第十七章 波粒二象性
图片预览
文档简介
课件25张PPT。第十七章 波粒二象性能量量子化：物理学的新纪元 19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的 Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声……等都遵循的规律----能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。 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-- 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，----” 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。1、热辐射一、黑体与黑体辐射2、对热辐射的初步认识任何物体任何温度均存在热辐射温度不同时辐射的波长分布不同，温度越高辐射的能量越强，辐射中的短波成分也越多
热辐射的过程中将热能转化为电磁能 能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体2. 黑体辐射 不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。黑体模型 研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。0 1 2 3 4 5 6λ(μm)1700K1500K1300K1100K黑体辐射的实验规律黑体辐射实验是物理学晴朗天空中
一朵令人不安的乌云。3.普朗克的能量子假说
辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应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。 对于频率为ν的谐振子最小能量为能量量子经典λ(μm)1 2 3 5 6 8 947普朗克实验值 黑体辐射的研究卓有成效地展现人们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，为人类解决了一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就以平息了吗？物理难题：1888年，Hallwachs发现一充负电的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 ，此时，人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子(photoelectron)，相应的效应叫做光电效应。人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？ 光究竟是什么？牛顿：微粒说惠更斯：波动说17世纪明确形成了两大对立学说19世纪初开始光的干涉、衍射和偏振现象分别被观察到麦克斯韦：电磁说爱因斯坦：光子说光的波粒二象性科学的转折：光的粒子性一、光电效应现象1.什么是光电效应 当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子,光电子定向移动形成的电流叫光电流。 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。2.光电效应的实验规律（1）存在着饱和电流a.在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增加，光电流趋于一个饱和值b.入射光越强，饱和电流越大表明入射光越强单位 时间内发射的光电子 数越多。（2）存在着遏止电压和截止频率a.当所加电压为零时，电流I并不为零只有施加反向电压，电流才有可能为零遏制电压表明光电子逸出时应具有一定的初速度遏止电压：使光电流减小到零的反向电压Uc实验表明：对于一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光的频率改变时，遏止电压也会改变b.当入射光的频率减小到某个值vc时，即使不施加反向电压也没有光电流，表明已经没有光电子了结论：光电子的能量与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关，当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。不同金属的截止频率不同（3）效应具有瞬时性
从光开始照射到光电逸出所需时间<10-9s。
二、电磁说解释光电效应的困难1.关于极限频率的困难光是一种电磁波与事实矛盾电子就会从金属表面飞出来电子获得积累的能量足够大光足够强、照射时间足够长光的能量由振幅决定二、电磁说解释光电效应的困难2.关于光电子的最大初动能的困难光强越大与事实矛盾光电子的最初动能与光强有关而与频率无关飞出金属表面的动能越大电子获得的能量越大二、电磁说解释光电效应的困难3.关于光电效应瞬时性的困难光均匀照在金属表面与事实矛盾从光照到打出光电子需要一定的时间电子的能量要有个积累的过程电子的能量逐渐增大三、新理论的诞生——光子说1.背景：(1)普朗克在研究热辐射规律时发现，只有认为电磁波的发射和吸收是不连续的，而是一份一份地进行的，理论计算的结果才能和实验事实相符。每一份能量叫做一个能量子，每个能量子的能量为 。(2)光电效应的发现，用经典的电磁理论无法解释。(3)受普朗克的启发，爱因斯坦认为：光在空间传播正向粒子那样运动，这个粒子后来被称为“光子”三、新理论的诞生——光子说2.内容：空间传播的光不是连续的，是一份一份的，每一份叫一个光子，每个光子的能量为 。3.爱因斯坦的光子与普朗克的能量子的异同：相同点：都认为能量是不连续的，而是一份一份的，每一份能量为 。（能量量子化）不同点：普朗克认为能量子仍以波的形式传播；
爱因斯坦认为光子在空间的传波向粒子一样。注意：爱因斯坦的光子与牛顿的粒子有着本质的不同。
光子是只有能量而无静止质量的粒子，而牛顿的粒子是指实物粒子。四、光子说对光电效应的解释（1）光是由一个个光子组成，被光子“打中”的电子，这个光子的能量就全部给这个电子，而没有被光子“打中”的电子，则一点能量也没有获得。（2）得到能量的电子，动能立即增大，而不需要积累能量的过程。（3）如果这个能量足够大，则电子就挣脱金属的束缚而射出来，即产生光电效应；如果这个能量不足以挣脱金属的束缚，则不能产生光电效应。（4）频率一定时，光强越大，即光子的数目越多，获得能量的电子也越多，即光电子的数目与光强成正比。五、光电效应方程问题1：什么叫逸出功？
问题2：为什么在同一种频率的光照下，从同一种金属中逃逸出的电子的能量会不同？1.逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。问题3：从能量的角度看，光子的能量、逸出功、光子的最大初动能之间有何定量关系？2.光电效应方程：
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-- 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，----” 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。1、热辐射一、黑体与黑体辐射2、对热辐射的初步认识任何物体任何温度均存在热辐射温度不同时辐射的波长分布不同，温度越高辐射的能量越强，辐射中的短波成分也越多
热辐射的过程中将热能转化为电磁能 能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体2. 黑体辐射 不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。黑体模型 研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。0 1 2 3 4 5 6λ(μm)1700K1500K1300K1100K黑体辐射的实验规律黑体辐射实验是物理学晴朗天空中
一朵令人不安的乌云。3.普朗克的能量子假说
辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应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。 对于频率为ν的谐振子最小能量为能量量子经典λ(μm)1 2 3 5 6 8 947普朗克实验值 黑体辐射的研究卓有成效地展现人们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，为人类解决了一大难题。使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就以平息了吗？物理难题：1888年，Hallwachs发现一充负电的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 ，此时，人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子(photoelectron)，相应的效应叫做光电效应。人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？ 光究竟是什么？牛顿：微粒说惠更斯：波动说17世纪明确形成了两大对立学说19世纪初开始光的干涉、衍射和偏振现象分别被观察到麦克斯韦：电磁说爱因斯坦：光子说光的波粒二象性科学的转折：光的粒子性一、光电效应现象1.什么是光电效应 当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子,光电子定向移动形成的电流叫光电流。 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。2.光电效应的实验规律（1）存在着饱和电流a.在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增加，光电流趋于一个饱和值b.入射光越强，饱和电流越大表明入射光越强单位 时间内发射的光电子 数越多。（2）存在着遏止电压和截止频率a.当所加电压为零时，电流I并不为零只有施加反向电压，电流才有可能为零遏制电压表明光电子逸出时应具有一定的初速度遏止电压：使光电流减小到零的反向电压Uc实验表明：对于一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光的频率改变时，遏止电压也会改变b.当入射光的频率减小到某个值vc时，即使不施加反向电压也没有光电流，表明已经没有光电子了结论：光电子的能量与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关，当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。不同金属的截止频率不同（3）效应具有瞬时性
从光开始照射到光电逸出所需时间<10-9s。
二、电磁说解释光电效应的困难1.关于极限频率的困难光是一种电磁波与事实矛盾电子就会从金属表面飞出来电子获得积累的能量足够大光足够强、照射时间足够长光的能量由振幅决定二、电磁说解释光电效应的困难2.关于光电子的最大初动能的困难光强越大与事实矛盾光电子的最初动能与光强有关而与频率无关飞出金属表面的动能越大电子获得的能量越大二、电磁说解释光电效应的困难3.关于光电效应瞬时性的困难光均匀照在金属表面与事实矛盾从光照到打出光电子需要一定的时间电子的能量要有个积累的过程电子的能量逐渐增大三、新理论的诞生——光子说1.背景：(1)普朗克在研究热辐射规律时发现，只有认为电磁波的发射和吸收是不连续的，而是一份一份地进行的，理论计算的结果才能和实验事实相符。每一份能量叫做一个能量子，每个能量子的能量为 。(2)光电效应的发现，用经典的电磁理论无法解释。(3)受普朗克的启发，爱因斯坦认为：光在空间传播正向粒子那样运动，这个粒子后来被称为“光子”三、新理论的诞生——光子说2.内容：空间传播的光不是连续的，是一份一份的，每一份叫一个光子，每个光子的能量为 。3.爱因斯坦的光子与普朗克的能量子的异同：相同点：都认为能量是不连续的，而是一份一份的，每一份能量为 。（能量量子化）不同点：普朗克认为能量子仍以波的形式传播；
爱因斯坦认为光子在空间的传波向粒子一样。注意：爱因斯坦的光子与牛顿的粒子有着本质的不同。
光子是只有能量而无静止质量的粒子，而牛顿的粒子是指实物粒子。四、光子说对光电效应的解释（1）光是由一个个光子组成，被光子“打中”的电子，这个光子的能量就全部给这个电子，而没有被光子“打中”的电子，则一点能量也没有获得。（2）得到能量的电子，动能立即增大，而不需要积累能量的过程。（3）如果这个能量足够大，则电子就挣脱金属的束缚而射出来，即产生光电效应；如果这个能量不足以挣脱金属的束缚，则不能产生光电效应。（4）频率一定时，光强越大，即光子的数目越多，获得能量的电子也越多，即光电子的数目与光强成正比。五、光电效应方程问题1：什么叫逸出功？
问题2：为什么在同一种频率的光照下，从同一种金属中逃逸出的电子的能量会不同？1.逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。问题3：从能量的角度看，光子的能量、逸出功、光子的最大初动能之间有何定量关系？2.光电效应方程：