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1、第二节 光电效应2021/6/161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，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
2、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。2021/6/162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2021/6/1631.1.1.1.什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
3、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2021/6/1642.2.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，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，饱和电流越大，单
4、入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。位时间内发射的光电子数越多。（电压一定时，电流也越大）（电压一定时，电流也越大）思考：思考：为什么要加正什么要加正向向电压？不加正向？不加正向电压电路中有路中有电流流吗？分析解答：分析解答：光束照在阴极光束照在阴极K上会上会发生光生光电效效应现象，但象，但只有极少的只有极少的电子能到达阳极子能到达阳极A，电路中路中电流很小。加了流很小。加了正向正向电压后，大量的后，大量的电子在子在电场力的作用下向阳极运力的作用下向阳极运动，形成形成较大大电流。（加正向流。（加正向电压的目的是放大的目的是放大实验效果，效果，增增强强实验“可可见性性”）。）
5、。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2021/6/165：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能U=0时，时，I0，因为电子有初速度因为电子有初速度则
6、则I=0，式中，式中UC为为遏止电压遏止电压(2)(2)存在遏止电压和截止频率存在遏止电压和截止频率存在遏止存在遏止电压UCEEUFKA2021/6/166实验表明实验表明: :对于一定对于一定颜色颜色( (频率频率) )的光的光, , 无论光的无论光的强弱如何强弱如何, ,遏止电压是一遏止电压是一样的样的. . 光的频率光的频率 改变改变时，时，遏止电压也会改变。遏止电压也会改变。光电子的光电子的能量能量只与只与入射光入射光的频率的频率有关，与入射光的有关，与入射光的强弱无关。（同种材料）强弱无关。（同种材料）IIsUaOU黄光（黄光（ 强）强）黄光（黄光（ 弱）弱）光电效应伏安特性曲线光电
7、效应伏安特性曲线遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流蓝光蓝光Ub思考：思考：对刚才的实验，加对刚才的实验，加了遏止电压后，如果再增了遏止电压后，如果再增大入射光的强度，电路中大入射光的强度，电路中会有光电流吗？减弱光的会有光电流吗？减弱光的强度，遏止电压会减小吗强度，遏止电压会减小吗？2021/6/167 经研究后发现：当入射光的经研究后发现：当入射光的频率减小频率减小到某一数值到某一数值时，即使不施加反向电压也时，即使不施加反向电压也没没有光电流有光电流，这表明已经，这表明已经没有光电子没有光电子了，这了，这一数值称为一数值称为截止频率截止频率或或极限频率极限频率。存在截止频率存在截止频率 c对
8、于每种金属，都相应确定的截止频率对于每种金属，都相应确定的截止频率 c 。 当入射光频率当入射光频率 c 时，时，电子电子才能才能逸出逸出金金属表面；属表面；当入射光频率当入射光频率 W0时，才有光电子逸出，时，才有光电子逸出， 就是光电效应的截止频率。就是光电效应的截止频率。电子一次性吸收光子的全部能量，不电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。是瞬时发生的。对于同种颜色（频率相同）的光，光较对于同种颜色（频率相同）的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和
9、电流大。生的光电子多，因而饱和电流大。2021/6/1614由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律效应的实验规律, ,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。它完全违背了光的波动理论。4.4.光电效应理论的验证光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做美国物理学家密立根，花了十年时间做了了“光电效应光电效应”实验，结果在实验，结果在1
10、915年证实了年证实了爱因斯坦方程，爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，的值与理论值完全一致，又一次证明了又一次证明了“光量子光量子”理论的正确。理论的正确。2021/6/1615爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论物理学物理学的贡献的贡献获得获得19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷研究基本电荷和和光电效应光电效应，特别是通过，特别是通过著名的油滴实验，证明电著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。荷有最小单位。获得获得19231923年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。2021/6/1616 康普顿效应康普
11、顿效应第第2 2课时课时2021/6/16171.1.光的散射光的散射光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用, ,因而传因而传播方向发生改变播方向发生改变, ,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射2.2.2.2.康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应 1923年康普顿在做年康普顿在做 x 射线通过物质散射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角长的射线，其波长的改变量与散射角有关，有关，而与入射线波长而与入射线波长 和散射物
12、质都无关和散射物质都无关。五五五五. . . .康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应2021/6/16183.3.康普顿散射的实验装置与规律：康普顿散射的实验装置与规律：晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 2021/6/1619康普顿正在测晶体康普顿正在测晶体对对X 射线的散射射线的散射 按按经典典电磁理磁理论： 如果入射如果入射X光是某光是某 种波种波长的的电磁波，磁波， 散射光的波散射光的波长是是 不会改不会改变的！的！2021/6/1620康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点：a.除原波除原
13、波长 0外出外出现了移向了移向长波方向的新的散射波波方向的新的散射波长 。b.新波新波长 随散射角的增大随散射角的增大而增大。而增大。 散射中出现散射中出现 0 的现象，的现象，称为称为康普顿散射。康普顿散射。波波长的偏移的偏移为=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . .（A）0.7000.750波长波长. . 0 2021/6/1621称为电子的称为电子的Compton波长波长只只有有当当入入射射波波长长 0与与 c可可比比拟拟时时，康康普普顿顿效效应应才才显显著著，因因此此要要用用X射射线线才才能能观观察察到到康康普普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。顿散
14、射，用可见光观察不到康普顿散射。波波长的的偏偏移移只只与与散散射射角角 有有关关，而而与与散散射射物物质种种类及入射的及入射的X射射线的波的波长 0 无关，无关， c = 0.0241=2.41 10-3nm（实验值）（实验值）2021/6/16221.1.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难五五五五. . . .康普顿效应解释中的疑难康普顿效应解释中的疑难康普顿效应解释中的疑难康普顿效应解释中的疑难 根据经典电磁波理论，当电磁波通过根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射
15、光频率其频率等于入射光频率，所以它所发射，所以它所发射的的散射光频率散射光频率应等于应等于入射光频率入射光频率。无法解释波长改变和散射角关系。无法解释波长改变和散射角关系。2021/6/16232.2.光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释若光子和外层电子相碰撞，光子有一部若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，分能量传给电子，散射光子散射光子的能量减少，的能量减少，于是于是散射光散射光的波长大于的波长大于入射光入射光的波长。的波长。 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质光子将与整个原子交换能量，由于光
16、子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。前后光子能量几乎不变，波长不变。 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。关，所以波长改变和散射角有关。2021/6/16241.1.有力地支持了爱因斯坦有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； 2.2.首次在实验上证实了首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量”的的假设；假设；3.3.证实了证实了在微观世界的单个碰撞事件中，在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。动量和能量守恒定律仍然是成立的。
17、康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。六六六六. . . .康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义2021/6/1625康康普普顿顿效效应应康康普普顿顿效效应应康普顿康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖年获
18、诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家美国物理学家19272021/6/162619251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线( 0 =5.62nm) 为入射线为入射线, 以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重不同的元素为散射物质，4.4.吴有训对研究康普顿效应的贡献吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年年,参加了发现康普顿效应的研究工作参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了重要对证实康普顿效应作出了重要贡献。贡献。在同一散射角在同一散射角( )测量测量各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，作了大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。（18
19、97-19771897-1977） 吴有训吴有训2021/6/1627六六六六. . . .光子的动量光子的动量光子的动量光子的动量2021/6/1628动量能量是描述粒子的动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的频率和波长则是用来描述波的2021/6/1629光的粒子性光的粒子性一、光电效应的基本规律一、光电效应的基本规律小结小结1.光电效应现象光电效应现象2.光电效应实验规律光电效应实验规律 对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个
20、极限频率，才能发生光电效应，低频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；于这个频率就不能发生光电效应；于这个频率就不能发生光电效应；于这个频率就不能发生光电效应； 当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比；入射光的强度成正比；入射光的强度成正比；入射光的强度成正比；光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着光电子的最
21、大初动能与入射光的强度无关，只随着光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；入射光的频率增大而增大；入射光的频率增大而增大；入射光的频率增大而增大；入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过一般不超过一般不超过一般不超过1010-9-9秒秒秒秒. . 2021/6/16301.1.在演示光电效应的实验中，原来不带在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用
22、弧电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，一个角度，如图所示，这时这时( )( )A.A.锌板带正电，指针带负电锌板带正电，指针带负电B.B.锌板带正电，指针带正电锌板带正电，指针带正电C.C.锌板带负电，指针带正电锌板带负电，指针带正电D.D.锌板带负电，指针带负电锌板带负电，指针带负电B练习练习2021/6/16312.2.一束黄光照射某金属表面时，不能产一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则下列措施中可能使该金生光电效应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是属产生光电效应的是( )( )A.A.
23、延长光照时间延长光照时间B.B.增大光束的强度增大光束的强度C.C.换用红光照射换用红光照射D.D.换用紫光照射换用紫光照射D练习练习2021/6/16325.5.关于光电效应下述说法中正确的是关于光电效应下述说法中正确的是( )( )A.A.光电子的最大初动能随着入射光的强度增大光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大而增大B.B.只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一定能产生光电效应就一定能产生光电效应C.C.在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关的频率无关D.D.任何一种金属都有一个极限频率
24、，低于这个任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能发生光电效应频率的光不能发生光电效应练习练习D2021/6/1633练习练习课本课本P361、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想想看，这种光是否一定最亮？为什么？想看，这种光是否一定最亮？为什么？在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高。频率最高。紫光不是最亮的。紫光不是最亮的。一为光强，一为光强，因为光的亮度由两个因素决定，因为光的亮度由两个因素决定，二为人眼的视觉灵敏度。二为人眼的视觉灵敏度。在光强相同的前提下，由于人眼对可
25、见光中心部位在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。2021/6/1634练习练习课本课本P362、在光电效应实验中、在光电效应实验中 （1）如果入射光强度增加，将产生什么结果？）如果入射光强度增加，将产生什么结果？（2）如果入射光频率增加，将产生什么结果？）如果入射光频率增加，将产生什么结果？（1）当入射光频率高于截止频率时，光强增加，）当入射光频率高于截止频率时，光强增加，发射的光电子数增多；发射的光电子数增多； 当入射光频率低于当入射光频率低于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光截止频率时，无论光
26、强怎么增加，都不会有光电子发射出来。电子发射出来。 （2）入射光的频率增加，发射的光电子最大初）入射光的频率增加，发射的光电子最大初动能增加。动能增加。2021/6/1635练习练习课本例题课本例题P36分析由上面讨论结果可得： 对于一定金属，逸出功对于一定金属，逸出功W0是确定的，电子电荷是确定的，电子电荷e和普朗克常量和普朗克常量h都是常量。都是常量。所以遏止电压UC与光的频率之间是线性关系即：Uc图象是一条斜率为 的直线2021/6/1636练习练习分析由上面讨论结果可得：遏止电压遏止电压Uc与光电子与光电子的最大初动能的最大初动能Ek有关有关Ek越大，越大， Uc越高；越高；Uc为零，
27、为零，Ek为零，即没有光电子为零，即没有光电子所以与遏止电压所以与遏止电压U Uc c=0=0对应的频率应该是截止频率对应的频率应该是截止频率c c2021/6/1637由以上分析可知：由以上分析可知：根据数据作根据数据作Uc图象即可求得图象即可求得遏止电压遏止电压U Uc c=0=0对应的频率就是截止频率对应的频率就是截止频率c cU Uc c图象是一条斜率为图象是一条斜率为 的直线的直线2021/6/1638练习练习5 5、根据图、根据图17.2-217.2-2所示研究光电效应的电路，利用能够所示研究光电效应的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进行产生光电效应的两种（
28、或多种）已知频率的光来进行实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。克常量的关系式。GVAKR单色光单色光分析：阳极与电源负极相接分析：阳极与电源负极相接 阴极与电源正极相接阴极与电源正极相接测出两种不同频率测出两种不同频率1、2光的遏止电压光的遏止电压U1、U2代入公式：代入公式：2021/6/1639 当入射光频率分别为当入射光频率分别为1、2时，测出遏止电压时，测出遏止电压U1、U2，由爱因斯坦光电效应方程可得，由爱因斯坦光电效应方
29、程可得联立上两式，解得联立上两式，解得其中其中e为电子的电量，测出为电子的电量，测出U1与与U2就可测出普朗克就可测出普朗克常量常量2021/6/1640实验步骤：实验步骤：（1 1）将图）将图17.2-217.2-2电路图电源正负对调，滑动变阻器电路图电源正负对调，滑动变阻器滑动触头滑至最左边，用频率为滑动触头滑至最左边，用频率为1 1 的光照射，此时的光照射，此时电流表中有电流。电流表中有电流。将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑，将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑，同时观察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。同时观察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。记下伏特表的示数记下伏特表的示数U U1 1。
30、（2 2）用频率为）用频率为2 2的光照射，重复（的光照射，重复（1 1）的操作，记）的操作，记下伏特表的示数下伏特表的示数U U2 2。 （3 3）应用）应用 计算计算h h。（4 4）多次测量取平均值。）多次测量取平均值。2021/6/1641颜色颜色波长波长/nm/nm频率频率 /1014HZ遏制电遏制电压压U/V最大动能最大动能EKm/eV绿绿兰兰紫紫（光强）（光强）紫紫（光弱）（光弱）2021/6/16421.1.电子能不能逸出：电子能不能逸出：2.2.电子能不能从电子能不能从K KAA：加速：加速：减速：减速：饱和电流与光强有关饱和电流与光强有关2021/6/1643如如图所示，一
31、所示，一伦琴射琴射线管，管，K为阴极可阴极可产生生电子，子，阴极阴极K与与对阴极阴极A外加外加电压UAK30 kV.设电子离子离开开K极极时速度速度为零，通零，通过电压加速后而以极大的加速后而以极大的速度撞到速度撞到对阴极阴极A上而上而产生生X射射线，假定，假定电子的子的全部全部动能能转为X射射线的能量求：的能量求：(1)电子到达子到达A极极时的速度是多大？的速度是多大？(2)从从A极极发出的出的X射射线的最短波的最短波长是多少？是多少？(3)若若电路中的毫安表的示数路中的毫安表的示数为10 mA，则每秒每秒从从A极最多能极最多能辐射出多少个射出多少个X光子？光子？(已知已知电子的子的质量量m
32、e9.11031 kg，电子的子的电荷量荷量e1.61019 C，普朗克常量普朗克常量h6.61034 Js)2021/6/1644第三节第三节 粒子的波动性粒子的波动性2021/6/1645光的本质是什么？光的本质是什么？牛顿的微粒说牛顿的微粒说 PK PK 惠更斯的波动说惠更斯的波动说托马斯托马斯杨、菲涅耳杨、菲涅耳波动说波动说麦克斯韦麦克斯韦光的电磁理论光的电磁理论爱因斯坦爱因斯坦光子理论光子理论2021/6/1646一、光的波粒二象性一、光的波粒二象性光子的能量和动量？光子的能量和动量？描述光描述光的的粒子粒子性性的物的物理量理量描述光的描述光的波动性波动性的的物理量物理量h架起来粒子
33、性和波动性之间的桥梁架起来粒子性和波动性之间的桥梁2021/6/1647二、粒子的波动性二、粒子的波动性光有波粒二象性光有波粒二象性实物粒子（电子、质子）实物粒子（电子、质子）也有波粒二象性也有波粒二象性每一个每一个运动着运动着的粒子与一个对应的波相联的粒子与一个对应的波相联系。这种与实物粒子相联系的波也叫做德系。这种与实物粒子相联系的波也叫做德布罗意波（物质波）布罗意波（物质波）德布罗意德布罗意2021/6/1648三、物质波的实验验证三、物质波的实验验证基本思路：基本思路： 如果电子、质子等实物粒子也真的如果电子、质子等实物粒子也真的具有波动性，那么它就应该能够发生具有波动性，那么它就应该
34、能够发生干涉和衍射。干涉和衍射。具体困难：具体困难： 要发生明显的干涉衍射现象，障碍要发生明显的干涉衍射现象，障碍物或狭缝的线度要足够小。（能与波物或狭缝的线度要足够小。（能与波长相比较）长相比较）2021/6/1649算一算算一算1、一个、一个质量量为m=0.01kg、速度、速度为300m/s的子的子弹，求它的德布，求它的德布罗意波意波长？2、电子子枪发射的射的电子束（可子束（可视为发射出来是静射出来是静止的），在止的），在经过100V电压加速后，求它的德加速后，求它的德布布罗意波意波长？2021/6/1650实验验证：实验验证：19271927年戴维孙和汤姆孙（小）分别利用年戴维孙和汤姆孙
35、（小）分别利用电子束照射到晶体晶格上，得到了衍射电子束照射到晶体晶格上，得到了衍射图样，从而证实了电子的波动性。他们图样，从而证实了电子的波动性。他们因此获得了因此获得了19371937年的诺贝尔物理奖。年的诺贝尔物理奖。后来还陆续证实了质子、中子以及原子、后来还陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性，分子的波动性，19291929年德布罗意获得了年德布罗意获得了诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。2021/6/1651CD2021/6/1652ABD2021/6/16532.2.显微镜观看细微结构时显微镜观看细微结构时, ,由于受到衍射现象的由于受到衍射现象的影响而观察不清影响而观察不清, ,因
36、此观察越细小的结构因此观察越细小的结构, ,就就要求波长越短要求波长越短, ,波动性越弱波动性越弱. .在加速电压值相在加速电压值相同的情况下同的情况下, ,电子显微镜与质子显微镜的分辨电子显微镜与质子显微镜的分辨本领本领, ,下列判定正确的是下列判定正确的是( )( )A.A.电子显微镜分辨本领较强电子显微镜分辨本领较强B.B.质子显微镜分辨本领较强质子显微镜分辨本领较强C.C.两种显微镜分辨本领相同两种显微镜分辨本领相同D.D.两种显微镜分辨本领不便比较两种显微镜分辨本领不便比较B2021/6/16542021/6/1655问题与练习：问题与练习：1 1，我们根据什么说光具有波粒二象性？，
37、我们根据什么说光具有波粒二象性？2 2，一个电子和一个质子具有同样的动能时，它们，一个电子和一个质子具有同样的动能时，它们的德布罗意波长哪个大？的德布罗意波长哪个大？3 3，射击运动员射击时会因为子弹的波动性而，射击运动员射击时会因为子弹的波动性而“失失准准”吗？为什么？根据现实情况下子弹质量、速吗？为什么？根据现实情况下子弹质量、速度大小所对应的德布罗意波长来做定性说明。度大小所对应的德布罗意波长来做定性说明。2021/6/1656知识回顾知识回顾 光是一种物质，它既具有光是一种物质，它既具有粒子性粒子性，又具，又具有有波动性波动性。 一个能量为一个能量为 、动量为、动量为 p 的实物粒子的
38、实物粒子同时具有波动性，同时具有波动性，动量为动量为 P 的粒子波长：的粒子波长：频率频率: :2021/6/1657第四节概率波2021/6/16581.1.经典物理学经典物理学粒子运动的基本特征粒子运动的基本特征：任意时刻的任意时刻的确定位置和速度确定位置和速度以及空中以及空中的的确定轨道确定轨道2.2.经典的经典的波特征波特征是：具有是：具有频率和波长频率和波长，也就是具有也就是具有时空的周期性时空的周期性。 一、经典的粒子和经典的波一、经典的粒子和经典的波一、经典的粒子和经典的波一、经典的粒子和经典的波 在经典物理学的观念中，人们形成了一种观念，物在经典物理学的观念中，人们形成了一种观
39、念，物质要么具有质要么具有粒子性粒子性，要么具有，要么具有波动性波动性，非此即彼。，非此即彼。 在惠更斯与牛顿的争论中由于他们认识的在惠更斯与牛顿的争论中由于他们认识的局限性，认为局限性，认为光子的粒子性和波动性绝对不能光子的粒子性和波动性绝对不能统一起来，是相互排斥的统一起来，是相互排斥的. .在结论上这是在结论上这是一种一种错错误误的绝对的认识论的绝对的认识论2021/6/1659 物理学中物质分为物理学中物质分为电子、质子电子、质子等实等实物和物和电场、磁场电场、磁场等场类的两大类。等场类的两大类。 法国物理学家德布罗意认为运动的法国物理学家德布罗意认为运动的物质也有波动性，物质也有波动
40、性，运动的物质对应的波运动的物质对应的波就叫物质波。就叫物质波。 由于这一理论是德布罗意提出的，由于这一理论是德布罗意提出的，因此也叫因此也叫德布罗意波德布罗意波。 所有的物质都有德布罗意波，只是所有的物质都有德布罗意波，只是动量越大其波长越短，波动性越弱，粒动量越大其波长越短，波动性越弱，粒子性越强。子性越强。2021/6/1660 为了了解光波和物质波是什么样的波，还是从光为了了解光波和物质波是什么样的波，还是从光的波粒二象性入手。的波粒二象性入手。 观察下图的光的双缝干涉实验。观察下图的光的双缝干涉实验。2021/6/1661实验原理以及结论：实验原理以及结论： 从光源从光源s s发出的
41、光通过双缝发出的光通过双缝s s1 1和和s s2 2后后在屏上显示明暗条纹。按照光的波动理在屏上显示明暗条纹。按照光的波动理论，论，条纹的明暗表示到达屏上的光的速条纹的明暗表示到达屏上的光的速度不同度不同。按照光子的模型，每个同频光。按照光子的模型，每个同频光子都带有一份能量，所以条纹明暗的分子都带有一份能量，所以条纹明暗的分布应该是布应该是到达屏上的光子数目的分布到达屏上的光子数目的分布。 因此，因此，光的强弱对应于光子的数目光的强弱对应于光子的数目，即即明纹处明纹处到达的光子的数到达的光子的数多多，暗纹处暗纹处到到达光子数达光子数少少。2021/6/1662 这是否可以认为，这是否可以认
42、为，是光子之间是光子之间的相互作用的相互作用使它表现出了波动行，使它表现出了波动行，而而不是光子本身就具有波动性呢不是光子本身就具有波动性呢？2021/6/16637个光子100个光子300020000一个一个光子依次入射双缝的衍射实验：一个一个光子依次入射双缝的衍射实验：70000体现了粒子性体现了粒子性体现了波动性体现了波动性粒子出现粒子出现的概率高的概率高粒子出现的概率低粒子出现的概率低2021/6/1664 实验结果表明，如果曝光实验结果表明，如果曝光时间不太长时间不太长，底片上只出现一些底片上只出现一些无规则分布的点子无规则分布的点子，那些，那些点子是光子打在底片上形成的，如果曝光点
43、子是光子打在底片上形成的，如果曝光时时间足够长间足够长，我们，我们无法无法把它们把它们区分开区分开，因此看，因此看起来起来是连续的是连续的. .单个光子通过双缝后的落点无单个光子通过双缝后的落点无法预测法预测, ,但是研究很多光子打在胶片上的位置但是研究很多光子打在胶片上的位置, ,我们发现了我们发现了规律性规律性: :光子落在某些条形区光子落在某些条形区域内的可能性较大域内的可能性较大. .这些条形区域正是这些条形区域正是某种波通过双缝后发生干涉时振幅加强某种波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域。这个现象表明，光子在空间各的区域。这个现象表明，光子在空间各点出现的可能性的大小点出现的可能性的
44、大小（概率）。（概率）。2021/6/1665 正是由于这个原因，正是由于这个原因，19261926年德国的年德国的物理学家波恩指出：物理学家波恩指出：虽然不能肯定某个虽然不能肯定某个光子落在哪一点，但由屏上各处明暗不光子落在哪一点，但由屏上各处明暗不同可知，光子落在各点的概率是不一样同可知，光子落在各点的概率是不一样的，即光子落在明纹处的概率大，落在的，即光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小暗纹处的概率小。这就是说，光子在空。这就是说，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以，从光子的概念上看，所以，从光子的概念上看，光波是一种光波是一种概率
45、波概率波。2021/6/1666 马克斯马克斯玻恩玻恩(Max Born 18821970)德国理德国理论物理学家，研究原子系论物理学家，研究原子系统的规律，创立了矩阵力统的规律，创立了矩阵力学，这个理论解决了旧量学，这个理论解决了旧量子论不能解决的有关原子子论不能解决的有关原子理论的问题。是量子力学理论的问题。是量子力学的奠基人之一。的奠基人之一。 2021/6/16671 1、德布罗意波的统计解释：、德布罗意波的统计解释： a a、个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性、个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性b b、大量粒子在空间何处出现的空间分布却服、大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一
46、定的统计规律。从一定的统计规律。二、概率波二、概率波二、概率波二、概率波 、概率波对光的双缝干涉现象的解释：、概率波对光的双缝干涉现象的解释：a a、光子落在明处的概率大，落、光子落在明处的概率大，落在暗处的概率小。在暗处的概率小。b b、光波是一种概率波、光波是一种概率波. .19261926年德国物理学家波恩指出：年德国物理学家波恩指出：2021/6/1668 物理学中把物理学中把光波叫做概率波光波叫做概率波。 概率表征某一事物概率表征某一事物出现的可能性出现的可能性。 经过长期的探索，人们发现：经过长期的探索，人们发现：光既是一种波光既是一种波, ,又是一种粒子又是一种粒子, ,光既光既
47、表现出波动性又表现出粒子性。表现出波动性又表现出粒子性。2021/6/1669a a、大量光子行为显示波动性；、大量光子行为显示波动性； 个别光子行为显示粒子性；个别光子行为显示粒子性；b b、光的波长越长，波动性越强；、光的波长越长，波动性越强； 光的波长越短，粒子性越强。光的波长越短，粒子性越强。 、光的波动性与粒子性是不同条件下的表现：、光的波动性与粒子性是不同条件下的表现： 、概率波对物质波的双缝衍射现象的解释：、概率波对物质波的双缝衍射现象的解释：对于对于电子电子和其他和其他微观粒子微观粒子，由于同样，由于同样具有波粒具有波粒二象性二象性，所以与它们相联系的物质波也是，所以与它们相联
48、系的物质波也是概率波概率波。也就是说，单个粒子位置是不确定的。对于大量也就是说，单个粒子位置是不确定的。对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果。粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果。2021/6/1670 按光子的模型，用统计观点按光子的模型，用统计观点看待单个粒子与粒子总体的联系，看待单个粒子与粒子总体的联系，并将波的观点与粒子观点结合起并将波的观点与粒子观点结合起来了，但这里的波是特殊意义的来了，但这里的波是特殊意义的波，因而被称为波，因而被称为“概率波概率波” 这这种种对物质波衍射与实物粒子的波对物质波衍射与实物粒子的波粒二象性的理解，称作统计解释粒二象性的理解，称作统计解释或概率
49、解释或概率解释2021/6/1671 1. 下列说法正确的是下列说法正确的是 （ ） A.光波是光波是种概率波种概率波 B.光波是一种电磁波光波是一种电磁波 C.单色光从光密介质进入光疏介单色光从光密介质进入光疏介质时光子的能量改变质时光子的能量改变 D.单色光从光密介质进入光疏介单色光从光密介质进入光疏介质时，光的波长不变质时，光的波长不变AB2021/6/1672 2、对于某单色光，玻璃的折射率比水、对于某单色光，玻璃的折射率比水的大，则此单色光在玻璃中传播时的大，则此单色光在玻璃中传播时 ( ) A其速度比在水中的大，其波长比在其速度比在水中的大，其波长比在水中的长水中的长 B其速度比在
50、水中的大其速度比在水中的大，其波长比在，其波长比在水中的短水中的短 C其速度比在水中的小，其波长比在其速度比在水中的小，其波长比在水中的短水中的短 D其速度比在水中的小，其波长比在其速度比在水中的小，其波长比在水中的长水中的长C2021/6/16733、下列说法中正确的是、下列说法中正确的是 ( )A光的干涉和衍射现象说明光具有波动光的干涉和衍射现象说明光具有波动性性B光的频率越大，波长越大光的频率越大，波长越大C光的波长越大，光子的能量越大光的波长越大，光子的能量越大D光在真空中的传播速度为光在真空中的传播速度为3 108m/sAD2021/6/1674 4、为了强调物理学对当今社会的重要作
51、用、为了强调物理学对当今社会的重要作用并纪念爱因斯坦，并纪念爱因斯坦，2004年联合国第年联合国第58次大会把次大会把2005年定为国际物理年爱因斯坦在年定为国际物理年爱因斯坦在100年前发年前发表了表了5篇重要论文，内容涉及狭义相对论、量子篇重要论文，内容涉及狭义相对论、量子论和统计物理学，对现代物理学的发展作出了巨论和统计物理学，对现代物理学的发展作出了巨大贡献某人学了有关的知识后，有如下理解，大贡献某人学了有关的知识后，有如下理解，其中正确的是其中正确的是 （ ） A.光既具有波动性，又具有粒子性光既具有波动性，又具有粒子性 B.实物粒子只有粒子性没有波动性实物粒子只有粒子性没有波动性
52、C.在光电效应的实验中，入射光强度增大，在光电效应的实验中，入射光强度增大，光电子的最大初动能随之增大光电子的最大初动能随之增大 D.质能方程表明：物体具有的能量与它的质质能方程表明：物体具有的能量与它的质量有简单的正比关系量有简单的正比关系AD2021/6/1675 5、在双缝干涉实验中，以白光为光源，、在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝中在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝中的一缝前放一红色滤光片（只能透过红光），的一缝前放一红色滤光片（只能透过红光），另一缝前放一绿色滤光片（只能透过绿光），另一缝前放一绿色滤光片（只能透过绿光），这时（）这时（） A
53、.只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其它只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其它颜色的双缝干涉条纹消失颜色的双缝干涉条纹消失 B.红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其它红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其它颜色的双缝干涉条纹依然存在颜色的双缝干涉条纹依然存在 C.任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮屏上仍有光亮 D.屏上无任何光亮屏上无任何光亮C2021/6/1676三、不确定度关系三、不确定度关系 经典力学：经典力学：运动物体有完全确定的位置、动量、能量等。运动物体有完全确定的位置、动量、能量等。 微观粒子：微观粒子：位置、动量等具有不确定量（概率）。位置、动量等具
54、有不确定量（概率）。 电子衍射中的不确定度电子衍射中的不确定度一束电子以速度一束电子以速度 v v 沿沿 oy oy 轴射向狭缝。轴射向狭缝。电子在中央主极区域出现的几率最大。电子在中央主极区域出现的几率最大。yb光强xx表示粒子位置的不确定量，表示粒子位置的不确定量，p p表示沿表示沿x x轴的动量不确定量。轴的动量不确定量。xx越小，明纹宽度越大，越小，明纹宽度越大，角越角越大，大，p p的不确定量越大。衍射越明的不确定量越大。衍射越明显。反之，显。反之，p p的不确定量越小。的不确定量越小。2021/6/1677不确定性关系1.能否同时精确测出微粒的位置和动量？能否同时精确测出微粒的位置
55、和动量？微观粒子的位置和动量不能同时确定，若位置的不确微观粒子的位置和动量不能同时确定，若位置的不确定量减小了，动量的不确定量就会增大；若粒子有确定量减小了，动量的不确定量就会增大；若粒子有确定的动量，其位置就完全不确定。定的动量，其位置就完全不确定。2.不确定性关系不确定性关系若用若用x x表示位置的不确定量，用表示位置的不确定量，用p p表示粒子在表示粒子在x x方方向上的动量的不确定量，则向上的动量的不确定量，则x ph/42021/6/1678课堂练习1. 下列说法正确的是 （ ） A.光波是种概率波 B.光波是一种电磁波 C.单色光从光密介质进入光疏介质时光子的能量改变 D.单色光从
56、光密介质进入光疏介质时，光的波长不变AB选项选项分析过程分析过程结果结果A光波是概率波光波是概率波对对B麦克斯韦电磁理论麦克斯韦电磁理论对对C光子的能量与频率有关光子的能量与频率有关=hv=hv错错D= c/f,而而f不变不变错错2021/6/16792、下列说法中正确的是 ( )A光的干涉和衍射现象说明光具有波动性B光的频率越大，波长越大C光的波长越大，光子的能量越大D光在真空中的传播速度为3.00108m/sAD2021/6/1680在在验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是()A使光子一个一个地通过狭缝，如果时间足够长，使光子一个一个地通
57、过狭缝，如果时间足够长，底片上将会显示衍射图样底片上将会显示衍射图样B单个光子通过狭缝后，底片上会出现完整的衍射单个光子通过狭缝后，底片上会出现完整的衍射图样图样C光子通过狭缝的运动路线是直线光子通过狭缝的运动路线是直线D光的波动性是大量光子运动的规律光的波动性是大量光子运动的规律类型一类型一对光波是概率波的理解例例1 1课堂互动讲练2021/6/1681【解析】个别或少数光子表现出光的粒子性，大【解析】个别或少数光子表现出光的粒子性，大量光子表现出光的波动性如果时间足够长，通过量光子表现出光的波动性如果时间足够长，通过狭缝的光子数也就足够多，粒子的分布遵从波动规狭缝的光子数也就足够多，粒子的
58、分布遵从波动规律，底片上将会显示出衍射图样，律，底片上将会显示出衍射图样，A、D选项正确选项正确单个光子通过狭缝后，路径是随机的，底片上也不单个光子通过狭缝后，路径是随机的，底片上也不会出现完整的衍射图样，会出现完整的衍射图样，B、C选项错选项错【答案】【答案】AD2021/6/16821在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占从单缝在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的射入的整个光强的95%以上假设现在只让一个光以上假设现在只让一个光子通过单缝，那么该光子子通过单缝，那么该光子()A一定落在中央亮纹处一定落在中央亮纹处B一定落在亮纹处一定落在亮纹处C可能落在暗纹处可能落在暗纹处D落在中央亮纹处的可能性最大落在中央亮纹处的可能性最大解析：选解析：选CD.根据光的概率波的概念，对于一个光根据光的概率波的概念，对于一个光子通过单缝落在何处，是不可确定的，但概率最大子通过单缝落在何处，是不可确定的，但概率最大的是落在中央亮纹处，可达的是落在中央亮纹处，可达95%以上当然也可能以上当然也可能落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，只不过落在落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，只不过落在暗纹处的概率很小而已，故只有暗纹处的概率很小而已，故只有C、D正确正确变式训练变式训练2021/6/1683 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！
