山东省冠县武训高级中学高三物理复习课件：波粒二象性.ppt

16 3波粒二象性z xxk 高三总复习选修3 5 一能量量子化 黑体辐射 1 热辐射 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与关 所以叫热辐射 2 黑体 能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体就是绝对黑体 简称黑体 不透明的材料制成带小孔的的空腔 可近似看作黑体 从小孔向外的辐射就是黑体辐射 黑体模型 黑体模型 空腔上的小孔炼钢炉上的小洞 向远处观察打开的窗子近似黑体 固体在温度升高时颜色的变化 辐射电磁波的特征与温度有关 室温时辐射主要成分是波长较长的电磁波 不能引起人的视觉 温度升高 波长较短的成分越来越强 3 对于一般材料 辐射电磁波的情况除与温度有关外 还与材料的种类及表面积有关 4 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 因此研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础 Z xxk 实验结果 1 相同温度下 辐射强度变化 不与波长成正比 中间有一峰值 2 温度升高 各种波长辐射能量都增加 3 温度升高 辐射强度极大值向短波移动 2能量子 1 定义 普朗克认为 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 叫做能量子 2 大小 h 其中 是电磁波的频率 h称为普朗克常量 h 6 626 10 34J s 一般h取6 63 10 34J s 二 光电效应 1 定义 在光 包括不可见光 的照射下从金属表面上发射出电子的现象叫光电效应 发射出来的电子叫光电子 这一现象是由赫兹首先发现的 1 存在饱和光电流 2光电效应的实验规律 在光照条件不变的的情况下 随着所加电压的增大 光电流趋于一个饱和值 在电流较小时 电流随着电压的增大而增大 但当电流增大到一定值之后 即使电压在增大 电流也不会增大 结论 在光的颜色 频率 不变的情况下 入射光越强 饱和光电流越大 入射光越强 单位时间发射电子数目越多 2 存在遏止电压和截止频率 当K A间加反向电压达到某一值Uc时 光电流恰为0 Uc称遏止电压 遏止电压的存在意味着光电子有一个初速度的上限 现象 对一定频率的光 无论光的强弱如何 遏止电压一样 光的频率变 遏止电压变 z x xk 结论 对于同种物质 光电子的能量 最大初动能 只与入射光的频率有关 按经典 光越强 Ek越大 Uc应于光强有关矛盾 2 存在遏止电压和截止频率 入射光的频率小于到某一数值时 即使不施加反向电压 也没有光电流 没有光电子 结论 入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应 按经典 不管光的频率如何 只要光足够强 电子都可以获得足够的能量从而逸出表面 不应有截止频率 矛盾 3 光电效应存在瞬时性 当入射光的频率超过截止频率 无论入射光怎样微弱 几乎在光照射到金属时立即产生光电效应 结论 产生光电流的时间不超过10 9s 按经典 如果光很弱 按经典电磁理论估算 电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量 这个时间远大于10 9s 矛盾 3 光子说 光是一份一份的不连续传播的 每一份叫做一个光子 光子的能量跟它的频率成正比 即 E h h为普朗克常量 4 爱因斯坦光电效应方程 h 1 W为逸出功 使电子脱离金属所要做功的最小值 对不同金属 各不相同 3 h 入射光子的能量 4 三个量单位可均用eV 也可均用J 但必须统一 例1 研究光电效应规律的实验装置如图甲所示 以频率为 1和 2的两种光分别照射光电管阴极K时 都有光电子产生 在光电管的两极K A之间加反向电压时 光电子从阴极K发射出来后向阳极A做减速运动 当电流表G读数为零时 电压表V的读数称为反向截止电压 在光电管K A之间加正向电压时 光电子从阴极K发射出来向阳极A做加速运动 当电流表G的读数为最大时 称为饱和光电流 由电压表V和电流表G的读数 可画出两种光照射时光电管的伏安特性曲线如图乙所示 以下说法正确的是 A 两种光分别照射光电管时 阴极K的极限频率不同B 两种光分别照射光电管时 光电子从阴极K表面逸出时间的长短不同C 两种光的频率不同D 两种光的强度不同 D 例2 03天津 如图 当电键K断开时 用光子能量为2 5eV的一束光照射阴极P 发现电流表读数不为零 合上电键 调节滑线变阻器 发现当电压表读数小于0 60V时 电流表读数仍不为零 当电压表读数大于或等于0 60V时 电流表读数为零 由此可知阴极材料的逸出功为 A1 9eVB0 6eVC2 5eVD3 1eV 解 反向截止电压为0 60V EKm 0 60eVW h EKm 2 5 0 6 1 9eV A 三 康普顿效应及其解释 1 康普顿效应 用X射线照射物体时 散射出来的X射线的波长会变长的现象 2 爱因斯坦提出光子的动量为P 式中 为光波的波长 3 康普顿的解释 散射后的X射线波长改变 是X射线光子和物质中的电子发生碰撞的结果 相对X射线光子的能量而言 物质中电子的动能是很小的 电子可以近似看作是静止的 碰撞前后光子与电子的总能量守恒 总动量也守恒 电子碰撞前为静止 碰撞后获得了一定的能量和动量 减小了光子原来的能量和动量 这样 散射光的波长也就变长了 4 康普顿散射实验的意义 1 有力地支持了爱因斯坦 光量子 假设 2 首次在实验上证实了 光子具有动量 的假设 3 证实了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 光子的能量和动量 动量能量是描述粒子的 频率和波长则是用来描述波的 5 光的波粒二象性 光既具有波动性 又具有粒子性 即光具有波粒二象性 光子的能量 和动量p可以表示为 能量 和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量 波长 或频率 是描述物质的波动性的典型物理量 两式左侧的物理量 和p描述光的粒子性 右侧的物理量 和 描述光的波动性 它们通过普朗克常量h联系在一起 大量的光子表现为波动性 个别的光子表现为粒子性 光波是一种概率波 1924年 德布罗意考虑到普朗克量子和爱因斯坦光子理论的成功 在博士论文中大胆的把光的波粒二象性推广到实物粒子 假设 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 把这种波称为德布罗意波或物质波 1 物质波的引入 四 德布罗意波 2 德布罗意关系式 G P 汤姆孙 J J 汤姆孙之子 与C J 戴维孙共同获1937年诺贝尔物理学奖 此后 人们相继证实了原子 分子 中子等都具有波动性 X射线照在晶体上可以产生衍射 电子打在晶体上也能观察电子衍射 1927年C J 戴维孙与G P 汤姆孙分别利用晶体作电子衍射实验 得到了类似右图的衍射图样验证了电子具有波动性 亮纹是电子出现概率比较大的地方 2 德布罗意波的实验验证 粒子也是一种概率波 7 不确定关系 位置和动量的不确定性的关系 在微观领域 要准确地测定粒子的位置 动量的不确定性就更大 反之 要准确确定粒子的动量 那么位置的不确定性就更大 1 关于光电效应 下列说法正确的是 A 光电子的最大初动能与入射光的频率成正比B 光电子的动能越大 光电子形成的电流强度就越大C 用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的初动能要大D 对于任何一种金属都存在一个 最大波长 入射光的波长必须小于这个波长 才能产生光电效应 D 2 假设一个沿着一定方向运动的光子和一个静止的自由电子相互碰撞以后 电子向某一个方向运动 光子沿另一方向散射出去 则这个散射光子跟原来的光子相比 A 频率变大B 速度变小C 光子能量变大D 波长变长 D 3 关于物质的波粒二象性 下列说法中不正确的 A 不仅光子具有波粒二象性 一切运动的微粒都具有波粒二象性B 运动的微观粒子与光子一样 当它们通过一个小孔时 都没有特定的运动轨道C 波动性和粒子性 在宏观现象中是矛盾的 对立的 但在微观高速运动的现象中是统一的D 实物的运动有特定的轨道 所以实物不具有波粒二象性