波粒二象性知识点

第 1 页 波粒二象性知识点总结波粒二象性知识点总结 一 黑体与黑体辐射 1 热辐射 1 定义 我们周围的一切物体都在辐射电磁波 这种辐射与物体的温度有关 所以叫热辐 射 2 特点 热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同 2 黑体 1 定义 在热辐射的同时 物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波 如果一些物体能 够完全吸收投射到其表面的各种波长的电磁波而不发生反射 这种物体就是绝对黑体 简称黑体 2 黑体辐射特点 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与 黑体的温度有关 注意 一般物体的热辐射除与温度有关外 还与材料的种类及 表面状况有关 二 黑体辐射的实验规律 如图所示 随着温度的升高 一方面 各种波长的辐射强度都 有增加 另 方面 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 三 能量子 1 能量子 带电微粒辐射或吸收能量时 只能是辐射或吸收 某个最小能量值的整数倍 这个不可再分的最小能量值 E 叫做能量子 2 大小 E h 其中 是电磁波的频率 h 称为普朗克常量 h 6 626x10 34J s 般 h 6 63x10 34J s 四 拓展 1 对热辐射的理解 1 在任何温度下 任何物体都会发射电磁波 并且其辐射强度按波长的分布情况随物体的 温度而有所不同 这是热辐射的一种特性 在室温下 大多数物体辐射不可见的红外光 但当物体被加热到 5000C 左右时 开始发出 暗红色的可见光 随着温度的不断上升 辉光逐渐亮起来 而且波长较短的辐射越来越 多 大约在 1 5000C 时变成明亮的白炽光 这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量在不同光 谱区域的分布是不均匀的 而且温度越高光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高 2 在一定温度下 不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同 例如 将钢加热到约 800 时 就可观察到明亮的红色光 但在同一温度下 熔化的水晶却不辐射可见光 3 热辐射不需要高温 任何温度下物体都会发出一定的热辐射 只是温度低时辐射弱 温度 高时辐射强 2 2 什么样的物体可以看做黑体 1 黑体是一个理想化的物理模型 2 如图所示 如果在一个空腔壁上开 个很小的孔 那么射 人小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收 最终不能从空 腔射出 这个空腔近似看成一个绝对黑体 注意 黑体看上去不一定是黑色的 有些可看做黑体的物体由于 自身有较强的辐射 看起来还会很明亮 如炼钢炉口上的小孔 3 普朗克能量量子化假说 1 如图所示 假设与实验结果 令人满意地相符 图中小圆点表示实验值 曲线是根据普朗克公式作出的 2 能量子假说的意义 普朗克的能量子假说 使人类对微观世界的本质有了全 第 2 页 新的认识 对现代物理学的发展产生了革命性的影响 普朗克常量 h 是自然界最基本的常量之一 它体现了微观世界的基本特征 架起了电磁波的波动性与粒子性的桥梁 注意 物体在发射或接收能量的时候 只能从某一状态 飞跃 地过渡到另一状态 而不可 能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态 二 光电效应现象二 光电效应现象 1 1 光电效应 光电效应 光电效应 物体在光 包括不可见光 的照射下发射电子的现象称为光电效应 2 光电效应的研究结论 光电效应的研究结论 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 低于这个频率的光不能产生光电效应 光电子的最大初动能与入射光的强度无关光电子的最大初动能与入射光的强度无关 只随 着入射光频率的增大增大而增大增大 注意 从金属出来的电子速度会有差异 这里说的是从金属表面直 接飞出来的光电子 入射光照到金属上时 光电子的发射几乎是瞬时的光电子的发射几乎是瞬时的 一般不超过 10 9s 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 3 3 光电效应的应用 光电效应的应用 光电管 光电管的阴极表面敷有碱金属 对电子的束缚能力比较弱 在光的照射下容易发射 电子 阴极发出的电子被阳极收集 在回路中形成电流 称为光电流 注意 注意 光电管两极加上正向电压 可以增强光电流 光电流的大小跟入射光的强度和正 向电压有关 与入射光的频率无关 入射光的强度越大 光电流越大 遏止电压U0 回路中 的光电流随着反向电压的增加而减小 当反向电压U0满足 光电流将会减小到 0 2 max 2 1 eUmv 零 所以遏止电压与入射光的频率有关 4 波动理论无法解释的现象 波动理论无法解释的现象 不论入射光的频率多少 只要光强足够大 总可以使电子获得足够多的能量 从而产生光 电效应 实际上如果光的频率小于金属的极限频率 无论光强多大 都不能产生光电效应 光强越大 电子可获得更多的能量 光电子的最大初始动能应该由入射光的强度来决定 实际上光电子的最大初始动能与光强无关 与频率有关 光强大时 电子能量积累的时间就短 光强小时 能量积累的时间就长 实际上无论光入 射的强度怎样微弱 几乎在开始照射的一瞬间就产生了光电子 三 光子说三 光子说 1 1 普朗克常量 普朗克常量 普郎克在研究电磁波辐射时 提出能量量子假说 物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连 续的 只能是的整数倍 称为一个能量量子 即能量是一份一份的 其中 辐射频率 hvhvv 是一个常量 称为普朗克常量 h 2 2 光子说 光子说 在空间中传播的光的能量不是连续的 而是一份一份的 每一份叫做一个光子 光子的能量 跟光的频率 成正比 其中 是普朗克常量 v 是光的频率 hv h 四 光电效应方程四 光电效应方程 1 逸出功逸出功 W W0 0 电子脱离金属离子束缚 逸出金属表面克服离子引力做的功 2 光电效应方程 光电效应方程 如果入射光子的能量大于逸出功 W0 那么有些光电子在脱离金属表面hv 后还有剩余的动能 根据能量守恒定律 入射光子的能量等于出射光子的最大初动能与逸hv 出功之和 即 其中是指出射光子的最大初动能 0 2 max 2 1 Wmvhv 2 max 2 1 mv 第 3 页 3 3 光电效应的解释 光电效应的解释 极限频率 极限频率 金属内部的电子一般一次只能吸收一个光子的能量 只有入射光子的能量大hv 于或者等于逸出功 W0 即 时 电子才有可能逸出 这就是光电效应存在极限频率的原因 h W v 0 遏制电压 遏制电压 由和有 所以遏制电压只与入射 0 2 max 2 1 Wmvhv 0 2 max 2 1 eUmv 00 WeUhv 光频率有关 与入射光的强度无关 这就是光电效应存在遏制电压的原因 五 康普顿效应 表明光子具有动量 五 康普顿效应 表明光子具有动量 1 康普顿效应 康普顿效应 用 X 射线照射物体时 一部分散射出来的 X 射线的波长会变长 这个现象 叫康普顿效应 康普顿效应是验证光的波粒二象性的重要实验之一 2 康普顿效应的意义 康普顿效应的意义 证明了爱因斯坦光子假说的正确性 揭示了光子不仅具有能量 还 具有动量 光子的动量为 hp 3 现象解释 现象解释 碰撞前后光子与电子总能量守恒 总动量也守恒 碰撞前 电子可近似视为 静止的 碰撞后 电子获得一定的能量和动量 X 光子的能量和动量减小 所以 X 射线光子的 波长 变长 六 光的波粒二象性六 光的波粒二象性 物质波物质波 概率波概率波 不确定关系不确定关系 1 1 光光的的波波粒粒二二象象性性 干涉 衍射和偏振干涉 衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波 光电效应和康普光电效应和康普 顿效应顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子 由于光既有波动性 又有粒子性 只能认为光具 有波粒二象性 但不可把光当成宏观观念中的波 也不可把光当成宏观观念中的粒子 少量的光少量的光 子表现出粒子性 大量光子运动表现为波动性 光在传播时显示波动性 与物质发生作用时 往子表现出粒子性 大量光子运动表现为波动性 光在传播时显示波动性 与物质发生作用时 往 往显示粒子性 频率小波长大的波动性显著 频率大波长小的粒子性显著 往显示粒子性 频率小波长大的波动性显著 频率大波长小的粒子性显著 2 2 光光子子的的能能量量E h 光光子子的的动动量量p h 表示式也可以看出 光的波动性和粒子性并不矛盾 表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量 频率 和波长 由以上两式和波速公式 c 还可以得出 E p c 3 3 物物质质波波 德布罗意波 1924 年德布罗意 法 提出 实物粒子和光子一样具有波动性 任何一个运动运动着的物体都有一种与之对应的波 波长 h h p p 这种波叫物质波 也叫德布罗 意波 4 4 概概率率波波 从光子的概念上看 光波是一种概率波 光子落在明条纹的概率高 落在暗条纹 的概率低 干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映 注意 注意 亮纹是光子落的概率大 暗纹是概率小 不是光子照不到 5 5 电子云 电子云 原子核外电子的概率分布图 概率大的地方小圆点密一些 概率小的地方小圆 点疏一些 讨论微观粒子的运动 轨道的概念毫无意义 6 6 不不确确定定关关系系 微观粒子的坐标和动量不能同时完全精确地确定 如果用表示微观粒子x 位置的不确定性 用表示微观粒子在方向上动量的不确定性 则有 原因是因p x 4 h px 为微观粒子具有波动性 1 由不确定性关系可