2013年高考物理量子论初步.doc

第十八章 量子论初步能波玻尔的原子模型物质波光的波粒二象性应用规律光电效应Eh光子说光的粒子性量子论初步 主要应用量子认初步知识解决两类问题：（1）应用光量子说（即光子说）解释光电效应，并进一步理解光的本性波粒两象性；（2）把量子理论应用到原子中，提出了一种新的原子模型玻尔模型，并解释了氢原子发光的机理，使人们逐步正确的认识原子的结构，本单元结构如下：一、光电效应 光子 1、光电效应 在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子。光电效应现象是赫兹首先发现的。弧光灯的光使锌板失去电子注意：a 锌板、验电器带正电b 进一步实验表明，使锌板发生光电效应的是紫外线，不是可见光，更不是红外线擦得很亮的锌板弧光灯验电器光电效应的特点：（1）每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能产生光电效应如果入射光的频率大于极限频率，则无论光亮度多弱，都能使金属发生光电效应现象，如果入射光的频率小于极限频率，则无论光亮度多强，也不照射时间多长，都不能使金属发生光电效应现象。（2）光电效应的发生几乎是瞬时的，不超过109S照射的同时就有光电子射出（3）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；（4）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说明：所谓光的强度，也可以简单地理解为光的亮度，准确地说，指的是单位时间内照射到金属单位面积的光的总能量2、光子说 普朗克研究物体热辐射时发现，电磁波的发射和吸收是一份一份地进行的，他把这样的每一份能量称为能量子，他同时认为，每一份能量的能量Eh，式中h称为普朗克恒量，h6.631034JS。 爱因斯坦受普朗克启发，提出光是一份一份地传播的，每一份叫做一个光量子，简称为光子，每一份光子的能量Eh，h6.631034JS。 这里所说光，包括不可见光红外线、紫外线，甚至也包括X射线（X光、X光子）、射线（光、光子）。例：人眼对绿光最为敏感，如果每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。现有一个光源以0.1W的功率均匀地向各个方向发射波长为530nm的绿光，眼睛最远在多大距离能够看到这个光源？假设瞳孔在暗处的直径为4mm，且不计空气对光的吸收。3、光子说对光电效应的解释 光电效应方程 电子必须有足够的能量才能克服金属中正电荷的吸引挣脱束缚飞到金属外面。 使电子脱离某种金属所需做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。对一种金属来说，逸出功W是定值，不同金属的逸出功大小不同。 金属中的某个电子吸收光子的能量之后是否有足够的能量脱离金属，应以一份光子的能量是否足够大计算。这是因为，金属中自由电子数目众多，对每一个电子而言，它能连续吸收两份光子的能量的几率极小，更重要地是，如果一份光子的能量不足以使电子脱离金属，则此电子得到的能量将因为无规则热运动与其它电子碰撞而很快地将能量传递给其它电子而失去，这样，即使此电子又再吸收到一份光子的能量，它仍然将因为能量不够而无法脱离金属。发生光电效应现象时，电子并不都是垂直于金属表面飞出的，实际上，沿各个方向飞出的电子都有；由于飞离金属时需要克服原子核做功而损失的能量不同，所以电子的初动能大小不同，电子需要损失能量的最小值等于金属的逸出功，这时电子剩余的能量最大，即具有的初动能的值最大，称为光电子的最大初动能，可用EKm表示， 显然： W h0 h W：金属的逸出功 0：极限频率 0：极限波长Ekm00W说明：右图是光电效应方程EKmhW的图象，注意理解图象截距的物理意义。 EKmhW ：照射光的频率 EKm：光电子的最大初动能 问：如果某金属在紫光的照射下能够发生光电效应现象，那么，紫外线是否一定能使此金属发生光电效应现象？红外线能使此金属发射光电子吗？用相同强度的紫光或紫外线照射该金属，在紫外线照射下金属发射出的光电子的初动能是否一定大于紫光照射下发射出的光电子的初动能？在哪一种光的照射下，在相同时间内从金属表面发射出的光电子数目更多？在哪一种光的照射下，形成的光电流的强度可以更大？ 注意：初动能与最大初动能的区别；光强与频率的区别；光电流大小与最大初动能的区别。说明：制成真空的容器M内，封装两个金属板电极K和A，光线可以透过石英玻璃窗C照射到K板上；保持触头P1位置不动，改变触P2的位置，可以在K、A间不加电压，或加上A高K低使光电子加速运动的正向电压，或者加上A低K高使光电子减速的负向电压。电流表的读数大小反映了单位时间内到达A板的光电子数目的多少。补充：光电效应现象的定量研究实验AVMCKAP1P2R主要实验现象：（1）当且仅当有光电子到达A板时，电流表才会有读数。当照射光的频率足够大时，K、A间不加电压，电流表也将有读数；（2）将P2右移，即加上正向电压，将发现电压越大，电流表读数越大，但当电压大到一定程度时，再增加电压的数值，电流表读数不再随着增大而是保持不变，可将此时的电流值称为光电流的饱和值；（3）保持照射光频率不变时，照射光强度越大，光电流的饱和值越大；（4）将P2移至P1的左方，即加上反向电压，当反向电压较小时，电流表仍然有读数。逐渐增大反向电压，电流表读数逐渐减小，当反向电压增大到一定程度时，电流表读数将变为零。根据电流表读数刚好变为零时的反向电压U可以计算光电子的最大初动能：EKmeU说明：在电极K、A间加磁场，也可以使光电子不能到达A板，注意两种模式的区别使所有光电子不能到达A板，偏转磁场应使沿板方向飞出的电子不能A板。I光例 右图所示为一真空光电管的应用电路，其阴极金属材料的极限频率为4.51014Hz，则以下判断正确的是：GA 发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率B 发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度C 用0.5m的光照射光电管时，电路中有光电流产生D 光照射时间越长，电路中光电流越大。二、光的波粒二象性 光的干涉、衍射不可怀疑地说明光具有波动性，光电效应、康普顿效应不可辩驳地说明光具有粒子性。人们终于认识到，光同时具有波动性和粒子性，即具有波粒二象性。频率越小，亦即波长越长，这时光越容易衍射、干涉，即频率越小波动性越明显，频率越大则粒子性越明显、穿透本领越强所以，射线比X线粒子性更显著，穿透能力更大。另外，少数光子的行为主要表现为粒子性，大量光子运动的规律表现出光的波动性，所以又将光波叫做概率波说明：（1）光一份一份地传播，每一份光子不仅具有能量，而且具有动量，光子与其它粒子比如电子碰撞时遵循能量守恒、动量守恒，在这方面光子和质子、电子等实物粒子是一样的，它真是一种微观粒子！光子的能量Eh，光子的质量m，光子的动量Pmc （2）不要将光子想像为大小尺寸为一个波长的粒子（3）以双缝干涉为例（教材46页）理解波粒二象性的统一、光是概率波的含义实验表明，只有少数光子通过双缝时，感光底片上只能看见一些散乱的点，这充分说明了光的粒子性，同时说明单个光子通过双缝后的落点无法预测，即光子的运动路线没有确定的轨迹；但当有大量光子通过双缝后，则可以清楚地看到符合波动规律的明暗条纹，这充分说明了光的波动性。进一步分析：明暗条纹的存在表明光子出现在空间各处的可能性是不一样的，亮纹处是光子出现的可能较大的区域，暗纹处是光子出现的可能性较小的区域，明暗条纹的分布符合波动规律，说明光子在空间各点出现的概率大小符合波动规律。这就是我们把光波称为概率波的含义（由于波动性，光子的运动路线是无规则的，我们不可能精确地知道光子在下一时刻将出现在什么位置，只能知道光子在空间某处出现的概率的大小，到底在哪个区域出现的概率大、在哪个区域出现的概率小，这是受波动规律支配的）仍然考虑双缝干涉，不过所用光源更加微弱，以至于在光源和感光胶片之间不可能同时有两个或更多的光子，这时，仍得到相同的实验现象。由于同一时刻只能有一个光子飞向感光屏，所以光的波动性不是光子之间的相互作用引起的，即波动性是光子本身的一种属性。值得注意的是，尽管每次只有一个光子通过狭缝，但是如果把双缝中的一个挡住，那么在感光屏上就不能出现干涉条纹了，好象光子通过一个狭缝的时候能够“知道”另一个狭缝是否存在！三、物质波 牛顿力学的局限性 物理学把物质分为两大类，一类是质子、电子等，称为实物，另一类是电场、磁场等，统称为场。光是传播着的电磁场。 既然光具有粒子性，法国物理学家德布罗意认为运动的实物粒子也应该表现为波动性，他认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应，称为物质波，或称为德布罗意波，且 称为德布罗意波长，h为普朗克恒量，P为运动物体的动量 物质波也是概率波。由于h很小，所以通常很小，即波动性不明，但电子等微观粒子可以表现出较为明显的波动性。对于宏观质点，只要知道它在某一时刻的位置和速度以及受力情况，就可以应用牛顿定律确定该质点运动的轨道，算出它在以后任意时刻的位置和速度，但是由于波动性