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1、7.2 光的粒子性和波粒二象性1.光电效应实验装置2.光电效应实验规律3.爱因斯坦的光子假说4.康普顿散射实验装置5.康普顿散射实验规律 6.波粒二象性7.物质波1.光电效应实验装置窗口阴极阳极光束光电子2. 实验规律(1) 电压为零时电流不为零, 说明阴极被光照射 后释放出的光电子有一定的动能. 它还可以 靠本身动能达到阳极形成光电流. 反向电压值达到截止电压时, 光电流为零,说 明光电子初动能满足截止电压大,光 电子初始动能大 .实验证明截止电压(或光电子初 始动能)与入射光的频率有关.(2)截止电压与入 射光强度无关 .按光的电磁理论, 光照在金属上,金属中的电 子作受迫振动, 光强越大
2、, 电子吸收的能量越 大, 光电子初始动能也越大.但事实是,光电子 初始动能与光强无关,而是与频率成正比.(3) 截止电压与频率成线性关系. 代入当时,称作截止频率（红限）.当入射光频率小于红限时,光电子动能为零 .按波动理论, 不论入射光频率有多大, 只要 光强足够大, 总可以使电子吸收的能量大于阴极 金属的脱出功, 从而产生光电效应, 但实验表明 , 只要入射光频率小于红限, 无论光强多大也没 有光电效应.光电子释放和光照几乎是同时的,弛豫时间约 为10-9秒, 即使光照很弱也是这样.(4)按经典理论,光强大时电子能量积累时间短, 光强小时电子能量积累时间长.但实验证明,弛豫 时间与光强无
3、关. 3.爱因斯坦的光子假说1905年, 爱因斯坦在普朗克能量子假说的基 础上,提出了光子假说,很好地解释了光电效应.当光束和物质相互作用时，其能流并不象波 动理论所想象的那样是连续分布的,而是集中在一 些叫做光子(或光量子)的粒子上. 但对这种粒子 仍保持着频率(及波长)的概念. 光子的能量为 h 爱因斯坦认为, 光不仅发射和吸收时能量是 量子化的, 而且光在辐射过程中,能量也是量子化 的,辐射能 集中在一粒一粒的光子上.光子打在金属表面上, 每个电子一次要么吸收一个 光子.要么不吸收.由能量守恒得电子吸收到的光子的能量，一部分用于脱出金属表 面的脱出功，剩余部分作为光子的初始动能.上式叫做
4、爱因斯坦方程.0 时,没有光电子产生,因而没有光电流产生.爱因斯坦方程可表示为因所以有即截止电压与频率有关 .爱因斯坦方程解释了红限 ,截止电压与光频 率的正比关系.电子接受光子是瞬时的,不需要时间的积累.入射光强大意味着光子流密度大,饱和电流 im=ne，因而饱和电流与光强成正比. 密立根于1910年设计了精美的实验,验证了 爱因斯坦方程,于1914年完成发表.爱因斯坦和密立根由于在光电效应方面的研 究成果, 分别获得1921年和1923年的诺贝尔 物理学奖.爱因斯坦对密立根光电实验的意义作了如下说明:“我感激密立根关于光电效应的研究,它第一次判决性 地证明了在光影响下电子从固体发射与光的振
5、动周期有 关,这一量子论的结果是辐射的粒子结构所特有的性质 .”密立根在1923年诺贝尔物理奖领奖词中讲到:“经过10年之久的实验、改进和学习,有时还遇到挫折, 在这之后,我把一切努力从一开头就针对光电子发射能量 的精密测量,测量它随温度、波长、材料(接触电动势)改 变的函数关系.与我自己预料的相反,这项工作终于在 1914年成了爱因斯坦方程式在很小实验误差范围内精确 有效地第一次实验证据,并且直接从光电效应测定普朗克 常数h,所得精度大约为0.5%,这是当时所能得到的最佳值 .”4. 康普顿散射实验装置钼谱线散射物质石墨5.实验规律散射光中除有原波长成分 外, 还出现了0 的谱线 .0随增加
6、而增加; 的强度随增加而增加, . (1)(2)与散射物质无关;的 谱线的强度随散射物质 原子序数的增加而减小;0的谱线强度随散射物质 原子序数的增加而增加.按照经典理论,散射是一 种共振吸收再发射的过程, 散 射波的频率(波长)应与入射波 相同.上面的实验结果,经典理 论难以解释.(3)康普顿假设:入射x光是光子流,这些光子不但 有能量h0 ,而且有动量 h0/c, 光的散射过程是 光子与原子中自由电子的完全弹性碰撞过程.电子的质量碰撞过程能量守恒碰撞过程动量守恒解上面3个方程得:或上式说明了随散射角变化,而与散射物质无关.当光子与原子内层电子相碰,由于内层电子 束缚的较紧,形成光子与整个原
7、子相碰.原子质量 比电子质量大得多,光子传给原子而使其运动的 能量很小,散射波长的变化观察不到.这就是散射 光中总有入射光成分的原因.原子序数越大,被束缚紧的电子越多,因此散 射光中波长为0的成分强度越大.6. 波粒二象性在讨论与光的传播有关的一系列现象(光的干 涉、衍射、偏振、双折射)中, 光表现出波动本性 。 在这一章中我们看到, 当光与物质相互作用并 产生能量或动量的交换过程中, 光又表现出分立的 量子化特征. 并可以用爱因斯坦的光子理论加以成 功描述. 这就是所谓的光的“波粒二象性”.光子的能量:由相对论光子的质量:光子的速度:光子的动量: 、P是用来描述粒子的特征, 、是用来 描述波
8、动特性的物理量,普朗克常数h 将这两种 特征量联系起来.或物理学在微观粒子方面的研究取得很大的成 就.基本粒子有62种,分为三类： 光子的静止质量:光子是电磁相互作用的媒介粒子.第二种: 费米子. 共48种. 电子, 中微子, 子, 子, 夸克 是费米子.第三种： 希格斯粒子光具有波动性质，但它又与实物粒子一样,有 能量、动量、质量，因此,它在一定的条件下又表 现出粒子性. 以此类推, 实物粒子,如电子, 质子 等,是否也具有波动性呢?第一类: 规范玻色子.有13种. 光子是规范玻色子.7. 物质波德布罗意 :在1911-1919年间, 学习了庞加 莱、洛仑兹, 朗之万 , 玻耳兹曼 等人的著
9、作（统计力学）. 力学 中，学习了哈密顿-雅可比的理 论.特别是普朗克, 爱因斯坦, 玻 尔的量子著作.在1924年夏作的博士学位答辩论文 提出物质波的概念.象光具有粒子性一样 ,实物粒子,如质子,中子, 电子等，也具有波动性.粒子的能量可表示为动量可表示为具有速度的实物粒子的波长为叫做德布罗意波长. 这种波称为德布罗意波.由于h很小,所以对宏观物体来说,其波动性很 弱,如一块1克质量的石子,以一米/秒的速度运动, 波长仅6.610-31米,根本测不出.而对于微观粒子, 由静止而被150伏高压加速的电子,其动能德布罗意因为提出物质波的假说,荣获1929 年的诺贝尔物理学奖. 1927年, 德布
10、罗意的物质 波被戴维孙和革末以及汤姆孙的电子衍射实验所 证实朗之万评价:除了思想的独创性外,德布罗意以非凡的 技巧作出努力克服阻碍物理学家的困难.爱因斯坦的支持 :德布罗意的物质波开始并没有受到物理学界的重 视.他的导师朗之万将论文寄给了爱因斯坦.爱因 斯坦向来欣赏物理学中的对称性,而德布罗意的 理论正是建立了这种光和物质的对称性.爱因斯 坦称赞道“德布罗意揭开了大幕的一角”物理学家对德布罗意的物质波的评价：爱因斯坦写信将论文推荐给洛仑兹和波恩. 他对波恩说:“你一定要读它, 虽然看起来有点荒唐,但可能 是有道理的.”波恩回信说:“读了德布罗意的论文,渐渐明白他搞得是什么名堂,我 现在相信物质
11、波可能是很重要的.”德布罗意的论文经爱因斯坦推荐后，引起物理学界的极大重视. 薛定谔在朗之万的促使下阅读了德布罗意的论文. 爱因斯坦也将 论文推荐给他.在他给爱因斯坦的回信中写到:“如果不是你的关于气体简并的第二篇论文硬是把德布 罗意的想法的重要性摆在我的鼻子底下,整个波动力学就 建立不起来。”量子力学是1924-1927年这段时间建立起来的. 它有两个 等价的理论，波动力学和矩阵力学.它们是一种力学规律的两种不 同的描述.使用了两种不同的数学工具.后来由更普遍的描述- 狄喇克的量子电动力学(1928)代替.波动力学 , 与狄喇克同时获得了1933年度的诺贝尔奖.海森伯,波恩:矩阵力学. 海森伯因提出不确定原理获1932年诺贝尔物理学 奖. 波恩因对波函数的统计诠释,获1954年诺贝尔物理学奖.薛定谔:返回首页
