動能:(3)反沖電子的動量：q散射光子靜止電子反沖電子入射光子例1.(同教材P140例26.3)λ0=0.42例2：在康普頓效應(yīng)中，入射光子的波長為3×10-3nm，反沖電子的速度為光速的60%，求散射光子的波長和散射角。解：例2：在康普頓效應(yīng)中，入射光子的波長為3×10-3nm，反沖43大學(xué)物理-波粒二象性1黑體輻射和光電效應(yīng)及康課件44例3.一光子與自由電子碰撞,電子可能獲得的最大能量為60keV,求入射光子的波長和能量.分析:根據(jù)能量守恒定律,反沖電子的能量最大,則散射光子的能量最小,康普頓散射的波長偏移量為最大,發(fā)生在散射角的方向上.由可求得入射光子的能量和波長.解:根據(jù)分析,知由例3.一光子與自由電子碰撞,電子可能獲得的最大45可解得相應(yīng)的光子能量作業(yè):P153~2;11;13;15;16;19；20.可解得相應(yīng)的光子能量作業(yè):P153~46第26章波粒二象性

§26.1量子概念的誕生

§26.2光的粒子性的提出

§26.3康普頓散射

§26.5概率波與概率幅

§26.4粒子的波動性

§26.6不確定關(guān)系

第26章波粒二象性§26.1量子概念的誕生§26.471、X射線的發(fā)現(xiàn)(1895年)

§.引言臨近世紀(jì)末，上帝突然變得躁動不安，他扔下一大把謎語，然后默默不言。陶醉在經(jīng)典物理學(xué)無往不勝的壓倒性戰(zhàn)績里的人們隱隱覺得什么地方出了問題，自然界還是有很多神秘現(xiàn)象沒能解釋。一、三大發(fā)現(xiàn)揭開研究微觀世界的序幕(WilhelmKonradR?ntgen，1845—1923)1、X射線的發(fā)現(xiàn)(1895年)§.引言臨近48倫琴,1845年3月27日生于德國萊茵省的雷內(nèi)普(Lennep)，是紡織商人的獨(dú)生子，童年時代大部分是在母親的故鄉(xiāng)荷蘭渡過。1868年倫琴畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦工程學(xué)院，成為一名機(jī)械工程師。1869年，獲哲學(xué)博士學(xué)位。受老師昆特教授的影響，轉(zhuǎn)而從事物理學(xué)的研究，并隨昆特到維爾茨堡大學(xué)做昆特的助手。1872年倫琴到斯特拉斯堡大學(xué)任副教授。1875年成為霍恩海堡農(nóng)業(yè)?？茖W(xué)校的教授。1879年—1888年主持吉森大學(xué)物理學(xué)講座。1889年—1893年任耶拿大學(xué)和烏德勒茲兩大學(xué)的教授。1894年—1900年年任維爾茨堡大學(xué)校長和慕尼黑物理研究所所長。他是柏林和慕尼黑科學(xué)院的通訊院士。倫琴,1845年3月27日生于德國萊茵省的49§24.6X射線衍射布喇格公式1.

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射線AK高壓1895年德國的倫琴發(fā)現(xiàn)X射線。原子內(nèi)殼層電子躍遷產(chǎn)生的一種輻射和高速電子在靶上驟然減速時伴隨的輻射，稱為X射線。其特點(diǎn)是：#在電磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；#穿透力強(qiáng)；#波長較短的電磁波；范圍在0.01nm~10nm之間；#具有化學(xué)、生物反應(yīng)作用?！?4.6X射線衍射布喇格公式1.X射線AK502.

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射線晶體衍射

天然晶體可以看作是光柵常數(shù)很小的空間三維衍射光柵。1912年勞厄的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖：BCP鉛版天然晶體乳膠板在乳膠板上形成對稱分布的若干衍射斑點(diǎn)，稱為勞厄斑。1913年英國物理學(xué)家布喇格父子提出一種簡化了的研究X射線衍射的方法，與勞厄理論結(jié)果一致。2.X射線晶體衍射天然晶體可以看作是光柵常數(shù)19513.

布喇格公式同一晶面上相鄰原子散射的光波的光程差為AD-BC=0，它們相干加強(qiáng)。若要在該方向上不同晶面上原子散射光相干加強(qiáng)，則必須滿足：CDMNPAB123d即當(dāng)時各層面上的反射光相干加強(qiáng)，形成亮點(diǎn)，稱為k級干涉主極大。該式稱為布喇格公式。因?yàn)榫w有很多組平行晶面，晶面間的距離d各不相同，所以勞厄斑是由空間分布的亮斑組成。3.布喇格公式同一晶面上相鄰原子CDMNPAB123d52X射線的應(yīng)用不僅開創(chuàng)了研究晶體結(jié)構(gòu)的新領(lǐng)域，而且用它可以作光譜分析，在科學(xué)研究和工程技術(shù)上有著廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)和分子生物學(xué)領(lǐng)域也不斷有新的突破。1953年英國的威爾金斯、沃森和克里克利用X射線的結(jié)構(gòu)分析得到了遺傳基因脫氧核糖核酸（DNA)的雙螺旋結(jié)構(gòu)，榮獲了1962年度諾貝爾生物和醫(yī)學(xué)獎。4.應(yīng)用2002度諾貝爾物理學(xué)獎--X射線天文學(xué)。X射線的應(yīng)用不僅開創(chuàng)了研究晶體結(jié)構(gòu)的新在醫(yī)532009年10月7日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎委員會宣布，將2009年度諾貝爾化學(xué)獎授予美國科學(xué)家文卡特拉曼·拉馬克里希南、托馬斯·施泰茨和以色列女科學(xué)家阿達(dá)·約納特，他們分別采用X射線晶體學(xué)方法，繪制出核糖體的三維模型，不僅讓我們知曉了核糖體的“外貌”，而且在原子層面揭示了核糖體功能的機(jī)理。諾貝爾獎評審委員會認(rèn)為，這項研究可以很快在實(shí)際中得到應(yīng)用。今天的抗生素藥品治療很多疾病，主要是通過阻止核糖體細(xì)菌發(fā)揮作用，沒有發(fā)揮作用的核糖體，細(xì)菌就不能生存。2009年10月7日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎54科學(xué)家使用了13種波長（從紫外線到紅外線之間的）的光照射《蒙娜·麗莎》，并用攝像機(jī)掃描畫面。撥開幾世紀(jì)前的顏料和其他改變，得出了結(jié)果：達(dá)·芬奇實(shí)際上給蒙娜·麗莎畫了眉毛。美國用新的X光技術(shù)揭開諸多名畫隱藏的秘密科學(xué)家使用了13種波長（從紫外線到紅外線之間的）的光照射《蒙552、放射性的發(fā)現(xiàn)(1896年)安東尼·亨利·貝克勒爾（AntoineHenriBecquerel，1852—1908）于1852年生于法國。1872年就讀巴黎理工大學(xué)，后在公路橋梁學(xué)校畢業(yè)，獲工程師職位。1878年在巴黎自然博物館任物理學(xué)教授，1895年任理工大學(xué)教授。1903年諾貝爾物理學(xué)獎一半授予法國物理學(xué)家亨利·貝克勒爾，以表彰他發(fā)現(xiàn)了自發(fā)放射性；另一半授予法國物理學(xué)家皮埃爾·居里（PierreCurie，1859—1906）和瑪麗·斯可羅夫斯卡·居里（MarieSklodowska，1867—1934）.2、放射性的發(fā)現(xiàn)(1896年)安東尼·亨利·貝克勒爾（Ant563、電子的發(fā)現(xiàn)（1897年）J?J?湯姆孫(JospehJohnThomson,1856～1940)1856年出生于英格蘭的曼徹斯特附近的蘇格蘭人家庭.1870年進(jìn)入曼徹斯特的一所?？茖W(xué)校，本打算學(xué)工科，但卻對物理學(xué)逐漸發(fā)生了興趣。1876年，他靠獎學(xué)金入劍橋大學(xué)讀書，此后便在那里度過了他的一生.領(lǐng)導(dǎo)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室達(dá)三十余年之久.“布丁蛋糕”原子模型.3、電子的發(fā)現(xiàn)（1897年）J?J?湯姆孫(Josp571900年4月27日，開爾文(WilliamThomson）在英國皇家學(xué)會以《19世紀(jì)熱和光的動力理論上空的烏云》為題作長篇演講?！耙蕴浴薄白贤鉃?zāi)難”物理學(xué)晴空中的兩朵烏云.二.十九世紀(jì)物理學(xué)的成就與困惑1900年4月27日，開爾文(WilliamTh5826.1量子概念的誕生——普朗克量子假設(shè)1.熱輻射:由溫度決定的物體的電磁輻射。一.熱輻射的基本概念入射反射透射吸收輻射物體輻射電磁波的同時也吸收電磁波。輻射和吸收達(dá)到平衡時，物體的溫度不再變化，此時物體的熱輻射稱為平衡熱輻射。26.1量子概念的誕生——普朗克量子假設(shè)1.熱輻射:592.單色輻出度

—-在一定溫度T下，物體單位表面在單位時間內(nèi)發(fā)射的波長在λ~λ+dλ范圍內(nèi)的輻射能與波長間隔的比值，即

3.熱輻射的特點(diǎn):(1)連續(xù)譜(2)頻譜分布隨溫度變化,溫度越高,輻射越強(qiáng)(3)物體的輻射本領(lǐng)與溫度、材料有關(guān)；輻射本領(lǐng)越大，吸收本領(lǐng)也越大。2.單色輻出度—-在一定溫度T下，物體單位表面在單位60二.黑體輻射1.絕對黑體(黑體)：能夠全部吸收各種波長的輻射且不反射和透射的物體。黑體輻射的特點(diǎn)：

與同溫度其它物體的熱輻射相比，黑體熱輻射本領(lǐng)最強(qiáng).

煤煙

約90%黑體模型黑體熱輻射溫度材料性質(zhì)二.黑體輻射1.絕對黑體(黑體)：能夠全部吸收各種波長的61(1)斯忒藩(Stefan)-玻耳茲曼(Boltzmann)定律(2)維恩(Wien)位移定律實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)絕對黑體的溫度升高時，單色輻出度最大值m

向短波方向移動。1700k1500k1300k2.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律絕對黑體的輻出度按波長分布曲線(1)斯忒藩(Stefan)-玻耳茲曼(Boltzmann62熱輻射的規(guī)律在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)上的應(yīng)用非常廣泛.它是測高溫、遙感、紅外追蹤等技術(shù)的物理基礎(chǔ).例如：太陽光譜測出，可推算得太陽表面溫度約為6000K；地面溫度約為300K，可算得，這說明地面的熱輻射主要在10μm附近的波段，而大氣對這一波段的電磁波吸收極少，幾乎透明，故長稱這一波段為電磁波的窗口（大氣窗口）.地球衛(wèi)星可以利用紅外遙感技術(shù)測定地面的熱輻射，從而進(jìn)行資源、地質(zhì)等各類探查。宇宙背景輻射：熱輻射的規(guī)律在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)上的應(yīng)用非常廣泛.它是63瑞利(Rayleigh)和金斯(Jeans)用能量均分定理、電磁理論得出：只適于長波，有所謂的“紫外災(zāi)難”。實(shí)驗(yàn)瑞利-金斯維恩理論值T=1646k維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出：3.黑體輻射的經(jīng)典物理的理論公式瑞利(Rayleigh)和金斯(Jeans)只適于長波64三.普朗克(Planck)公式(1900年)MB瑞利—金斯公式(1900年)維恩公式(1896年)

1.普朗克公式實(shí)驗(yàn)曲線普朗克常數(shù)

h=6.626×10-34J·s

（為得到這一公式，普朗克提出了能量量子化假設(shè)）三.普朗克(Planck)公式(1900年)MB瑞利65能量子假說:輻射黑體中的分子、原子振動可看作線性諧振子，它和周圍電磁場交換能量。這些諧振子只能處于某種特殊的狀態(tài)，它的能量取值只能為某一最小能量（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：普朗克常數(shù)2.普朗克能量子假設(shè)首次提出微觀粒子的能量是量子化的，打破了經(jīng)典物理學(xué)中能量連續(xù)的觀念。3.意義打開了人們認(rèn)識微觀世界的大門,在物理學(xué)發(fā)展史上起了劃時代的作用.能量子假說:輻射黑體中的分子、原子振動可看作線性諧振子，它和66光電效應(yīng)

當(dāng)波長較短的可見光或紫外光照射到某些金屬表面上時,金屬中的電子就會從光中吸取能量而從金屬表面逸出的現(xiàn)象。一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

金屬板釋放的電子稱為光電子,光電子在電場作用下在回路中形成光電流?！?6.2光的粒子性的提出入射光線OOOOOOVGAKBOO光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置光電效應(yīng)當(dāng)波長較短的一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律67光電效應(yīng)伏安特性曲線1)飽和電流Is當(dāng)加速電勢差增加到一定值時，電流達(dá)到飽和，說明所有電子都到達(dá)陽極。在同樣加速電壓下，光強(qiáng)越強(qiáng)，光電流越大。結(jié)論1：單位時間內(nèi)，光電子數(shù)和入射光的光強(qiáng)有關(guān).IOU光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較弱Is飽和電流Ua遏止電勢差2)遏止電勢差Ua當(dāng)反向電勢差達(dá)到Ua

時，光電流為零稱Ua的絕對值為遏止電勢差。12mUa=ev2m

結(jié)論2：光電子從金屬表面逸出時具有一定的動能，最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。光電效應(yīng)伏安特性曲線1)飽和電流Is當(dāng)加速電勢差68（3）遏止頻率（又稱紅限）實(shí)驗(yàn)表明：遏止電勢差和入射光的頻率之間具有線性關(guān)系。K為不隨金屬性質(zhì)不同而改變的普適恒量即最大初動能隨入射光的頻率線性地增加，要使光所照射的金屬釋放電子，入射光的頻率必須滿足：

稱為光電效應(yīng)的紅限（遏止頻率）（3）遏止頻率（又稱紅限）實(shí)驗(yàn)表明：遏止電K為不隨金屬性質(zhì)69（4）弛豫時間

實(shí)驗(yàn)表明，從入射光開始照射直到金屬釋放出電子，無論光的強(qiáng)度如何，這段時間很短，不超過。結(jié)論3：光電子從金屬表面逸出時的最大初動能與入射光的頻率成線性關(guān)系。當(dāng)入射光的頻率小于時，不管照射光的強(qiáng)度多大，不會產(chǎn)生光電效應(yīng)。結(jié)論4：光電效應(yīng)的產(chǎn)生幾乎無需時間的累積（4）弛豫時間實(shí)驗(yàn)表明，從入射光開始照射直到金屬釋放出電70二.經(jīng)典物理與實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾電子在電磁波作用下作受迫振動，直到獲得足夠能量(與光強(qiáng)I有關(guān))逸出，不應(yīng)存在紅限0。當(dāng)光強(qiáng)很小時，電子要逸出，必須經(jīng)較長時間的能量積累。只有光的頻率0

時，電子才會逸出。光電子即時發(fā)射，滯后時間不超過10–9秒。經(jīng)典物理無法解釋的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電子最大初動能和光頻率

成線性關(guān)系。

光電子最大初動能取決于光強(qiáng)，和光的頻率無關(guān)。二.經(jīng)典物理與實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾電子在電磁波作用下作受迫振71三.愛因斯坦光子假說和光電效應(yīng)方程光是光子流

，每一光子能量為h

，電子吸收一個光子（A為逸出功）單位時間到達(dá)單位面積的光子數(shù)為N，則光強(qiáng)I=Nh

.I越強(qiáng),到陰極的光子越多,則逸出的光電子越多。電子吸收一個光子即可逸出，不需要長時間的能量積累。光頻率>A/h

時，電子吸收一個光子即可克服逸出功A

逸出(o=A/h)。

結(jié)論光電子最大初動能和光頻率

成線性關(guān)系。

三.愛因斯坦光子假說和光電效應(yīng)方程光是光子流，每一光子72

光不僅具有波動性，還具有粒子性。這種雙重性稱為波-粒二象性。波動性和粒子性之間的聯(lián)系如下：光子動量光子能量光子質(zhì)量粒子性：光的性質(zhì)不同側(cè)面波動性：突出表現(xiàn)在傳播過程中（干涉、衍射）突出表現(xiàn)在與物質(zhì)相互作用中（光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等）四.光（電磁輻射）的波粒二象性光不僅具有波動性，還具有粒子性。這種雙重性稱為波-73測量波長在200~1200nm極微弱光的功率光電效應(yīng)的應(yīng)用光電管:光電開關(guān),紅外成像儀,光電傳感器等光電倍增管:(微光)夜視儀測量波長在200~1200nm極微弱光的功率光電效74例1:鉀的光電效應(yīng)紅限波長為求:(1)鉀的逸出功;(2)在波長的紫外光照射下,鉀的遏止電勢差.分析:求解有關(guān)光電效應(yīng)的習(xí)題,關(guān)鍵在于深刻理解愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及方程中每一項物理量的含義.解:(1)逸出功(2)由光電效應(yīng)方程,及,可得例1:鉀的光電效應(yīng)紅限波長為75例2:鋁的逸出功為4.2eV.今用波長為200nm的紫外光照射到鋁表面上,發(fā)射的光電子的最大初動能為多少?遏止電勢差為多大?鋁的紅限波長是多大?解:(1)由光電效應(yīng)方程,得(2)由得(3)由得例2:鋁的逸出功為4.2eV.今用波長為2076例3：有一金屬鉀薄片，距弱光源3米。此光源的功率為1W，計算在單位時間內(nèi)打在金屬單位面積上的光子數(shù)。設(shè)=589nm。解：例3：有一金屬鉀薄片，距弱光源3米。此光源的功率為1W，計算77例4:如果一個光子的能量等于一個電子的靜止能量,問該光子的頻率、波長和動量各是多少?在電磁波譜中屬于何種射線?分析:可根據(jù)相對論的質(zhì)能關(guān)系求得光子的能量,再根據(jù)光子的基本性質(zhì)求解.解:由,得光子頻率光子波長光子動量屬于射線.例4:如果一個光子的能量等于一個電子的靜止能78θ0λ0探測器026.3

康普頓散射及光子理論的解釋一.康普頓散射X

光管光闌散射物體(實(shí)驗(yàn)裝置示意圖）康普頓效應(yīng)：在散射的x射線中，不但存在與入射線波長相同的反射線，同時還存在波長大于入射線波長的反射線現(xiàn)象。θ0λ0探測器026.792、康普頓散射強(qiáng)度隨散射角的增加而增加。隨物質(zhì)原子量的增大而減弱