波与粒子（上课）

第五章波与粒子授课：郑毅第一节光电效应光电效应1、在光（包括不可见光）的照射下，电子从物体表面逸出的现象叫做光电效应。2、发射出来的电子叫做光电子。3探究光电效应的规律光电管1.光电管就是利用光电效应把光信号转变成电信号的一种传感器。2.阴极发出的光电子被阳极收集，在回路中会形成电流，称为光电流。光电管的工作原理

为了把光电子尽可能多地收集到阳极，以增强光电流，通常还在光电管两极加上正向电压，如图所示，光电流在电阻的两端产生电压Uab，随着光的强弱变化而变化。这样，光电管就把光信号变成了电信号。回路中的光电流会随着反向电压的增加而减小，当反向电压达到一定数值时，光电流将会减小到零，我们把这时的电压称为遏止电压。如果光电子到达阳极的速度刚好为零，根据能量守恒定律，光电子出射时的最大初始动能为：可见，光电子的最大初始动能可以通过测量遏止电压来确定。光电效应的4条基本规律1.产生光电效应的条件：

任何一种金属，都存在极限频率γ0，只有当入射光频率γ>γ0时，才能发生光电效应。2.光电子的最大初动能：

光电子的最大初动能Ekm与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大。3.光电效应的发生时间：几乎是瞬时发生的。

4.光电流强度的决定因素：当入射光频率γ>γ0时，光电流（单位时间内逸出金属表面的电子数）随入射光强度的增大而增大。（1）某光恰能使锌发生光电效应，那么能使表格内哪些金属发生光电效应?（2）表中哪种金属最易发生光电效应?（3）为什么各种金属的极限频率不同?

196372558660λ0/nm15.311.58.075.384.55

γ0/1014Hz铂银锌钾铯260几种金属的极限频率和极限波长极限频率讨论与交流随着反向电压逐渐增大，光电流是逐渐减小还是突然减小？逐渐减小。由此是否可以推测出射光电子的动能不一样？遏止电压对应的是所有光电子的动能吗？不一样。光电效应中从金属出来的光电子，它们的初速度会有差异，其中最大者叫最大初动能。不是，遏止电压对应的是光电子最大初动能。波动理论对光电效应的解释的困难：波动理论光电效应实验结果困难1光能由振幅决定，与光频率无关，只要光强足够大（不论入射光的频率多小），总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应如果γ﹤γ0，无论光强有多大，都不能发生光电效应，光能应由光频率来决定困难2光强越大，电子可获得更多能量，光电子的最大初动能也应该越大，遏止电压也应越大。即出射电子的最大初动能应该由光强来决定光电子的最大初动能、遏止电压都与光强无关，而与频率有关困难3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当入射光照射到光电管阴极时，无论光强怎样，几乎瞬间就产生了光电子光电效应的理论解释爱因斯坦发展了普朗克的能量不连续的思想，提出光量子（能量量子）概念。看似连续的光实际上是有个数有限、分立于空间各点的光子组成。每个光子的能量为hγ.光照射到金属板时，光子将能量传递给电子，一个光子传递给一个电子的能量为hγ，并满足爱因斯坦光电效应方程：一个光子的能量一个电子从金属表面逸出而必须做的功——逸出功该电子离开金属表面的最大初动能解释光电效应：光照射到金属表面，部分电子吸收光子能量。→若光子能量大于/等于逸出功，该电子可以逸出金属表面，发生光电效应。（增大光强，逸出的电子数增加。）→若光子能量小于逸出功，该电子不能逸出金属表面1）增大光强不能~因为只是增多了吸收光子能量的电子数，对单个电子吸收的光子能量仍为hγ，不会改变。2）增长光照时间不能~电子吸收光子后极短时间内就可以把能量传递给其它粒子，电子无法通过能量积累逸出。解释光电效应：光照射到金属表面，部分电子吸收光子能量。→若光子能量大于/等于逸出功，该电子可以逸出金属表面，发生光电效应。（增大光强，逸出的电子数增加。）每种金属的逸出功是确定的，但电子逸出路径不同，故逸出时动能也不同。直接从金属表面逸出的电子动能最大。1916年，密立根用实验证明了电子的最大初动能与光的频率成严格的线性函数关系，证实了爱因斯坦的光电方程。P86例题1、___________________________的现象称为光电效应，发射出来的电子叫____________

。物体在光的照射下发射电子光电子巩固练习：2、光电管的作用是把_______信号转变为______信号。由于光电管发生光电效应而在电路中形成的电流叫_________。光电光电流3、在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器指针张开一个角度，如图所示，这时()A．锌板带正电，指针带负电B．锌板带正电，指针带正电C．锌板带负电，指针带正电 D．锌板带负电，指针带负电B巩固练习：4、若用绿光照射某种金属板不能发生光电效应，则下列哪一种方法可能使该金属发生光电效应（）A.增大入射光的强度B.增加光的照射时间C.改用黄光照射D.改用紫光照射D5、某种频率的光射到金属表面上时，金属表面有电子逸出，若光的频率不变而强度减弱，那么下述结论中正确的是（）A．光的强度减弱到某一数值时，就没有电子逸出B．逸出的电子数一定减少C．逸出的电子数有可能增加D．逸出的电子数有可能不变B6、光电效应的四条规律中，经典的电磁理论不能解释的有（）A、入射光的频率必须大于被照射的金属的极限频率才能产生光电效应B、光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增加C、入射光照到金属上时，光电子的发出几乎是瞬时的D、当入射光频率大于金属的极限频率时，光电流强度与入射光强度成正比ABC巩固练习：第二节康普顿效应光的波动理论在解释光电效应时遇到了巨大的困难。后来，爱因斯坦在普朗克量子化理论的启发下，提出了光子学说．普朗克爱因斯坦1.光的散射光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射2.康普顿效应1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。康普顿散射的实验装置与规律：晶体

光阑X射线管探测器X射线谱仪

石墨体(散射物质)j

0散射波长

按经典电磁理论：

如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！康普顿正在测晶体对X射线的散射康普顿散射曲线的特点：1.除原波长

0外出现了移向长波方向的新的散射波长

。2.新波长

随散射角的增大而增大。

散射中出现

≠

0的现象，称为康普顿散射。波长的偏移为=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj................................................................................o（A）0.7000.750λ波长.......

0

经典电磁理论解释康普顿效应根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。可以解释频率不变的一般散射。无法解释波长改变和散射角的关系。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，具体解释如下：1.若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,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。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能量,由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。(碰撞过程满足动量守恒和能量守恒)3.因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。称为电子的Compton波长只有当入射波长

0与

c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角

有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长

0无关，

c=0.0241Å=2.4110-3nm（实验值）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。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“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿,(1892-1962)美国物理学家1927年获诺贝尔物理学奖康普顿效应1925—1926年，吴有训用银的X射线(

0=5.62nm)为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质，吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了重要贡献。在同一散射角()测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验。（1897-1977）吴有训光子的能量和动量动量、能量是描述粒子的,频率、波长则是用来描述波的。h——架设起粒子性和波动性之间的桥梁。课堂小结什么是康普顿效应？经典电磁理论解释康普顿效应：可以解释频率______的一般散射。无法解释波长改变和散射角的关系。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__________的结果若光子和外层电子相碰撞，散射光的波长_____。若光子和内层电子相碰撞，碰撞前后光子波长_____。波长改变和散射角有关。弹性碰撞不变变长不变5.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。6.光子的能量和动量7.用可见光能否观察到康普顿散射？光的波粒二象性光的波动说：荷兰惠更斯（代表人物）、英国托马斯杨（解释光的干涉）、法国菲涅尔（解释光的衍射）、麦克斯韦（提出光是一种电磁波）。事实上，光子既有粒子的特征，又有波的特征，即光具有波粒二象性。爱因斯坦-光电效应：光子能量与光的频率有关，光仍有波的特征。康普顿-康普顿效应：涉及散射光的波长变化、光子的动量与光的波长有关等，也体现了光的波动性。波恩-概率波：用概率波很好地解释了光的波粒二象性。双缝实验用很弱的光做双缝干涉实验得到的照片光波是一种概率波，光的强度表示光子出现概率的大小。光子出现在哪个位置受概率支配。单个光子出现在哪个位置是随机的。少量光子形成的光点是无规律的。对大量光子：概率大的位置出现的光子多，形成亮条纹，反之形成暗条纹。光的波动性和粒子性不是均衡表现的：波长越长，波动性越明显。光与电子相互作用时更多表现为粒子性，在传播过程中更多表现为波动性。一个一个无分布规律的光点，体现了光的粒子性弱光长时间曝光，明显的明暗条纹，体现了较明显的波动性。光具有波粒二象性第三节实物粒子的波粒二象性德布罗意(duedeBroglie,1892-1960)

德布罗意原来学习历史，后来改学理论物理学。他善于用历史的观点，用对比的方法分析问题。

1923年，德布罗意试图把粒子性和波动性统一起来。1924年，在博士论文《关于量子理论的研究》中提出德布罗意波,同时提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义，誉之为“揭开一幅大幕的一角”。法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。物质波的假设1924年,德布罗意推想:自然界在许多方面是对称的,“波粒共存的观念可以推广到所有粒子”。既然光具有波粒二象性,则实物粒子或许也有这种二象性,在这样的推想下,德布罗意提出假设：实物粒子和光一样,也具有波粒二象性。如果用能量E和动量p来表示实物粒子的粒子性,用频率γ和波长λ来表征实物粒子的波动性,那么,对光适用的关系式也适用于实物粒子,即:德布罗意关系h——普朗克常量——把粒子性和波动性联系起来与实物粒子相联系的波称为物质波/德布罗意波预言：

电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹*。物质波的假设德布罗意1892-1987实物粒子也具有波动性利用类比的想法，提出物质波概念与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，或叫物质波。预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。电子有质量根据相对论德布罗意的思维逻辑

后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布洛意关系。

一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？

质量m=0.01kg，速度v=300m/s的子弹的德布洛意波长为

计算结果表明:子弹的波长小到实验难以测量的程度。所以，宏观物体只表现出粒子性。

一个质量为m的实物粒子以速率v运动时，即具有以能量E和动量p所描述的粒子性，同时也具有以频率γ和波长

所描述的波动性。如速度v=5.0102m/s飞行的子弹，质量为m=10-2Kg，对应的德布罗意波长为：如电子m=9.1

10-31Kg，速度v=5.0107m/s,对应的德布罗意波长为：太小测不到！X射线波段德布罗意关系这种与实物粒子相联系的波,后来被称为德布罗意波,也叫物质波.对德布罗意物质波的理解(1)任何物体,小到电子,质子,大到行星,太阳都存在波动性,我们之所以观察不到宏观物体的波动性,是因为宏观物体对应的波长太小的缘故.（一切实物粒子都有波动性）(2)德布罗意是一种概率波,粒子在空间各处出现的概率受到波动规律的支配,不要以宏观观点中的波（机械波）来理解德布罗意波.(3)德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广,使之包括了所有的物质粒子,即光子和实物粒子都具有粒子性,又都具有波动性,与光子对应的是电磁波,与实物粒子对应的波是物质波.物质波的实验验证干涉和衍射是波动物质的特有表现,如果实物粒子具有波动性的话,在一定条件下,也该发生干涉和衍射现象.实物粒子运动时其波长很小,根本无法观察到它的波动性.1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束的衍射实验.得到了类似右图的衍射图样,从而证明了电子的波动性.物质波的实验验证戴维逊－革末实验1927年，Davisson和Germer

进行了电子衍射实验。

（该实验荣获1937年Nobel物理学奖）戴维逊--革末实验电子衍射实验

电子束垂直入射到镍单晶的水平面上，在散射方向上探测到一个强度极大。（可用晶体对X射线的衍射方法来分析）1937诺贝尔物理学奖1927年，美国贝尔实验室的戴维森（ClintonJosephDavisson，1881～1958）、革未（LesterHalbertGermer，1896～1971）通过实验发现晶体对电子的衍射。1927年英国的汤姆逊（GeorgePagetThomson，1892～1975）通过电子在多晶膜上的透射得到了环状的电子衍射图象。它与光的圆孔衍射图象极为相似。电子衍射X光衍射1927年戴维孙—革末通过电子在晶体表面的散射实验得到了与X射线衍射相似的电子衍射1927年英国的汤姆逊通过电子在金的多晶膜上的透射得到了环状的电子衍射图象。它与光的圆孔衍射图象极为相似电子衍射花样扫描隧道显微镜电子显微镜在电子显微镜下放大30000倍的细菌图像电子显微镜下的头发分叉照片电子显微镜下的血液中红细胞的照片用电子显微镜放大115倍之后的室内灰尘造成伊波拉出血热的丝状病毒样貌人类对于光的认识历程物质波德布罗意能量量子化普朗克德布罗意：粒子和波这两种观点应该以某种方式统一。粒子难以解释波动难以解释父子诺贝尔奖——汤姆逊G.P.汤姆逊1892-1975

C.J.戴维逊和G.P.汤姆逊利用晶体做了电子束衍射实验为此获得了1937年诺贝尔物理学奖。J.J.汤姆逊1856-1940

1906年,汤姆逊由于发现电子和对气体放电理论和实验做出了重大贡献获得诺贝尔物理学奖。父子不确定性关系宏观世界：一个物体的位置和动量是可以同时确定的。微观世界：粒子的位置和动量存在不确定性，不能同时测量。海森堡不确定关系不确定性关系表明：不能同时精确测定一个微观粒子的位置和动量。由于普朗克常量很小，对于宏观物体，这种不确定关系可以忽略不计。例题动量的不确定范围位置的不确定范围普朗克常量*能量和时间不确定关系微观粒子波粒二象性电子云（用疏密不同的点表示电子出现的概率）从微观的角度理解光的波动性和粒子性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认识,必须从微观的角度建立起光的行为图景,认识光的波粒二象性,需要明确的是:爱因斯坦光子说中的“粒子”和牛顿微粒说中的“微粒”是两个完全不同的概念;同样,麦克斯韦电磁说中的“波”与惠更斯波动说中的“波”也是不同理论领域中完全不同的概念,其本质区别在于微观世界的认识论与宏观世界的认识论的区别.梳理：人类对原子认识的发展时间轴重要事件重要实验重要理论典型问题和计算

典例分析 一､对光的波粒二象性的理解例1:下列有关光的波粒二象性的说法中,正确的是()A.有的光是波､有的光是粒子B.光和电子是同样的一种粒子C.光的波长越长,其波动性越显著;波长越短,其粒子性越显著D.大量光子的行为往往显示出粒子性解析:一切光都具有波粒二象性,光的有些行为(如干涉､衍射)表现出波动性,光的有些行为表现出粒子性(如光电效应),所以,不能说有的光是波,有的光是粒子.虽然光子和电子都是微观粒子,都具有波粒二象性,但电子是实物粒子,有静止的质量;光子不是实物粒子,没有静止的质量,电子是以实物粒子存在的物质,而光子是以场的形式存在的物质,所以不能说光子和电子是同样的一种粒子,大量光子的行为往往表现出波动性,个别光子往往显示出其粒子性,光的波长越长,波动性越显著.光的波长越短,其频率越高,其光子的能量越大,个别或少数光子作用就足以引起光接收装置的反应,所以其粒子性就很显著,故选项C正确.答案:C巩固练习1:关于光的本性,下列说法中正确的是()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,它们都说明了光的本性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.光的干涉､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微粒说和惠更斯的波动说真正有机统一起来的解析:光具有波粒二象性是现代物理学说关于光的本性的认识,光的波粒二象性不同于牛顿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.光的干涉､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､D选项错误,C选项正确.答案:C二､德布罗意波的理解和计算例2:下列说法中正确的是()A.物质波属于机械波B.只有像电子､质子､中子这样的微观粒子才具有波动性C.德布罗意认为,任何一个运动的物体,小到电子､质子,大到行星､太阳都具有一种波和它对应,这种波称为物质波.D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体运动时不具有波动性解析:物质波是一切运动着的物体所具有的波,与机械波性质不同,宏观物体也具有波动性,只是干涉､衍射现象不明显,看不出来,故只有C选项正确.答案:C巩固练习2:如果一个中子和一个质量为10g的子弹都以103m/s的速度运动,则它们德布罗意波的波长分别是多少?(中子的质量为1.67×10-27kg)答案:(1)4.0×10-10m6.63×10-35m1.对光的行为,下列说法正确的是()A.个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性B.光的波动性是光的一种特性,不是光子之间的相互作用引起的C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了,光表现出粒子性时,就不具有波动性了D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性显著,在另外某种场合下,光的粒子性显著答案:ABD2.下列说法中正确的是()A.质量大的物体,其德布罗意波长小B.质量小的物体,其德布罗意波长小C.动量大的物体,其德布罗意波长小D.速度大的物体,其德布罗意波长小答案:C3.下列关于实物粒子的说法中正确的是()A.向前飞行的子弹不具有波动性B.射击运动员很难命中靶子,是因为子弹具有波动性C.飞行的子弹既具有粒子性又具有波动性D.飞行的子弹具有波动性,但波长很长表现不出来答案:C4.人类对光的本性的认识经历了曲折的过程,下列关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是()A.牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的B.光的双缝干涉实验显示了光具有波动性C.麦克斯韦预言光是一种电磁波D.光具有波粒二象性答案:BCD能力提升5.以下说法正确的是()A.物体都具有波动性B.抖动绳子一端,绳上的波就是物质波C.通常情况下,质子比电子的波长长D.核外电子绕原子核运动时,并没有确定的轨道解析:任何物体都具有波动性,故A对;对宏观物体而言,其波动性难以观测,我们看到的绳波是机械波,不是物质波,故B错.电子的动量往往比质子小,由λ=知,电子的波长长,故C错.核外电子绕核运动规律是概率的问题,无确定的轨道,故D对.答案:AD6.(2007·上海高考)光通过各种不同的障碍物后会产生各种不同的衍射条纹,衍射条纹的图样与障碍物的形状相对应,这一现象说明()A.光是电磁波 B.光具有波动性C.光可以携带信息D.光具有波粒二象性解析:光能发生衍射,说明光具有波动性,故B正确,衍射图样与障碍物的形状对应,说明了衍射图样中包含了障碍物的信息,故C正确,光是电磁波,也具有波粒二象性,但不是衍射这一现象所说明的,故A､D错误.答案:BC解析:由于粒子源产生的粒子是微观粒子,它的运动受波动性支配,对大量粒子的运动到达屏上的某点的概率,可以用波的特征进行描述,即产生双缝干涉,在屏上将看到干涉条纹,故B正确.答案:B7.显微镜观看细微结构时,由于受到衍射现象的影响而观察不清,因此观察越细小的结构,就要求波长越短,波动性越弱.在加速电压值相同的情况下,电子显微镜与质子显微镜的分辨本领,下列判定正确的是()A.电子显微镜分辨本领较强B.质子显微镜分辨本领较强C.两种显微镜分辨本领相同D.两种显微镜分辨本领不便比较解析:带电粒子经过加速电场后,获得一定的动量,从而具有一定物质波波长,显微镜的分辨本领,随着物质波的波长的减小而增大,