波粒二象性知识讲解

目标认知学习目标目标认知学习目标1、了解事物的连续性与分立性是相对的2、了解光既具有波动性，又具有粒子性3、了解光是一种概率波学习重点和难点光具有波粒二象性光是一种概率波学问要点梳理学问要点梳理学问点一——黑体与黑体辐射要点诠释：1、热辐射固体或液体，在任何温度下都在放射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而放射电磁波的现象称为热辐射。对热辐射的初步生疏：任何物体任何温度均存在热辐射。辐射强度按波长的分布状况随物体的温度而有所不同，这是热辐射的一种特性。对于一般材料的物体，温度越高，热辐射的波长越短、强度越强。物体在室温时热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度上升时，热辐射中较短波长的成分越来越强。例如投在炉中的铁块由于不断加热，铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。热辐射强度还与材料的种类、外表状况有关。热辐射的过程中将热能转化为电磁能。2、黑体与黑体辐射能够完全吸取入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体称为确定黑体，简称黑体。不透亮的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。假设在一个空腔壁上开一个很小的孔，如下图，那么射入小孔的电磁波在空腔内外表发生屡次反射和吸收，最终不能从空腔射出，这个小孔就成为了一个确定黑体。对上图中的空腔加热，空腔内的温度上升，小孔就成了不同温度下的导体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。争论黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的根底。试验说明黑体辐射强度按波长的分布只与黑体的温度有关。利用分光技术和热电偶等设备就能测出它所辐射的电磁波强度按波长的分布状况。如以下图画出了四种温度下黑体热辐射的强度与波长的关系：从中可以看出，随着温度的上升，一方面各种波长的辐射强度都有增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。对试验规律的解析：物体中存在着不停运动的带电微粒，每个带电微粒的振动都产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。人们很自然地要依据热力学和电1磁学的学问寻求黑体辐射的解释。德国物理学家维恩在18961900年分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式。维恩公式在短波区与试验格外接近，在长波区则与试验偏离很大；瑞利公式在长波区与试验根本全都，但在短波区与试验严峻不符。而且当波长趋于零时，辐射竟变成无穷大，这明显是荒唐的。由于波长很小的辐射处于紫外线波段，故而由理论得出的这种荒唐结果被认为是物理学理论的灾难，当时被称为紫外灾难。为了得出同试验符合的黑体辐射公式，1900年底，德国物理学家普朗克提出了能量子的概念。3、能量子辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以放射和吸取辐射能。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ε〔称为能量子〕的整数倍，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n称为量子数。对于频率为υ的谐振子最小能量为ε=hυ，其中υ是电磁波的频率，h一个常量，后被称为普朗克常量，其值为h=6.62×10-·。留意：宏观世界中我们说的能量值是连续的，而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。借助于能量子的假设，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，如下图，与试验符合令人击掌叫绝。学问点二——光电效应要点诠释：1、光电效应现象在光〔包括不行见光〕的照耀下从物体放射出电子的现象，叫光电效应。光电效应中放射出来的电子叫光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电流。争论光电效应规律的试验装置如图，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K时能够放射光电子。电源加在K与A之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调。电源按图示极性连接时，阳极A吸取阴极K发出的光电子，在电路中形成了光电流。利用这个图示的电路就可以争论光电流和照耀光的强度、光的频率〔颜色〕等物理量之间的关系。2、光电效应规律2存在着饱和光电流Is

与入射光强度成正比。在光照条件不变的状况下，随着所加电压的增加，光电流趋于一个饱和值入射光越强，饱和电流越大假设用肯定频率和强度的单色光照耀阴极K，转变加在AK两极间的电压U，测量光电流I则可得如下图的伏安特性曲线。试验说明：光电流I随正向电压UI；而且饱和电流I的大小与入s s射光强度成正比。这一试验结果可以解释为，掌握入射光的强度、频率不变时，从阴极K射出的电子的数目和初速度一样，当增加电压时射到阳极A的电子的速度增大，依据I＝nqvs可知电流增大，但速度增大不能无限地增大，最大速度是光速，所以电流存在饱和值。当光电流到达饱和时，阴极KA上，即：Is=ne，其中nK掌握电压和光的频率不变，增大入射光的强度，n增大，饱和电流越大。因此光电效应的上述试验结果也可以表述为：单位时间内从金属外表逸出的光电子数目与入射光强度成正比。存在着遏止电压和截止频率当所加电压为零时，电流I并不为零只有施加反向电压，电流才有可能为零由上图可见，AKU=-U<0CIUC

称为遏止电压(或截止电压)。试验说明：对于肯定颜色〔频率〕的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光的频率转变时，遏止电压也会转变。这说明光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增加而增加。当入射光的频率减小到某个值υ

时，即使不施加反向电压也没有光电流，说明已经没有光电子了0当入射光的频率减小到某一数值υ

时，U0

减小到零，既不施加反向电压也没有光电流，这说明已经没有光电子了。假设入射光频率再降低，则无论光的强度多大，都没有光电子产生，不发生光电效应。这个由阴极金属材料性质打算的频率υ

，称为金属的截止频率〔或极限频率〕。不同的金属极限频率不同，对于同一种0金属，只有当入射光频率υ大于肯定的极限频率υ

时，才会产生光电效应。0结论：光电子的能量与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关，当入射光的频率低于极限频率时不能发生光电效应。不同金属的极限频率不同。光电效应是瞬时发生的。试验觉察，只要入射光的频率υ>υ

，无论光多么微弱，从光照耀阴极到光电子逸出，这段时间不超过010-9s。光电效应的发生时间如此之短，通常称它是瞬时发生的。3、波动理论解释光电效应规律的疑难但是依据波动理论，应得出如下结论：①光越强，光电子的初动能应当越大，所以遏制电压UC应当和光的强弱有关，但事实是在入射光的频率一样的状况下，转变入射光的强度，遏制电压不变；②不管光的频率如何，只要光足够强，电子就可获得足够能量从而逸出外表，不应存在截止频率，但事实上存在截止频率，当入射光的频率小于截止频率时，无论入射光多么强，都不会看到光电效应；③假设光很弱，依据经典电磁理论估算，电子需要几分钟或者十几分钟的时间才能获得逸出外表所需要的能量，这些结论都与试验结果相冲突。众多的疑难呼唤着的思想，的观念，的理论。学问点三——爱因斯坦的光电效应方程3要点诠释：1、理论的诞生——光子说背景普朗克在争论热辐射规律时觉察，只有认为电磁波的放射和吸取是不连续的，而是一份一份地进展的，ε=hυ。受普朗克的启发，爱因斯坦认为：光在空间传播正向粒子那样运动，这个粒子后来被称为“光子”内容ε=hυ。爱因斯坦的光子与普朗克的能量子的异同一样点：都认为能量是不连续的，而是一份一份的，每一份能量为ε=hυ。〔能量量子化〕不同点：普朗克认为能量子仍以波的形式传播；爱因斯坦认为光子在空间的传波向粒子一样。留意：爱因斯坦的光子与牛顿的粒子有着本质的不同。光子是只有能量而无静止质量的粒子，而牛顿的粒子是指实物粒子。2、光子说对光电效应的解释①光是由一个个光子组成，被光子“打中”的电子，这个光子的能量就全部给这个电子，而没有被光子“打中”的电子，则一点能量也没有获得。②得到能量的电子，动能马上增大，而不需要积存能量的过程。③假设这个能量足够大，则电子就摆脱金属的束缚而射出来，即产生光电效应；假设这个能量缺乏以摆脱金属的束缚，则不能产生光电效应。④频率肯定时，光强越大，即光子的数目越多，获得能量的电子也越多，即光电子的数目与光强成正比。3、爱因斯坦的光电效应方程逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值当光子照耀到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸取，电子吸取光子的能量后，动能就增加了，假设电子的动能足够大，能够抑制内部原子对它的引力，就可以离开金属外表逃逸出来，成为光电子，这就是光电效应。电子吸取光子的能量后可能向各个方向运动，有的向金属内部运动，并不出来。向金属外表运动的电子，经过的路程不同，途中损失的能量也不同，因此从外表出来时的初动能不同。只有直接从金属外表出来的光电子才具有最大初动能。这些光电子抑制金属原子的引力所做的功叫做逸出功。光电效应方程依据能量守恒定律，光电子的最大初动能

mv2跟入射光子的能量hυ和逸出功Wmmv2=hυ-W 这个方程叫爱因斯坦的光电效应方程。m对于肯定的金属来说，逸出功W的值是肯定的。所以入射光子的频率υ越大，光电子的最大初动能也越大。在入射光频率肯定时，假设入射光比较强，即单位时间内入射的光子数目多，产生的光电子也多，所以光电流的饱和值也大。4、光电效应的应用利用光电效应可以把光信号转变为电信号，动作快速灵敏，因此利用光电效应制作的光电器件在工农业生产、科学技术和文化生活领域内得到了广泛的应用。光电管就是应用最普遍的一种光电器件。光电管的类型很多，如下图为其中的一种。玻璃泡里的空气已经抽出，有的管里充有少量的惰性气体。管的内壁涂有逸出功小的金属作为阴极。管内另有一阳极A。当光照耀到光电管的阴极Kab学问点四——康普顿效应要点诠释：1、光的散射光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生转变，这种现象叫做光的散射。42、康普顿效应英国物理学家康普顿在争论石墨对X射线的色散时，觉察在色散的X射线中，除了与入射波长λ

一样的0成格外，还有波长大于λ

的成分，这个现象称为康普顿效应。0能不能把光看成波而解释这个现象呢？不能，由于光是电磁波，入射光将引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒从入射光吸取能量，并向四周辐射。这就是散射光。散射光的频率应当等于入射光的频率，因而散射光的波长与入射光的波长应当一样，不应消灭λ>λ0成是波的话，那么散射光的波长和入射光的波长一样，不会消灭λ>λ0了冲突。康普顿用光子的概念格外成功地解释了这种效应，他的根本思想是，X射线不仅具有能量，也像其他粒子那样，具有动量，X射线的光子与晶体中的电子发生碰撞时，不仅要遵守能量守恒定律而且要遵守动量守恒定律，求解这些方程，可以得出散射光波长的变化量△λ，理论结果和试验符合得很好。光电效应和康普顿效应深入地解释了光的粒子性的一面。前者说明光子具有能量，后者说明光子除了能量之外还具有动量。3、光子的动量肯定的质量m与肯定的能量EE=mc2光子的能量E=hυ借用质子、电子的动量定义p=mv有：在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一局部动量转移给电子，因而光子动量变小。从p=h/λ看，动量pλ变大，因此有些光子散射后波长变大。学问点五——粒子的波动性要点诠释：1、光的波粒二象性光的干预、衍射和偏振等现象无可争论地说明光具有波动性；而光电效应又无可争论地说明光是具有能量 的光子流，也就是说光具有粒子性。从古代光的微粒说，到托马斯·杨和菲涅尔的光的波动说，从麦克斯韦的光的电磁理论，到爱因斯坦的光子理论，我们可以看出：光既有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性，这就是光的本性。大量光子的传播规律表达波动性；个别光子的行为表达为粒子性。频率越低，波长越长的光，波动性越显著；频率越高，波长越短的波，粒子性越显著。可以把光的波动性看做是说明大量光子运动规律的一种概率波。2、粒子的波动性1924年，法国物理学家德布罗意把光的波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。他提出：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系,而且粒子的能量ε和动量p的频率υ和波长λ之间，也向光子跟光波一样，遵从如下关系：ε=hυp=mv=h/λ由于这种波不是由电磁场引起，而是由实物的运动形成，这种与实物粒子相联系的波后来称为物质波，亦称德布罗意波，而λ=h/mv=h/p说明：物质波是一种概率波，在一般状况下，对于电子和其它微观粒子，不能用确定的坐标来描述它们的位置，也无法用轨道描述它们的运动，但是它们在空间各处消灭的概率是受波动规律支配的，故物质波也是一种概率波。3、物质波的试验验证光的干预和衍射是光具有波动性的有力证据。因此假设电子、原子等实物粒子也真的具有波动性，那么1927年，英国物理学家G·P·汤姆逊用电子束穿过很薄的金属片，观看到了电子的衍射图样，从而证明白电子的波动性。宏观物体的质量比微观粒子大得多，它们运动时的动量很大，对应的德布罗意波长很小，所以寻常根本无法观看到它们的波动性。5学问点六——概率波与不确定关系要点诠释：1、概率波光既表现出波动性又表现出粒子性，很难用宏观世界的观念来生疏，必需从微观的角度建立起光的行为图景，生疏光的波粒二象性。如在双缝干预试验中，光子通过双缝后，对某一个光子而言，其运动是不行控制的，但对大量光子而言，它们落在光屏上的位置又有规律性，即某些区域光子落点多，另一些区域光子落点少，落点多的区域就是亮条纹，落点少的区域就是暗条纹。这说明大量光子产生的效果显示出波动性，个别光子产生的效果显示出粒子性。光的波动性不是光子之间的相互作用引起的，而是光子自身具有的属性。光子在空间消灭的概率可以通过波动的规律确定。因此说光波是一种概率波。对于电子和其他微观粒子，由于同样具有波粒二象性，所以与它们联系的物质波和光波一样，也是概率波。也就是说单个粒子的位置是不确定的，但在某点四周消灭的概率的大小可以由波动的规律确定。对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果，例如衍射条纹的分布等。2、不确定关系在经典力学中，描述粒子的运动状态在于确定任一时刻粒子的位置和动量，这种描述，在宏观领域是可行的，而在微观世界就根本不适用。缘由在于粒子具有波粒二象性，在同一时刻，粒子的坐标和动量就不行射的粒子可以认为有确定的动量，但它们可以处于挡板左侧的任何位置，粒子在挡板左侧的位置是完全不确定的。对于通过挡板的粒子来说，它们的位置被狭缝限定了，它们的位置不确定量减小了，不过我们仍不能准确地说出射到屏上的粒子在通过狭缝时的准确位置，由于狭缝有肯定的宽度a，从这儿可以看出，粒子动量的不确定性增加了。利用数学方法可以对微观粒子的运动进展分析，假设以ΔxΔp在x方向上的动量的不确定量，可以得出： ，式中的h是普朗克常量，这就是著名的不确定关系。规律方法指导规律方法指导1、发生光电效应的几个特点瞬时性.从光照到放出电子几乎是同时的，与照耀光强度及频率无关。对应性.金属外表每吸取一个光子就释放一个电子。频率条件. ≥〔0 0

为极限频率，逸出功W＝h〕。02、在光电效应试验规律中，有两个关系光电效应的最大初动能随入射光频率的增大而增大；光电流的强度跟入射光强度成正比。留意第一个关系中并不是成正比，而其次个关系是成正比，依据爱因斯坦光电效应方程,对于某一金属而言，逸出功W是肯定的，普朗克恒量h最大初动能与放射光频率是成一次函数关系，确实不是成正比的，光电流的强度是由从金属外表逸出的光电子数目打算的，而从金属外表逸出的光电子数目是由入射光的数目打算的，所以我们简洁推得，光电流的强度跟入射光的强度成正比。6更加清楚的规律推理见以下图：入射光的强度可理解为在单位时间内单位面积上所受的光子总能量，设入射光频率为，则，其中主要的量是入射光子的数目。3、光既有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性，这就是光的本性。大量光子的传播规律表达波动性；个别光子的行为表达为粒子性。频率越低，波长越长的光，波动性越显著；频率越高，波长越短的波，粒子性越显著。可以把光的波动性看做是说明大量光子运动规律的一种概率波。典型例题透析典型例题透析类型一——光的本性的生疏1、关于光的本性，以下说法中正确的选项是〔〕A、关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动说，爱因斯坦提出光子说，它们都说明白光的本性B、光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子C、光的干预、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性D、光的波粒二象性是将牛顿的波动说和惠更斯的粒子说真正有机地统一起来解析：光具有波粒二象性，这是现代物理学关于光的本性的生疏，光的波粒二象性不同于牛顿提出的微粒说和惠更斯的波动说，是爱因斯坦的光子说和麦克斯韦的电磁说的统一。光的干预、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性，故A，B，DC答案：C总结升华：光既有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性，这就是光的本性。变式练习【变式】关于光的波粒二象性的说法中，正确的选项是：〔 〕有的光是波，有的光是粒子光子与电子是同样的一种粒子光的波长越长，其波动性就越显著；波长越短，其粒子性就越显著光子的数量越少波动性就越显著；光子的数量越多粒子性就越显著解析：光具有波粒二象性，不能分割开来；光是一种电磁波，而电子是实物粒子，二者不能混淆；大量光子的行为往往表达为波动性，少数光子的行为表现为粒子性；波长越长，波动性越显著，波长越短，粒子性越显著。选项C类型二——光电效应规律2、入射光照耀到某金属外表上发生光电效应，假设入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么：〔 〕A、从光照至金属外表上到放射出光电子之间的时间间隔将明显增加；B、逸出的光电子的最大初动能将减小；7C、单位时间内从金属外表逸出的光电子数目将削减；D、有可能不发生光电效应；解析：考察光电效应的规律。光电效应的发生时间极短，小于 ，与光强无关，不会消灭时间间隔明显增加的现象；逸出的光电子的最大初动能与入射光的强度无关，对于一种金属而言，只和入射光的频率有关，依据爱因斯坦光电效应方程，最大初动能与入射光频率之间的关系为 ；在入射光频率大于极限频率时，发生光电效应，单位时间内逸出的光电子个数与光强成正比，因此当入射光减弱时，单位时间内逸出的光电子个数也削减；能否发生光电效应与光强无关，只要入射光频率大于极限频率就能发生。选C。变式练习【变式】铯的极限频率为4.545×1014Hz,钠的极限频率为6.0×1014Hz,银的极限频率为1.153×1015Hz，铂的极限频率为1.529×1015H0.375umz 。解析：由C＝λυ 可算出照耀光的频率υ= Hz＝8.0×1014Hz照耀光的频率大于铯和钠的极限频率，铯和钠可发生光电效应。答案：铯和钠3、争论光电效应规律的试验装置如下图，以频率为υ的光照耀光电管阴极K时，有光电子产生。由于光电管K、A间加的是反向电压，光电子从阴极K放射后将向阳极A作减速运动，光电流由图中电流计G测出，反向电压U由电压表V测出。当电流计的示数恰好为零时，电压表的示数称为反向截止电压U。0在以下表示光电效应试验规律的图象中，错误的选项是：8[ ]解析：此题中的选项A、D不难从光电效应试验规律作出推断：光电流与入射光的强度成正比，产生光电10-9s，应选项A、D由反向截止电压的概念可知选项C的图象也是正确的。由题意可知 ,而由爱因斯坦光电效应方程，有 ,故不成正比，选项B的图象是错误的。答案：B总结升华：1、发生光电效应的几个特点瞬时性.从光照到放出电子几乎是同时的，与照耀光强度及频率无关。对应性.金属外表每吸取一个光子就释放一个电子。

，与υ频率条件. ≥〔0 0

为极限频率，逸出功W＝h〕。02、在光电效应试验规律中，有两个关系：光电效应的最大初动能随入射光频率的增大而增大；光电流的强度跟入射光强度成正比。变式练习【变式】对爱因斯坦光电效应方程 下面的理解正确的有：〔 〕只要是用同种频率的光照耀同一种金属，那么从金属中逸出的全部光电子都会具有同样