《3. 光的波粒二象性》讲义

《3.光的波粒二象性》讲义第一讲光的波粒二象性知识梳理▼一、光的微粒说与波动说1、微粒说-代表人物：牛顿。-观点：光是由一个个微粒组成的，这些微粒按力学规律沿直线飞行。-成功解释的现象：光的直线传播、反射等现象。就像我们扔小石子，小石子是沿直线飞出去的，光微粒也类似，在均匀介质中沿直线传播。光遇到障碍物反射，就像小石子碰到墙壁反弹回来一样。-遇到的困难：不能很好地解释光的干涉、衍射等现象。2、波动说-代表人物：惠更斯。-观点：光是一种波，像水波一样向四周传播。-成功解释的现象：光的干涉、衍射现象。比如，两列水波相遇会相互叠加，形成新的水波图案，光的干涉也是类似的，两列光波相遇会产生干涉条纹。光的衍射现象，就像水波绕过障碍物传播一样，光也能绕过障碍物传播。-遇到的困难：在解释光的直线传播等现象时遇到了困难。二、光电效应1、光电效应现象-定义：在光（包括不可见光）的照射下，从物体发射出电子的现象。就好比给金属来个光照“按摩”，电子就被“按”出来了。-实验规律-存在截止频率：每种金属都有一个极限频率，只有入射光的频率大于这个极限频率时，才会发生光电效应。这就像每个金属都有一个“门槛”，光的频率达不到这个“门槛”，就不能把电子弄出来。-瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的，从光照射到产生光电流的时间间隔不超过10⁻⁹s。就像按个开关，灯马上就亮一样快。-光电流的强度与入射光的强度成正比：光强越大，打出的电子越多，光电流就越大。这就像下大雨的时候，雨滴越密，接到的水就越多。2、爱因斯坦的光子说-内容：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子称为光子。光子的能量与光的频率成正比，公式为：E=hν其中E表示光子能量，h是普朗克常量（约为6.63×10⁻³⁴J·s），ν是光的频率。-对光电效应的解释-当光子照射到金属表面时，一个光子的能量被一个电子吸收，电子吸收光子的能量后，一部分用来克服金属的逸出功W₀，剩下的就是电子逸出后的动能Ek，公式为：Ek=hν-W₀。这就像你有一笔钱（光子能量hν），要交一部分“入场费”（逸出功W₀），剩下的就是你自己能支配的（逸出后的动能Ek）。-因为存在逸出功，所以只有当光子的能量hν大于逸出功W₀，即ν大于极限频率时，才会发生光电效应。三、光的波粒二象性1、光既具有波动性又具有粒子性-大量光子产生的效果显示出波动性，比如光的干涉、衍射现象，是大量光子的集体行为。-个别光子产生的效果显示出粒子性，如光电效应中，一个光子就能打出一个电子。2、概率波-光的波动性是光子本身的一种属性，光子在空间各点出现的概率遵从波动规律。可以想象光子就像调皮的小粒子，在空间里出现是有一定概率的，这个概率是按照波动规律来的。经典例题▼1、某种金属在一束绿光照射下刚能产生光电效应，现用紫光或红光照射时，能否产生光电效应？为什么？-分析：首先我们要知道光电效应存在截止频率。因为这种金属在绿光照射下能产生光电效应，而紫光的频率比绿光高，红光的频率比绿光低。根据爱因斯坦的光子说，光子能量E=hν，紫光光子能量大于绿光光子能量，所以用紫光照射时能产生光电效应；而红光光子能量小于绿光光子能量，所以用红光照射时不能产生光电效应。2、一光电管的阴极用极限波长λ₀=5000Å的钠制成。用波长λ=3000Å的紫外线照射阴极，光电管阳极A和阴极K之间的电势差U=2.1V时，光电流达到饱和，饱和光电流的值I=0.56μA。-(1)求每秒内由阴极K发射的电子数。-分析：根据电流的定义I=Q/t，而每个电子的电荷量e是固定的（约为1.6×10⁻¹⁹C），饱和光电流I=0.56μA=0.56×10⁻⁶A，所以每秒内通过的电荷量Q=It=0.56×10⁻⁶C。那么每秒内发射的电子数n=Q/e=(0.56×10⁻⁶)/(1.6×10⁻¹⁹)=3.5×10¹²（个）。-(2)求电子到达阳极A时的最大动能。-分析：首先根据光子能量公式E=hν=hc/λ其中c是光速，约为3×10⁸m/s，算出紫外线光子的能量。对于阴极K，其极限波长λ₀对应的逸出功W₀=hc/λ₀。电子吸收光子能量后克服逸出功，剩下的能量再加上电场力对电子做的功（eU）就是电子到达阳极A时的最大动能Ek。先算出逸出功W₀=hc/λ₀=(6.63×10⁻³⁴×3×10⁻⁸)/(5000×10⁻¹⁰)J=3.978×10⁻¹⁹J，紫外线光子能量E=hc/λ=(6.63×10⁻³⁴×3×10⁻⁸)/(3000×10⁻¹⁰)J=6.63×10⁻¹⁹J，那么电子到达阳极A时的最大动能Ek=E-W₀+eU=(6.63×10⁻¹⁹-3.978×10⁻¹⁹+1.6×10⁻¹⁹×2.1)J=6.01×10⁻¹⁹J。答案：1、用紫光照射时能产生光电效应，用红光照射时不能产生光电效应。原因：紫光频率大于绿光频率，光子能