（高中物理）知識全解43波粒二象性

1、高中物理知識全解 4.3 波粒二象性一：光的粒子性熱輻射 物體在任何溫度下都在發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射，所輻射電磁波的特征與溫度有關(guān)。 1、物體在室溫時，熱輻射的主要成分是波長較長的電磁波，不能引起人的視覺；當(dāng)溫度升高時熱輻射中較短波長的成分越來越強(qiáng)。例：給一個鐵塊不斷加熱，鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，直至成為黃白色。這說明，輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同。這是熱輻射的一個特性。2、一般材料的物體輻射電磁波的情況與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及外表狀況有關(guān)。3、一般材料的物體除了熱輻射之外，物體外表還會吸收和反射

2、外界射來的電磁波。黑體輻射黑體絕對黑體：只吸收外界射來的電磁波，而不反射外界射來的電磁波。黑體輻射：輻射電磁波的情況只與黑體的溫度有關(guān)，因而能夠反映某種具有普遍意義的客觀規(guī)律。于是，在研究熱輻射的規(guī)律時，人們特別注意對黑體輻射的研究。1、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2、從圖中可以看出，隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加，另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動。普朗克能量子假設(shè)普朗克能量子假設(shè)：振動著的帶電微粒的能量只能是某一個最小能量值的整數(shù)倍，當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時，也是以這個最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收(即輻射和吸收的能量是這個最小能量值的整數(shù)倍)。這個不可再分的

3、最小能量值叫做能量子。1、普朗克的假設(shè)認(rèn)為微觀粒子的能量是量子化的，或說微觀粒子的能量是分立的不連續(xù)的。2、普朗克借助能量子假設(shè)，得出了黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公式，這與黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律符合得很好。光電效應(yīng)光電效應(yīng)：在光的照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會被光子激發(fā)出來而形成電流的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)，激發(fā)出來的電子叫光電子，形成的電流叫光電流。i、光電現(xiàn)象由德國物理學(xué)家赫茲于1887年首先發(fā)現(xiàn)，而對光電效應(yīng)的正確解釋那么是愛因斯坦所提出的。 ii、發(fā)生光電效應(yīng)時，光電子的射出方向不是完全定向的，只是大局部都垂直于金屬外表射出，與光照方向無關(guān)，因此當(dāng)光照強(qiáng)度不變即光子數(shù)量一定時，增大正向電壓，那么電路

4、中的光電流會隨著正向電壓的增大而增大，但當(dāng)電路中的光電流增大到一定值之后，再增大正向電壓，電路中的光電流不會再增大，我們把這個最大光電流叫飽和光電流。【飽和光電流和光照強(qiáng)度有關(guān)】iii、當(dāng)在電路中施加一反向電壓時，電路中的光電流會隨著反向電壓的增大而減小，當(dāng)電路中的光電流剛好為零時，所對應(yīng)的反向電壓叫遏止電壓，用表示?！径糁闺妷汉凸獾念l率及材料有關(guān)】為眾多光電子中初速度的上限【例題】如以下列圖所示是利用光電管研究光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理示意圖，用可見光照射光電管的陰極k，電流表中有電流通過，那么 a假設(shè)將滑動變阻器的滑動觸頭移到a端時，電流表中一定無電流通過b滑動變阻器的滑動觸頭由a端向b端滑動的過程

5、中，電流表的示數(shù)一定會持續(xù)增大c將滑動變阻器的滑動觸頭置于b端，改用紫外線照射陰極k，電流表一定有電流通過 d將滑動變阻器的滑動觸頭置于b端，改用紅外線照射陰極k，電流表一定無電流通過 1、對光電效應(yīng)的研究，得出如下結(jié)論i、任何一種金屬，都有一個截止頻率或極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。ii、光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大線性關(guān)系。iii、入射光照射到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的秒，故可認(rèn)為發(fā)生光電效應(yīng)不需要時間。真氣空氣中光波的波列長不超過。iv、當(dāng)入射光頻率大于截止頻率或極限頻率時，在電壓不變的情況下，光電流的強(qiáng)度與入射光

6、強(qiáng)度成正比。2、光的電磁理論對光電效應(yīng)解釋的疑難i、光的電磁理論對光電效應(yīng)的局部解釋當(dāng)光照射金屬外表時，電子吸收能量。假設(shè)電子吸收的能量與原有的熱運(yùn)動能量之和超過逸出功，電子就會從金屬外表逸出，這就是光電子。光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大，這些結(jié)論與實(shí)驗(yàn)相符。逸出功：金屬外表層內(nèi)存在一種力，阻礙電子的逃逸，電子要從金屬中掙脫出來，必須克服這種阻力做功。使電子脫離某種金屬外表所做功的最小值叫這種金屬的逸出功，用表示。理解不同金屬的逸出功不一樣注意：逸出功是電子克服阻力逃逸金屬外表所做功的最小值。例：當(dāng)照射光的光子能量時，并不代表金屬內(nèi)的所有電子都能發(fā)生光電效應(yīng)。ii、光的電磁理論對光電

7、效應(yīng)解釋不了的問題1波動理論解釋不了極限頻率，認(rèn)為光的強(qiáng)度由光波的振幅決定，跟頻率無關(guān)，只要入射光足夠強(qiáng)，就應(yīng)該能發(fā)生光電效應(yīng)，但事實(shí)并非如此。2波動理論解釋不了光電子的最大初動能與光的頻率有關(guān)而與光的強(qiáng)度無關(guān)。3波動理論解釋不了光電效應(yīng)發(fā)生的時間之短?？偨Y(jié)：光的電磁理論只能局部解釋光電效應(yīng)。3、愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋成功解釋了光電效應(yīng)愛因斯坦光量子假設(shè)：光和原子、電子一樣也具有粒子性，光就是以光速c運(yùn)動著的粒子流，把這種粒子叫光量子。同普朗克的能量子一樣，每個光量子的能量也是，這些光量子后來稱為光子。愛因斯坦光電效應(yīng)方程：為逸出光電子的最大初動能i、愛因斯坦光電效應(yīng)方程說明，光電子的最大初

8、動能與入射光的頻率有關(guān)，而與光的強(qiáng)弱無關(guān)。只有當(dāng)時，才有光電子逸出，就是光電效應(yīng)的截止頻率或極限頻率。ii、電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時產(chǎn)生的。iii、光較強(qiáng)時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子較多，因此飽和光電流較大。注意：光子數(shù)由光強(qiáng)決定，和光的頻率無關(guān)；而光子的能量由光的頻率決定，與光強(qiáng)無關(guān)。【例題】用同一束單色光，在同一條件下先后照射鋅片和銀片，都能產(chǎn)生光電效應(yīng)，在這兩個過程中，對于以下四個量，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光電子的逸出功c光電子動能 d光電子初動能【例題】在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，飛飛同學(xué)用同

9、一光電管在不同實(shí)驗(yàn)條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光)，如以下列圖所示那么可判斷出 ( )a甲光的頻率大于乙光的頻率b乙光的波長大于丙光的波長c乙光對應(yīng)的截止頻率大于丙光的截止頻率d甲光對應(yīng)的光電子最大初動能大于丙光的光電子最大初動能康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)：19181922年，美國物理學(xué)家康普頓在研究x射線通過實(shí)物物質(zhì)發(fā)生散射的實(shí)驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)了一個新的現(xiàn)象，即散射光中除了有原波長的x光外，還有波長大于的成分，其波長的增量隨散射角的不同而變化。這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。光的散射：光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。光束經(jīng)過光學(xué)性質(zhì)不均勻的

10、物質(zhì)時容易發(fā)生光的散射光的散射與光的反射相區(qū)別：光的散射不遵守光的反射定律，且在散射光中散射光的頻率小于或等于入射光的頻率；光的反射遵守光的反射定律，且反射光的頻率等于入射光的頻率。1、按經(jīng)典電磁理論，由于光是電磁振動的傳播，入射光引起物質(zhì)內(nèi)部帶電微粒的受迫振動，振動著的帶電粒子從入射光吸收能量，并向四周輻射，這就是散射光。散射光的頻率應(yīng)該等于帶電粒子受迫振動的頻率也就是入射光的頻率，因而散射光的波長與入射光的波長應(yīng)該相等，不會出現(xiàn)波長的散射光。經(jīng)典理論與事實(shí)又一次出現(xiàn)了矛盾。2、康普頓借助于愛因斯坦的光子理論，從光子與電子碰撞的角度對此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了圓滿地解釋。康普頓認(rèn)為：x射線的光子不僅具

11、有能量，也像其它粒子那樣具有動量，x射線的光子與晶體中的電子碰撞時要遵守能量守恒和動量守恒，求解這些方程，可以得出散射光的波長變化值，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合得很好。拓展：光的有關(guān)公式歸納及性質(zhì)歸納。i、光子的動量，光子的運(yùn)動質(zhì)量(原理：)，光的波長ii、注意：同一種光除了光的散射在散射光中散射光的頻率會變小或不變外；對于光的反射，折射，全反射、干預(yù)、衍射、色散等光的頻率均不變。結(jié)論：光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)都說明了光具有粒子性。二：光的波動性光的干預(yù)、光的衍射，光的偏振都說明了光具有波動性。1、大量光子行為顯示波動性；個別光子行為顯示粒子性。2、光的波長越長，波動性越強(qiáng)；光的波長越短，粒子性越強(qiáng)?！纠?/p>

12、題】有關(guān)光的本性的說法正確的選項(xiàng)是 ( )a關(guān)于光的本性，牛頓提出了“微粒說，惠更斯提出了“波動說，愛因斯坦提出了“光子說，它們都圓滿地說明了光的本性b光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成宏觀概念上的粒子c光的干預(yù)、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應(yīng)說明光具有粒子性d在光的雙縫干預(yù)實(shí)驗(yàn)中，如果光通過雙縫時顯出波動性，如果光只通過一個縫時顯出粒子性物質(zhì)波德布羅意波物質(zhì)波：1924年，德布羅意在光具有波粒二象性的啟發(fā)下，提出實(shí)物粒子如電子，質(zhì)子等也具有波粒二象性，而且粒子的能量和動量p跟它所對應(yīng)的波的頻率和波長之間，也像光子跟光波一樣，遵從如下關(guān)系：1927年戴維孫和g.

13、p.湯姆孫分別利用晶體做了電子束的衍射實(shí)驗(yàn)，證明了電子電子是實(shí)物粒子具有波動性。任一運(yùn)動的物體都有一種波和它對應(yīng)，這就是物質(zhì)波?！纠}】世界上運(yùn)動最快的球是羽毛球，你相信嗎？根據(jù)測算，羽毛球離拍時的最大速度可達(dá)，羽毛球的質(zhì)量為5.0g，試求其德布羅意波長？我們能觀察到羽毛球的波動性嗎？概率波概率波：1926年，德國物理學(xué)玻恩 18821970 提出了概率波，認(rèn)為個別微觀粒子在空間何處出現(xiàn)有一定的偶然性，但是大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 1、對光的雙縫干預(yù)現(xiàn)象的解釋可以說明光波是一種概率波?！竟獠ㄊ且环N概率波，也是波粒二象性的含義】注意：光的波動性不是光子之間的相互作用引起的，而是光子自身固有的性質(zhì)。2、對電子雙縫干預(yù)現(xiàn)象的解釋說明物質(zhì)波也是概率波?！纠}】在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，中央亮紋的光強(qiáng)占整個從單縫射入的光強(qiáng)的95%以上，假設(shè)現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫，那么該光子 ( )a一定落在中央亮紋處 b一定落在亮紋處c可能落在暗紋處 d落在中央亮紋處的可能性最大解析：大量光子的行為顯示出波動性，當(dāng)大量光子通過單縫