第17章-波粒二象性...ppt
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1、无锡市第一中学第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性第一节第一节 能量量子化能量量子化第二节第二节 光的粒子性光的粒子性第三节第三节 粒子的波动性粒子的波动性第四节第四节 概率波概率波第五节第五节 不确定关系不确定关系19世纪末,牛顿定律在各个领域里都取得了世纪末,牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功:在机械运动方面获得巨大成就。很大的成功:在机械运动方面获得巨大成就。在热学方面,成功地解释了温度、压强、气在热学方面,成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面,建立了能推断一体的内能。在电磁学方面,建立了能推断一切电磁现象的麦克斯韦方程。另外还找到了切电磁现象的麦克斯韦方程。另外还找到
2、了力、电、光、声力、电、光、声-等都遵循的规律:能量转等都遵循的规律: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这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。发展到头了。材料鉴赏材料鉴赏:1900年,在英国皇家学会的新年庆祝会上年,在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言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,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后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。的修补工作就行了。”-开尔文开尔文-也就是说:
3、物理学已经没有什么新东西了,后一辈科也就是说:物理学已经没有什么新东西了,后一辈科学家只要把做过的实验再精确一下,在实验数据的小学家只要把做过的实验再精确一下,在实验数据的小数点后面再加几位罢了!数点后面再加几位罢了!但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家,但开尔文毕竟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: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,还有两朵令但是,在物理学晴朗天空的远处,还有两朵令人不安的乌云,人不安的乌云,-”这两朵乌云是指什么呢?这两朵乌云是指什么呢?黑体辐射实验黑体辐射实验光的速度光的速度后来的事实证明,正是这两朵乌云发展成
4、为一场革后来的事实证明,正是这两朵乌云发展成为一场革命的风暴,乌云落地化为一场春雨,浇灌着两朵鲜命的风暴,乌云落地化为一场春雨,浇灌着两朵鲜花。花。普朗克量子力学的诞生普朗克量子力学的诞生相对论问世相对论问世这两朵乌云到底是什么回事呢?这两朵乌云到底是什么回事呢?经典力学经典力学量子力学量子力学相对论相对论微观领域微观领域高速领域高速领域第一节:第一节:思考与讨论1 1,在炉火旁边有什么感觉?,在炉火旁边有什么感觉?2 2,投在炉中的铁块一开始是什么,投在炉中的铁块一开始是什么颜色?过一会儿又是什么颜色?颜色?过一会儿又是什么颜色?800K1000K1200K1400K固体在温度升高时颜色的变
5、化:固体在温度升高时颜色的变化:热辐射现象:热辐射现象:一切物体在任何温度下都在一切物体在任何温度下都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关,辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关,所以叫做热辐射。所以叫做热辐射。辐射规律:辐射规律:1.1.辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波,辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波,不同波长,辐射强度不同。不同波长,辐射强度不同。2.2.温度升高,辐射强度增大,同时辐射温度升高,辐射强度增大,同时辐射电磁波的频率和波长也在变化。电磁波的频率和波长也在变化。问题:如何研究物体的热辐射规律?问题:如何研究物体的热辐射规律?注意:除了热辐射外,物体表面还会吸注意:除了热辐
6、射外,物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。收和反射外界射来的电磁波。例如:常温下我们看到的物体颜色就是例如:常温下我们看到的物体颜色就是物体反射了该频率的电磁波,吸收了其物体反射了该频率的电磁波,吸收了其他频率的电磁波。一些物体看起来很黑,他频率的电磁波。一些物体看起来很黑,其实是它吸收所有电磁波,反射的电磁其实是它吸收所有电磁波,反射的电磁波很弱。波很弱。那么:在研究物体热辐射中,应如何避那么:在研究物体热辐射中,应如何避免反射电磁波的影响?免反射电磁波的影响?一、黑体及黑体辐射一、黑体及黑体辐射理想的热辐射体是理想的热辐射体是“绝对黑体绝对黑体”,简称,简称“黑体黑体”。它在任何温度下
7、都能全部吸收。它在任何温度下都能全部吸收入入射的各种波长的电磁波而不发生反射。射的各种波长的电磁波而不发生反射。在空腔壁上开一个在空腔壁上开一个很小的孔,射入小孔很小的孔,射入小孔的电磁波在空腔中会的电磁波在空腔中会发生多次反射和吸收,发生多次反射和吸收,最终不能从空腔射出。最终不能从空腔射出。这个小孔就可以看成这个小孔就可以看成一个绝对黑体。一个绝对黑体。德国物理学家基尔霍夫首先提出了绝对黑体的模型。德国物理学家基尔霍夫首先提出了绝对黑体的模型。说明:说明:黑体是个黑体是个理想化的模型理想化的模型。例:开孔的空。例:开孔的空腔,远处的窗口等可近似看作黑体。腔,远处的窗口等可近似看作黑体。实验
8、表明:对于一般材料的物体,辐射实验表明:对于一般材料的物体,辐射电磁波的情况除与电磁波的情况除与温度温度有关外,还与有关外,还与材料材料的种类及表面状况的种类及表面状况有关,而黑体辐射电磁有关,而黑体辐射电磁波的规律只与黑体的温度有关,因而可以波的规律只与黑体的温度有关,因而可以反映某种具有普通意义的客观规律。于是,反映某种具有普通意义的客观规律。于是,在研究在研究热辐射热辐射的规律时人们特别注意对的规律时人们特别注意对黑体辐射黑体辐射的研究的研究。0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K二、黑体辐射的实验规律二、黑体辐射的实验规律随着温度的升高:随着温度的升高
9、:1 1、各种波长的辐射强度都、各种波长的辐射强度都有增加;有增加;2 2、辐射强度的极大值辐射强度的极大值向波向波长较短的方向移动。长较短的方向移动。瑞利公式在长波部分与实验结果比较吻合。但瑞利公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在紫外区在紫外区(波长范围在紫外线附近波长范围在紫外线附近)竟算得辐射竟算得辐射强度为无穷大,这个荒谬的结论被认为是物理强度为无穷大,这个荒谬的结论被认为是物理学理论的灾难,当时称为学理论的灾难,当时称为“紫外灾难紫外灾难”。瑞利理论值瑞利理论值维恩理论值维恩理论值实验实验T=1646k维恩公式在维恩公式在短波部分与短波部分与实验结果吻实验结果吻合得很好,合得很好,
10、但长波却不但长波却不行。行。三、能量子三、能量子三、能量子三、能量子 超越牛顿的发现超越牛顿的发现超越牛顿的发现超越牛顿的发现 微观世界的某微观世界的某些规律,在我们些规律,在我们宏观世界看来可宏观世界看来可能非常奇怪。能非常奇怪。普朗克能量子理论普朗克能量子理论*微观粒子的能量只能是某一最小能量值微观粒子的能量只能是某一最小能量值的整的整数倍数倍,E=n(n=1,2,),这个不可,这个不可再分的最小能量值再分的最小能量值叫能量子。叫能量子。n为正整数,称为为正整数,称为量子数。量子数。*带电微粒吸收和辐射能量时,也是以这个带电微粒吸收和辐射能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射和吸
11、收的。最小能量值为单位一份一份地辐射和吸收的。h=6.626 10-34 JS-普朗克常数普朗克常数*能量子的能量:能量子的能量:=h (是辐射吸收的电是辐射吸收的电磁波的频率磁波的频率)(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克理论理论实验值实验值理论与实验符合的让人击掌叫绝理论与实验符合的让人击掌叫绝理论与实验符合的让人击掌叫绝理论与实验符合的让人击掌叫绝1800K能量量子化:能量量子化:宏观世界中:能量可以是任意值,可以连续变化。宏观世界中:能量可以是任意值,可以连续变化。例如:物体的重力势能,弹簧振子的弹性势能。例如:物体的重力势能,弹簧振子的弹性势能。微观世界中:微观粒子的能量
12、只能是一个一个的微观世界中:微观粒子的能量只能是一个一个的特定值,不能连续变化。(特定值,不能连续变化。(能量量子化能量量子化),例如:),例如:物体的带电量,电子绕原子核运动的轨道半径。物体的带电量,电子绕原子核运动的轨道半径。量子化:只能取一系列分立值,不能连续变化量子化:只能取一系列分立值,不能连续变化你能举出生活中你能举出生活中“量子化量子化”例子吗?例子吗?普朗克的量子化理论改变了人们对世界的根本认普朗克的量子化理论改变了人们对世界的根本认识。识。19001900年不仅成为新世纪的开始,也成为物理年不仅成为新世纪的开始,也成为物理学的一个新纪元。学的一个新纪元。1818年后,普朗克为
13、此获得了诺年后,普朗克为此获得了诺贝尔物理学奖。贝尔物理学奖。问题与练习问题与练习 在一杯开水中放入一枝温度计,在一杯开水中放入一枝温度计,开水静置室内,可以看到开水的温度开水静置室内,可以看到开水的温度是逐渐降低的,既然从微观的角度来是逐渐降低的,既然从微观的角度来看能量是一份一份向外辐射的,为什看能量是一份一份向外辐射的,为什么它的温度不是一段一段地降低?么它的温度不是一段一段地降低?解释:解释:1.1.开水向外辐射的每一分能量子能量很小开水向外辐射的每一分能量子能量很小(微观量),而水降低(微观量),而水降低1 1释放的能量很大释放的能量很大(宏观量),由于温度计的精度不够,所以(宏观量
14、),由于温度计的精度不够,所以观察到的温度计温度不是一段一段地降低的。观察到的温度计温度不是一段一段地降低的。2.2.在宏观尺度内研究物体的能量变化时我们在宏观尺度内研究物体的能量变化时我们可以认为:物体的运动是连续的可以认为:物体的运动是连续的,能量变化是能量变化是连续的连续的,不必考虑量子化不必考虑量子化。(因为每个能量子的因为每个能量子的能量很小,宏观物体的能量不连续变化非常不明显,能量很小,宏观物体的能量不连续变化非常不明显,可以忽略不计。)可以忽略不计。)3.3.在研究微观粒子时必需考虑能量量子化在研究微观粒子时必需考虑能量量子化意义:意义:普普朗朗克克抛抛弃弃了了经经典典物物理理中
15、中的的能能量量可可连连续续变变化化、物物体体辐辐射射或或吸吸收收的的能能量量可可以以为为任任意意值值的的旧旧观观点点,提提出出了了能能量量量量子子化化、物物体体辐辐射射或或吸吸收收能能量量只只能能一一份份一一份份地地按按不不连连续续的的方方式式进进行行的的新新观观点点。这这不不仅仅成成功功地地解解决决了了热热辐辐射射中中的的难难题题,而而且且开开创创物物理理学学研研究究新新局局面面,标标志志着着人人类类对对自自然然规规律律的的认认识识已已经经从从从从宏宏观观领领域域进进入入微微观观领领域域,为为量量子子力力学的诞生奠定了基础。学的诞生奠定了基础。扩展阅读扩展阅读:变革的困难变革的困难19001
16、900年年1212月月1414日普朗克在德国物理学会上报告日普朗克在德国物理学会上报告了自己的研究结果,他的公式受到欢迎,但他了自己的研究结果,他的公式受到欢迎,但他的能量子假说,却受到冷遇,当时没有人相信的能量子假说,却受到冷遇,当时没有人相信他的假说。他的假说。能量的变化竟然是不连续的,这与物理学界几能量的变化竟然是不连续的,这与物理学界几百年来信奉的百年来信奉的“自然界无跳跃自然界无跳跃”的原则直接矛的原则直接矛盾,因此量子论出现之后,许多物理学家不予盾,因此量子论出现之后,许多物理学家不予接受接受,物理学界最初的反应是极其冷淡的。人物理学界最初的反应是极其冷淡的。人们只承认普朗克那个同
17、实验一致的经验性的辐们只承认普朗克那个同实验一致的经验性的辐射公式,而不承认他的理论性的量子假说。射公式,而不承认他的理论性的量子假说。遗憾的是,普朗克虽然发现了能量子,但他不遗憾的是,普朗克虽然发现了能量子,但他不能理解这一发现的意义,对自己的发现长期惴能理解这一发现的意义,对自己的发现长期惴惴不安。在发现能量子之后的长达年时间,惴不安。在发现能量子之后的长达年时间,他总想退回到经典物理学的立场。他曾在散步他总想退回到经典物理学的立场。他曾在散步时对儿子说:时对儿子说:“我现在做的事情,要么毫无意我现在做的事情,要么毫无意义,要么可能成为牛顿以后物理学上最大的发义,要么可能成为牛顿以后物理学
18、上最大的发现。现。”普朗克在做出量子假说时已年过四十。他受过普朗克在做出量子假说时已年过四十。他受过严格的经典物理学训练,对经典物理学十分熟严格的经典物理学训练,对经典物理学十分熟悉和热爱。他不愿意同经典物理学决裂,只是悉和热爱。他不愿意同经典物理学决裂,只是迫于事实的压力,才不得不做出能量子的假说。迫于事实的压力,才不得不做出能量子的假说。他的能量子理论是不彻底的,他的理论还是以他的能量子理论是不彻底的,他的理论还是以承认电磁波本身的连续性为基础的。他把自己承认电磁波本身的连续性为基础的。他把自己的量子假说仅仅局限于粒子对电磁波的吸收和的量子假说仅仅局限于粒子对电磁波的吸收和发射的特殊性上。
19、发射的特殊性上。年,爱因斯坦提出光量子假说,年,爱因斯坦提出光量子假说,成功地解释了光电效应;年,他成功地解释了光电效应;年,他又将量子理论运用到固体比热问题,获得又将量子理论运用到固体比热问题,获得成功;年,玻尔将量子理论引入成功;年,玻尔将量子理论引入到原子结构理论中,克服了经典理论解释到原子结构理论中,克服了经典理论解释原子稳定性的困难,建立了他的原子结构原子稳定性的困难,建立了他的原子结构模型,取得了原子物理学划时代的进展;模型,取得了原子物理学划时代的进展;年,康普顿通过实验最终使物理年,康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性,从而使学家们确认光量子图景的实在性,从而使
20、量子理论得到科学界的普遍承认。量子理论得到科学界的普遍承认。科学的发展总是在困难中前进,失败科学的发展总是在困难中前进,失败不可怕,它是人类进步的阶梯。不可怕,它是人类进步的阶梯。课堂练习课堂练习1.请你填空请你填空:在做全国人口普查时我们关心的是在做全国人口普查时我们关心的是:现现在全国有几在全国有几_人人,班级小组长在数人数时常用班级小组长在数人数时常用:一一_,两两_;等等.2.灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍.那么红那么红光的最小能量比紫光的最小能量大还是小光的最小能量比紫光的最小能量大还是小?本节课的主要知识本节课的主要知识:微观粒子的运动微观粒子
21、的运动是不连续的是不连续的,在发射和吸收能量的时候,在发射和吸收能量的时候,不是连续的,而是一份一份的。能量是不是连续的,而是一份一份的。能量是h 的整数倍。的整数倍。每份能量为每份能量为:E=h第二节 光的粒子性光的干涉、衍射现象说明了光的干涉、衍射现象说明了光是电磁波光是电磁波,光的偏振现象进一步说明光的偏振现象进一步说明光还是横波光还是横波。1919世纪世纪6060年代,年代,麦克斯韦又从理论上确定了麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质光的电磁波本质。然而,出人意料的是,。然而,出人意料的是,正当人们以为光的波动理论似乎非常完美正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候,又发现了的时候
22、,又发现了用波动说无法解释的新用波动说无法解释的新现象现象-光电效应现象光电效应现象。对这一现象及其。对这一现象及其他相关问题的研究,使得人们对光的又一他相关问题的研究,使得人们对光的又一本质性认识得到了发展。本质性认识得到了发展。用弧光灯照射擦得用弧光灯照射擦得很亮的锌板,很亮的锌板,(注意注意用导线与不带电的用导线与不带电的验电器相连)验电器相连),使,使验电器张角增大到验电器张角增大到约为约为 3030度时,再用度时,再用与丝绸磨擦过的玻与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板,璃棒去靠近锌板,则验电器的指针张则验电器的指针张角会变大。角会变大。一、光电效应现象一、光电效应现象表明锌板在射线照射下
23、失去电子而带正电表明锌板在射线照射下失去电子而带正电1.1.1.1.什么是光电效应什么是光电效应什么是光电效应什么是光电效应 当光线照射在当光线照射在金属表面金属表面时,能使时,能使金属中的金属中的电子电子从表面从表面逸出逸出的现象,称的现象,称为为光电效应光电效应。逸出的电子称为光电子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子定向移动形成的电流叫光电流光电流2.2.光电效应的实验规律光电效应的实验规律(1 1)存在饱和电流)存在饱和电流光照不变,增大光照不变,增大UAK,G表中表中电流达到某一值后不再增大,电流达到某一值后不再增大,即达到饱和值。即达到饱和值。因为光照条件一定时,
24、因为光照条件一定时,K K发发射的电子数目一定。射的电子数目一定。实验表明:实验表明:入射光越强,饱和电流越入射光越强,饱和电流越大,单位时间内发射的光大,单位时间内发射的光电子数越多。电子数越多。思考:思考:为为什么要加正什么要加正向向电压电压?不加正向?不加正向电压电压电电路中有路中有电电流流吗吗?分析解答:分析解答:光束照在阴极光束照在阴极K上会上会发发生光生光电电效效应现应现象,但象,但只有极少的只有极少的电电子能到达阳极子能到达阳极A,电电路中路中电电流很小。加了流很小。加了正向正向电压电压后,大量的后,大量的电电子在子在电场电场力的作用下向阳极运力的作用下向阳极运动动,形成形成较较
25、大大电电流。(加正向流。(加正向电电压压的目的是放大的目的是放大实验实验效果,效果,增增强强实验实验“可可见见性性”)。)。思考:思考:保持光照条件不变,保持光照条件不变,逐渐加大两极之间的电压,逐渐加大两极之间的电压,大家分析光电流会怎样变大家分析光电流会怎样变化?化?阳极阳极阴极阴极:使光电流减小到零的反:使光电流减小到零的反向电压向电压+一一一一 一一一一 一一一一 一一一一 一一一一 一一一一v加反向电压,如右图所示:加反向电压,如右图所示:光电子所受电场力方向与光光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反,光电子电子速度方向相反,光电子作减速运动。若作减速运动。若最大的最大的初动能初动
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- 17 二象性
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