高中物理知识全解 4.3 波粒二象性.doc

高中物理知识全解 4.3 波粒二象性一：光的粒子性热辐射 物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，所辐射电磁波的特征与温度有关。 1、物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉；当温度升高时热辐射中较短波长的成分越来越强。例：给一个铁块不断加热，铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。这表明，辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。这是热辐射的一个特性。2、一般材料的物体辐射电磁波的情况与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。3、一般材料的物体除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。黑体辐射黑体（绝对黑体）：只吸收外界射来的电磁波，而不反射外界射来的电磁波。黑体辐射：辐射电磁波的情况只与黑体的温度有关，因而能够反映某种具有普遍意义的客观规律。于是，在研究热辐射的规律时，人们特别注意对黑体辐射的研究。1、黑体辐射的实验规律2、从图中可以看出，随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。普朗克能量子假设普朗克能量子假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一个最小能量值的整数倍，当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收(即辐射和吸收的能量是这个最小能量值的整数倍)。这个不可再分的最小能量值叫做能量子。1、普朗克的假设认为微观粒子的能量是量子化的，或说微观粒子的能量是分立的不连续的。2、普朗克借助能量子假设，得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，这与黑体辐射的实验规律符合得很好。光电效应光电效应：在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流的现象叫光电效应，激发出来的电子叫光电子，形成的电流叫光电流。i、光电现象由德国物理学家赫兹于1887年首先发现，而对光电效应的正确解释则是爱因斯坦所提出的。 ii、发生光电效应时，光电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关，因此当光照强度不变（即光子数量一定）时，增大正向电压，则电路中的光电流会随着正向电压的增大而增大，但当电路中的光电流增大到一定值之后，再增大正向电压，电路中的光电流不会再增大，我们把这个最大光电流叫饱和光电流。【饱和光电流和光照强度有关】iii、当在电路中施加一反向电压时，电路中的光电流会随着反向电压的增大而减小，当电路中的光电流刚好为零时，所对应的反向电压叫遏止电压，用表示。【遏止电压和光的频率及材料有关】 （为众多光电子中初速度的上限）【例题】如下图所示是利用光电管研究光效应的实验原理示意图，用可见光照射光电管的阴极k，电流表中有电流通过，则（ ） a若将滑动变阻器的滑动触头移到a端时，电流表中一定无电流通过b滑动变阻器的滑动触头由a端向b端滑动的过程中，电流表的示数一定会持续增大c将滑动变阻器的滑动触头置于b端，改用紫外线照射阴极k，电流表一定有电流通过 d将滑动变阻器的滑动触头置于b端，改用红外线照射阴极k，电流表一定无电流通过 1、对光电效应的研究，得出如下结论i、任何一种金属，都有一个截止频率（或极限频率），入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应。ii、光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大（线性关系）。iii、入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的（秒），故可认为发生光电效应不需要时间。真气（空气）中光波的波列长不超过（）。iv、当入射光频率大于截止频率（或极限频率）时，在电压不变的情况下，光电流的强度与入射光强度成正比。2、光的电磁理论对光电效应解释的疑难i、光的电磁理论对光电效应的部分解释当光照射金属表面时，电子吸收能量。若电子吸收的能量与原有的热运动能量之和超过逸出功，电子就会从金属表面逸出，这就是光电子。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大，这些结论与实验相符。逸出功：金属表面层内存在一种力，阻碍电子的逃逸，电子要从金属中挣脱出来，必须克服这种阻力做功。使电子脱离某种金属表面所做功的最小值叫这种金属的逸出功，用表示。（理解不同金属的逸出功不一样）注意：逸出功是电子克服阻力逃逸金属表面所做功的最小值。例：当照射光的光子能量时，并不代表金属内的所有电子都能发生光电效应。ii、光的电磁理论对光电效应解释不了的问题（1）波动理论解释不了极限频率，认为光的强度由光波的振幅决定，跟频率无关，只要入射光足够强，就应该能发生光电效应，但事实并非如此。（2）波动理论解释不了光电子的最大初动能与光的频率有关而与光的强度无关。（3）波动理论解释不了光电效应发生的时间之短。总结：光的电磁理论只能部分解释光电效应。3、爱因斯坦对光电效应的解释（成功解释了光电效应）爱因斯坦光量子假设：光和原子、电子一样也具有粒子性，光就是以光速c运动着的粒子流，把这种粒子叫光量子。同普朗克的能量子一样，每个光量子的能量也是，这些光量子后来称为光子。爱因斯坦光电效应方程：（为逸出光电子的最大初动能）i、爱因斯坦光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与光的强弱无关。只有当时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率（或极限频率）。ii、电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产生的。iii、光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因此饱和光电流较大。注意：光子数由光强决定，和光的频率无关；而光子的能量由光的频率决定，与光强无关。【例题】用同一束单色光，在同一条件下先后照射锌片和银片，都能产生光电效应，在这两个过程中，对于下列四个量，一定相同的是_，可能相同的是_，一定不同的是_a光子的能量 b光电子的逸出功c光电子动能 d光电子初动能【例题】在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如下图所示则可判断出 ( ) a甲光的频率大于乙光的频率b乙光的波长大于丙光的波长c乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率d甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能康普顿效应康普顿效应：19181922年，美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长的x光外，还有波长大于的成分，其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应。光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。（光束经过光学性质不均匀的物质时容易发生光的散射）光的散射与光的反射相区别：光的散射不遵守光的反射定律，且在散射光中散射光的频率小于或等于入射光的频率；光的反射遵守光的反射定律，且反射光的频率等于入射光的频率。1、按经典电磁理论，由于光是电磁振动的传播，入射光引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光。散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率也就是入射光的频率，因而散射光的波长与入射光的波长应该相等，不会出现波长的散射光。经典理论与事实又一次出现了矛盾。2、康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释。康普顿认为：x射线的光子不仅具有能量，也像其它粒子那样具有动量，x射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵守能量守恒和动量守恒，求解这些方程，可以得出散射光的波长变化值，理论结果与实验符合得很好。拓展：光的有关公式归纳及性质归纳。i、光子的动量，光子的运动质量(原理：)，光的波长ii、注意：同一种光除了光的散射在散射光中散射光的频率会变小或不变外；对于光的反射，折射，全反射、干涉、衍射、色散等光的频率均不变。结论：光电效应，康普顿效应都说明了光具有粒子性。二：光的波动性光的干涉、光的衍射，光的偏振都说明了光具有波动性。1、大量光子行为显示波动性；个别光子行为显示粒子性。2、光的波长越长，波动性越强；光的波长越短，粒子性越强。【例题】有关光的本性的说法正确的是 ( )a关于光的本性，牛顿提出了“微粒说”，惠更斯提出了“波动说”，爱因斯坦提出了“光子说”，它们都圆满地说明了光的本性b光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成宏观概念上的粒子c光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性d在光的双缝干涉实验中，如果光通过双缝时显出波动性，如果光只通过一个缝时显出粒子性物质波德布罗意波（物质波）：1924年，德布罗意在光具有波粒二象性的启发下，提出实物粒子（如电子，质子等）也具有波粒二象性，而且粒子的能量和动量p跟它所对应的波的频率和波长之间，也像光子跟光波一样，遵从如下关系：1927年戴维孙和g.p.汤姆孙分别利用晶体做了电子束的衍射实验，证明了电子（电子是实物粒子）具有波动性。任一运动的物体都有一种波和它对应，这就是物质波。【例题】世界上运动最快的球是羽毛球，你相信吗？根据测算，羽毛球离拍时的最大速度可达，羽毛球的质量为5.0g，试求其德布罗意波长？我们能观察到羽毛球的波动性吗？概率波概率波：1926年，德国物理学玻恩 （18821970） 提出了概率波，认为个别微观粒子在空间何处出现有一定的偶然性，但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律。 1、对光的双缝干涉现象的解释可以说明光波是一种概率波。【光波是一种概率波，也是波粒二象性的含义】注意：光的波动性不是光子之间的相互作用引起的，而是光子自身固有的性质。2、对电子双缝干涉现象的解释说明物质波也是概率波。【例题】在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占整个从单缝射入的光强的95%以上，假设现在只让一个光子通过单缝，那么该光子 ( )a一定落在中央亮纹处 b一定落在亮纹处c可能落在暗纹处 d落在中央亮纹处的可能性最大解析：大量光子的行为显示出波动性，当大量光子通过单缝时