人教版高二物理 选修3-5能量量子化光的粒子性

1、慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 波粒二象性 17.1 能量量子化能量量子化 17.2 光的粒子性光的粒子性 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 17世纪明确形成 了两大对立学说 牛顿牛顿 惠更斯惠更斯 微粒说 波动说 19世纪初证明了 波动说的正确性 由于波动说没有 数学基础以及牛 顿的威望使得微 粒说一直占上风 19世纪末光电效应现象使得 爱因斯坦在20世纪初提出了 光子说：光具有粒子性 对光学的研究 从很早就开始了 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 1、黑体与黑体辐射、黑体与黑体辐射 热辐射热辐射 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波固体或液体，在任何温度下都在发射各种波 长的电磁

2、波，这种由于物体中的分子、原子受到长的电磁波，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激发而发射电磁波的现象称为热辐射热辐射。所辐射电。所辐射电 磁波的特征与磁波的特征与温度温度有关。有关。 固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化 1400K 800K1000K 1200K 能量量子化：物理学的新纪元 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反 射，折射和透射的物体称为射，折射和透射的物体称为绝对黑体绝对黑体。简称黑。简称黑 体体 不透明的材料制成带小孔的的空腔不透明的材料制成带小孔的的空腔, ,

3、可近似看可近似看 作作黑体黑体。 黑体模型黑体模型 研究黑体辐射的研究黑体辐射的 规律是了解一般物体规律是了解一般物体 热辐射性质的基础。热辐射性质的基础。 2. 黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律 能量量子化：物理学的新纪元 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 0 1 2 3 4 5 6 (m) 1700K 1500K 1300K 1100K 实验结果实验结果 能量量子化：物理学的新纪元 ),( 0 Te 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 o/m 12345678 辐射强度 维恩维恩 瑞利、金斯瑞利、金斯 紫外灾难紫外灾难 普朗克普朗克 能量量子化：物理学的新纪元 慎而思之慎而思之 勤而行之

4、勤而行之 3.3.能量子能量子 超越牛顿的发现超越牛顿的发现 =h 辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振 子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于 某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不 象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是 某一最小能量某一最小能量（称为能量子（称为能量子）的整数倍，即：）的整数倍，即：, 1 , 2 , 3 , . n . n为正整数，称为为正整数，称为量子数

5、。量子数。 能量能量 量子量子经典经典 h=6.62610-34J.s 能量量子化：物理学的新纪元 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 (m)1 2 3 5 6 8 947 普朗克普朗克 实验值实验值 ),( 0 Te 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 第3步例证典例印证，思维深化 (多选)(2014山东实验中学高二检测)下列叙述正确 的是() A一切物体都在辐射电磁波 B一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关 C黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温 度有关 D黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波 【答案】ACD 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 第4步巧练精选习题，落实强化 1关于

6、黑体的认识，下列说法正确的是() A黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的 B黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外， 还与材料的种类及表面状况有关 C黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与 材料的种类及表面状况无关 D如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁 波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这 个空腔就成了一个黑体 【答案】C 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 2如图17-1-3所示为t1、t2温度时的黑体辐射强度与波 长的关系，则两温度的关系为() At1t2Bt1t2 Ct1t2 D无法确定 【答案】B 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而

7、行之 这些电子被称作光电这些电子被称作光电 子子(photoelectron)，相相 应的现象叫做应的现象叫做光电效光电效 应应。 科学的转折：光的粒子性 锌板在射线照射下失 去电子而带正电. 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 AK G V 阳阳 极极 阴阴 极极 W石英窗石英窗 光电效应的实验规律 光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线 Uc I OU 遏止电压遏止电压 2 2 1 cev m c eU 黄光（强）黄光（强） 光电子的能量只与入射光频率有关。光电子的能量只与入射光频率有关。 黄光（弱）黄光（弱） 蓝光蓝光 入射光频率低于某一频率入射光频率低于某一频率c 时不发生光电效应时

8、不发生光电效应c 。称为该。称为该 金属的金属的截止频率截止频率（或极限频率）。不同金属截止频率不同。（或极限频率）。不同金属截止频率不同。 光电效应的产生时间极短。光电效应的产生时间极短。 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 1.1.内容内容 光不仅在发射和吸收时以能量为光不仅在发射和吸收时以能量为h 的微粒形式出的微粒形式出 现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为频率为 的的光是由大量能量为光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流光子组成的粒子流，这，这 些光子沿光的传播方向以光速些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。运动。 0 WEh k

9、在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一 部分消耗在电子逸出功部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子逸出后，另一部分变为光电子逸出后 的动能的动能 Ek 。由能量守恒可得出：。由能量守恒可得出： 2.2.爱因斯坦爱因斯坦光光电效应方程电效应方程 为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功； 2 2 1 vmE ek 0 W 为光电子的最大初动能。为光电子的最大初动能。 爱因斯坦的光量子假设 c hW 0 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 AK G V 阳阳 极极 阴阴 极极 W石英窗石英窗 光电效应伏

10、安特性曲线光电效应伏安特性曲线 Uc I OU 黄光（强）黄光（强） 黄光（弱）黄光（弱） 蓝光蓝光 爱因斯坦的光量子假设 爱因斯坦对光电效应的解释：爱因斯坦对光电效应的解释： 1. 1. 光强大，光子数多，释放的光电子也光强大，光子数多，释放的光电子也 多，所以光电流也大。多，所以光电流也大。 2. 2. 电子只要吸收一个光子就可以从金属电子只要吸收一个光子就可以从金属 表面逸出，所以不需时间的累积。表面逸出，所以不需时间的累积。 3. 3. 从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系 4.4.从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极

11、极限频率：从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极极限频率： 0 WEh k c hW 0 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电 效应的实验规律效应的实验规律, ,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时 并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的 波动理论。波动理论。 4.4.光电效应理论的验证光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理

12、学家密立根，花了十年时间做了“光电效光电效 应应”实验，结果在实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的的 值与理论值完全一致，又一次证明了值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子”理论理论 的正确。的正确。 爱因斯坦的光量子假设 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效 应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论 物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921 年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和 光电效应光电效应，特别是通过著名，特别是通过著名 的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验，证

13、明电荷有最 小单位。小单位。获得获得19231923年诺贝年诺贝 尔物理学奖尔物理学奖 。 爱因斯坦的光量子假设 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 放大器放大器 控制机构控制机构 可以用于自动控可以用于自动控 制，自动计数、自动制，自动计数、自动 报警、自动跟踪等。报警、自动跟踪等。 光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用 1.1.光控继电器光控继电器 K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K A 可对微弱光线进行放可对微弱光线进行放 大，可使光电流放大大，可使光电流放大 105 108 倍，灵敏度倍，灵敏度 高，用在工程、天文、高，用在工程、天文、 科研、军事等方面。科研、

14、军事等方面。 2.2.光电倍增管光电倍增管 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 (多选)(2015衡水高二检测)对光电效应的理解正确 的是() A金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光 子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属 B如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原 子核的引力而逸出时所需要做的最小功，便不能发生光 电效应 C发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越 大，光电子的最大初动能就越大 D由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同 金属产生光电效应，入射光的最低频率也不同 【答案】BD 爱因斯坦的光电效应方程 Ek=hv-W0 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 第4步巧

15、练精选习题，落实强化 1(多选)下列对于光子的认识，正确的是() A“光子说”中的光子就是牛顿在微粒说中所说的 “微粒” B“光子说”中的光子就是光电效应中的光电子 C在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的， 每一份叫作一个光量子，简称光子 D光子的能量跟光的频率成正比 【答案】CD 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 2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，对下列四 个量，一定相同的是_，可能相同的是_， 一定不相同的是_ A光子的能量 B金属的逸出功 C光电子初动能 D光电子最大初动能 AC B、D 爱因斯坦的光电效应方程 Ek=hv-W0

16、慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 如图17-1-5所示，一光电管的阴极用极限波长05 000 的 钠制成用波长3 000 的紫外线照射阴极，光电管阳极A和 阴极K之间的电势差U2.1 V，饱和光电流(当阴极K发射的电子 全部到达阳极A时，电路中的电流达到最大值，称为饱和光电流) 的值I0.56 A. (1)求每秒内由阴极K发射的光电子数目； (2)求电子到达阳极A时的最大动能； (3)如果电势差U不变，而照射光的强度增 到原值的三倍，此时电子到达阳极A时最大动能是多少？ (普朗克常量h6.631034Js) 爱因斯坦的光电效应方程 Ek=hv-W0 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 【解析

17、】因为饱和光电流的值I与每秒阴极发射的电 子数的关系是qneIt. 电子从阴极K飞出的最大初动能EkhW0.电子从阴 极K飞向A极时，还会被电场加速，使其动能进一步增 大 (1)设每秒内发射的电子数为n，则 爱因斯坦的光电效应方程 Ek=hv-W0 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 爱因斯坦的光电效应方程 Ek=hv-W0 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 (3)根据光电效应规律，光电子的最大初动能与入射光 的强度无关，如果电压U不变，则电子到达阳极A的最大 动能不会变即6.0121019 J. 【答案】(1)3.51012(个)(2)6.0121019 J (3)6.0121019 J

18、爱因斯坦的光电效应方程 Ek=hv-W0 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 第4步巧练精选习题，落实强化 1(多选)(2014广东高考)在光电效应实验中，用频率为 的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的 是() A增大入射光的强度，光电流增大 B减小入射光的强度，光电效应现象消失 C改用频率小于的光照射，一定不发生光电效应 D改用频率大于的光照射，光电子的最大初动能变大 【答案】AD 爱因斯坦的光电效应方程 Ek=hv-W0 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 2(2014重庆模拟)如图17-1-6所示，当开关S断开时， 用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极，发现电流表读数

19、不为零合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读 数小于0.60 V时，电流表读数仍不为零当电压表读数大 于或等于0.60 V时，电流表读数为零由此可知阴极材料 的逸出功为() A1.9 eV B0.6 eV C2.5 eV D3.1 eV 【答案】A 爱因斯坦的光电效应方程 Ek=hv-W0 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 1.光的散射光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变因而传播方向发生改变, 这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射 2.2.康普顿效应康普顿效应 1923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时，射线通过物

20、质散射的实验时，发发 现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射 线波长更长的射线线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角，其波长的改变量与散射角有关，而与有关，而与 入射线波长和散射物质都无关入射线波长和散射物质都无关。 康普顿效应康普顿效应 康普顿康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 康普顿散射的实验装置与规律：康普顿散射的实验装置与规律： 晶体晶体 光阑光阑 X 射线管射线管 探探 测测 器器 X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体 (散射物质散射物质) j 0 散射波长散射波长 康

21、普顿效应康普顿效应 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点： 1.除原波长除原波长 0外出现了移向外出现了移向 长波方向的新的散射波长长波方向的新的散射波长 。 2.新波长新波长 随散射角的增大随散射角的增大 而增大。而增大。 散射中出现散射中出现 0 的现象，称的现象，称 为为康普顿散射。康普顿散射。 波长的偏移为波长的偏移为 =0 O j =45 O j =90 O j =135 O j . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o （A） 0.7000.750 波长波长 . . . . . 0 0 康普顿效应康普顿效应 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 光子理论对康普顿效应的解释 康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果，康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果，具体解释如下：具体解释如下： 2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换 能量能量,由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后

23、光碰撞前后光 子能量几乎不变，波长不变。子能量几乎不变，波长不变。 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和有关，所以波长改变和 散射角有关。散射角有关。 1. 若若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,散散 射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。 慎而思之慎而思之 勤而行之勤而行之 康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义 （1 1）有力地支持了爱因斯坦）有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； （2 2）首次在实验上证实了）首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量” 的假设；的假设； （3 3）证实了）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，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。动量和能量守恒定律仍然是成立的。 康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的 几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于 “混进来了某种荧光辐射混进来了某种荧光辐射”；在计算