1、第十七章 波粒二象性 1 能量量子化 2 光的粒子性,【自主预习】 1.黑体与黑体辐射: (1)热辐射:一切物体都在辐射_,这种辐射与物 体的_有关,所以叫作热辐射。 (2)黑体:是指能够_吸收入射的各种波长的电磁 波而不发生反射的物体。,电磁波,温度,完全,(3)黑体辐射实验规律: 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。 随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有_,辐 射强度的极大值向波长_的方向移动。,增加,较短,2.能量子: (1)定义:普朗克认为,带电微粒的能量只能是某一最小 能量值的_,当带电微粒辐射或吸收能量时,也 是以这个最小能量值为单位_地辐射或吸收的, 这个不可
2、再分的最小能量值叫作能量子。,整数倍,一份一份,(2)能量子大小:=h,其中是电磁波的频率,h称 为_常量,h=6.62610-34Js(一般取h=6.63 10-34Js)。 (3)能量的量子化:在微观世界中能量是_的,或 者说微观粒子的能量是_的。,普朗克,量子化,分立,3.光电效应: (1)光电效应:照射到金属表面的光,能使金属中的 _从表面逸出的现象。 (2)光电子:光电效应中发射出来的_。,电子,电子,(3)光电效应的实验规律: 存在着_光电流:在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大。这表明对于一定颜色的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多。,饱和,存在着遏止电压和
3、频率:光电子的最大初动能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截止频率时不能发生光电效应。 光电效应具有_: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不超过10-9s。 (4)逸出功:使电子脱离某种金属所做功的最小值叫作这种金属的逸出功。,截止,瞬时性,4.爱因斯坦的光电效应方程: (1)光子说:光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的, 而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,这 些能量子被称为_,频率为的光的能量子为h。,(2)爱因斯坦光电效应方程: 表达式:_=Ek+W0或Ek=_-W0。 物理意义:金属中电子吸收一个光子获得的能量是 h,这些能量一部
4、分用于克服金属的_,剩下 的表现为逸出后电子的初动能Ek。,h,h,逸出功W0,5.康普顿效应: (1)光的散射:光在介质中与物体微粒的相互作用,使光 的传播方向_的现象。 (2)康普顿效应:在光的散射中,除了与入射波长相同的 成分外,还有波长_的成分。,发生改变,更长,(3)康普顿效应的意义:康普顿效应表明光子除了具 有能量之外,还具有动量,深入揭示了光的_性的 一面。,粒子,6.光子的动量: (1)表达式: 。 (2)说明:在康普顿效应中,当入射光子与晶体中的电子碰撞时,要把一部分动量转移给电子,因此有些光子散射后波长变长。,【预习小测】 1.能正确解释黑体辐射实验规律的是 ( ) A.能
5、量的连续经典理论 B.普朗克提出的能量量子化理论 C.以上两种理论体系任何一种都能解释 D.牛顿提出的能量微粒说,【解析】选B。根据黑体辐射的实验规律,随着温度的升高,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,只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释,故B正确。,2.以下宏观概念,哪些是“量子化”的 ( ) A.木棒的长度 B.物体的质量 C.物体的动量 D.学生的个数 【解析】选D。所谓“量子化”应该是不连续的,一份一份的,故选项D正确。,3.在光电效应实验中,用光照射光电管阴极,发生了光电效应。如果仅减小光的强度而频率保持不变,下列说法正
6、确的是 ( ) A.光电效应现象消失 B.金属的逸出功减小 C.光电子的最大初动能变小 D.光电流减小,【解析】选D。光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率,能否发生光电效应,与入射光的强度无关,与光照时间也无关,当发生光电效应时,减小入射光的强度,则光电流会减小,D正确。,4.(多选)如图所示,用绿光照射光电管的阴极时,电流表有一定的读数。若改用强度大一倍的紫光照射阴极,将出现 ( ) A.电流表读数为零 B.电流表读数增大 C.逸出光电子的最大初动能减小 D.逸出光电子的最大初动能增大,【解析】选B、D。根据光电效应规律,光电子的最大初动能与入射光频率有关,光电流的大小与入射光的强
7、度有关。因紫光频率大于绿光频率,所以改用强度大一倍的紫光照射阴极,逸出光电子的最大初动能增大、电流表读数增大。选项B、D正确。,主题一 能量量子化 【互动探究】 如图是铁块放入火炉中持续加热时,铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色,直至成为黄白色。,(1)为什么烧红的铁块如果继续升温,就会达到“白”热? 提示:因为温度升高后,铁块辐射出的光中,波长较短,如蓝光、紫光所占的比例就会增加,更接近日光中各种色光的比例,因此看起来几乎是白色的。,(2)铁块是一般的物体,一般物体与黑体的热辐射特点有何不同? 提示:一般物体辐射电磁波的情况与温度、材料的种类及表面状况有关;而黑体辐射电磁波的强度按波长(或频
8、率)的分布只与黑体的温度有关。,(3)从现实中发现一般物体能吸收和反射电磁波,一般物体与黑体的吸收及反射电磁波情况有何区别? 提示:一般物体既吸收又反射,其能力与材料的种类及入射波长等因素有关;黑体只完全吸收各种入射电磁波,不反射电磁波。,(4)用红外线热像仪可以监测人的体温,只要被测者从仪器前走过,便可知道他的体温是多少,你知道其中的道理吗? 提示:根据热辐射规律可知,人的体温的高低,直接决定了该人辐射的红外线的频率和强度。通过监测被测者辐射的红外线的情况就可知道该人的体温。,(5)电磁波的本质是一种能量,由以上问题进一步思考,能量是不是连续的? 提示:能量并不是连续的,而是一份一份的。,【
9、探究总结】 1.热辐射与温度的关系: (1)热辐射不一定需要高温,任何温度的物体都发出一定的热辐射,只是温度低时辐射弱,温度高时辐射强。 (2)在一定温度下,不同物体所辐射的光谱成分有显著不同。 (3)一般物体的热辐射除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。,2.普朗克的能量子观点: (1)普朗克的能量子观点与宏观世界中我们对能量的认识有很大不同。宏观世界中的能量可以是任何值,是连续的,而普朗克认为微观粒子的能量是量子化的,是一份一份的。,(2)普朗克的能量子观点使人类对微观世界的本质有了全新的认识,对现代物理学的发展产生了革命性的影响。普朗克常量h是自然界最基本的常量之一,它体现了微观
10、世界的基本特征。,【典例示范】 能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10-18J,已知 可见光的平均波长约为60m,普朗克常量h=6.63 10-34Js,则进入人眼的光子数至少为多少?,【解题指南】解答本题应注意以下两点: (1)光子的能量公式为=h。 (2)波长、频率与光速之间的关系为c=。,【解析】一个可见光光子的平均能量 E= =6.6310-34 J=310-21J。 能引起人的视觉反应时,进入人眼的光子数至少为 n= 300个。 答案:300个,【探究训练】 1.(2018临沂高二检测)关于黑体辐射的强度与波长的关系,如图正确的是 ( ),【解析】选B。根据黑体辐射的实验规律:随温度
11、升高,各种波长的辐射强度都有增加,故图线不会有交点,选项C、D错误。另一方面,辐射强度的极大值会向波长较短方向移动,选项A错误,B正确。,2.(多选)对普朗克能量子假说的认识,下列说法正确的是 ( ) A.振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值 B.带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍 C.能量子与电磁波的频率成正比 D.这一假说与现实世界相矛盾,因而是错误的,【解析】选B、C。根据普朗克能量子假说知,振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍,A错误,B正确;=h,是电磁波的频率,C正确;普朗克能量子假说反映的是微观世界的特征,不同于宏观世界,D错误。,【补偿训练】
12、关于对热辐射的认识,下列说法正确的是 ( ) A.热的物体向外辐射电磁波,冷的物体只吸收电磁波 B.温度越高,物体辐射的电磁波越强 C.辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关,与材料种类及表面状况无关 D.常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色,【解析】选B。一切物体都不停地向外辐射电磁波,且温度越高,辐射的电磁波越强,A错误,B正确;选项C是黑体辐射的特性,C错误;常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色,D错误。,【通法悟道】分析热辐射应明确的问题 (1)一切物体都能发生热辐射,温度越高,热辐射越强。 (2)热辐射除与温度有关外,还与物体的材料有关。 (3)物体发生热辐射,总以
13、电磁波的形式向外发出。,主题二 光电效应与康普顿效应 【互动探究】 探究点1 光电效应及规律 如图甲是研究光电效应现象的装置图,图乙是研究光电效应的电路图,请结合装置图及产生的现象回答下列问题:,(1)在甲图中发现,利用紫光照射锌板无论光的强度如何变化,验电器都有张角,而用红光照射锌板,无论光的强度如何变化,验电器总无张角,这说明了什么? 提示:金属能否发生光电效应,决定于入射光的频率,与入射光的强度无关。,(2)在乙图中在光电管两端加正向电压,用一定强度的光照射时,若增加电压,电流表示数不变,而光强增加时,同样电压,电流表示数会增大,这说明了什么? 提示:发生光电效应时,飞出的光电子个数只与
14、光的强度有关。,(3)在乙图中若加反向电压,当光强增大时,遏止电压不变,而入射光的频率增加时,遏止电压却增加,这一现象说明了什么? 提示:光电子的能量与入射光频率有关,与光的强度无关。,(4)光电效应实验表明,发射电子的能量与照射光的强度无关,而与光的频率有关,试用光子说分析原因。,提示:由于光的能量是一份一份的,那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量。而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为。如果光的频率低于极限频率,则光子提供给电子的能量不足以克服原来的束缚,就不能发生光电效应。而当光的频率高于极限频率时,能量传递给电子以后,电子摆脱束缚要消耗一部分能量,剩余的能量以光
15、电子的动能形式存在。,(5)为什么电子吸收光的能量是瞬时完成的,而不像波动理论所预计的那样可能逐渐积累? 提示:金属中的电子只能一份一份地吸收光子的能量,电子接收能量的过程极其短暂,接收能量后的瞬间即挣脱束缚,所以光电效应的发生也几乎是瞬间的。,探究点2 康普顿效应 如图是研究康普顿效应的关于光散射的示意图,根据示意图回答下列问题:,(1)光子与电子碰后,方向发生了改变,这种现象说明了什么? 提示:光不仅有能量,而且有动量,光是一份一份的。,(2)在康普顿效应中,有些光子与电子碰撞后的波长变长,你能否从动量的观点和能量的观点分别对其作出解释?,提示:在康普顿效应中,当入射的光子与晶体中的电子
16、碰撞时,要把一部分动量转移给电子,因而光子动量变 小。从p= 看,动量p减小意味着波长变大,因此有些 光子散射后波长变大。同时入射光子与电子相撞时, 将本身的一部分能量传递给电子,故能量减小,根据 =h可得减小,再由c=,得= ,由于减小, 故变大,故光子的波长变大。,【探究总结】 1.光电效应方程的理解: (1)光电效应方程:Ek=h-W0中,Ek为光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离开金属时的动能大小可以是零到最大值范围内的任何数值。,(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程。 (3)逸出功W0:电子从金属中逸出所需要克服束缚而消耗的能量的最小值,叫做金属的逸出功。光电效应中,从金属表
17、面逸出的电子消耗能量最少。,2.光电效应规律总结: (1)饱和光电流与光强关系:光越强,包含的光子数越多,照射金属时产生的光电子就越多,因而饱和电流越大。所以,入射光频率一定时,饱和光电流与光强成正比。,(2)存在截止频率和遏止电压: 爱因斯坦的光电效应方程表明光电子的初动能与入 射光频率成线性关系,与光强无关,所以遏止电压由入 射光频率决定,与光强无关。 光电效应方程同时表明,只有hW0时,才有光电子 逸出。c= 就是光电效应的截止频率。,(3)瞬时性:电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,所以光电流几乎是瞬时发生的。,3.光子说对康普顿效应的解释:假定X射线光子与电子发生弹性
18、碰撞。 (1)光子和电子相碰撞时,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)因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关,所以波长改变与散射角有关。,【典例示范】在某次光电效应实验中,得到的遏止电压Uc与入射光的频率的关系如图所示,若该直线的斜率和截距分别为k和b,电子电荷量的绝对值为e,则普朗克常量可表示为_,所用材料的逸出功可表示为_。,【解题指南】解答本题应注意以下两点: (1)爱因斯坦光电效应方程为:Ek=h-W0。 (2)遏止电压与光电子的最大初动能间的关系为=eUc。,【解析】由题意可得eUc= =h-W,变形为Uc=- ,结合图象可知 =k,
19、 =-b,所以h=ek, W=-eb。 答案:ek -eb,【探究训练】 1.(多选)(2018贵阳高二检测)关于康普顿效应,以下说法正确的是 ( ) A.康普顿效应现象说明光具有波动性 B.康普顿效应现象说明光具有粒子性 C.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加 D.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量减少,【解析】选B、D。康普顿效应揭示了光具有粒子性,故A错误,B正确;在康普顿效应中,当入射光子与晶体中的电子碰撞时,把一部分能量转移给电子,则能量减小,故C错误,D正确。,2.(多选)现用某一光电管进行光电效应实验,当用某一频率的光入射时,有光电流产生。下列说法正确的是 ( ),A.保持入
20、射光的频率不变,入射光的光强变大,饱和光电流变大 B.入射光的频率变高,饱和光电流变大 C.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大 D.保持入射光的光强不变,不断减小入射光的频率,始终有光电流产生 E.遏止电压的大小与入射光的频率有关,与入射光的光强无关,【解析】选A、C、E。保持入射光的频率不变,入射光 的光强变大,单位时间内光电子变多,饱和光电流变 大,A对;据爱因斯坦光电效应方程 =h-W0可知, 入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大,饱和光 电流不变,B错、C对;当hW0时没有光电流产生,D错; 由 =eU遏可知遏止电压的大小与入射光的频率有 关,与入射光的光强无关,E对。故选A
21、C、E。,3.(多选)(2018枣庄高二检测)在做光电效应的实验时,某种金属被光照射发生了光电效应,实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率的关系如图所示,由实验图可求出 ( ) A.该金属的极限频率和极限波长 B.普朗克常量 C.该金属的逸出功 D.单位时间内逸出的光电子数,【解析】选A、B、C。依据光电效应方程Ek=h-W可知, 当Ek=0时,=0,即图象中横坐标的截距在数值上等 于金属的极限频率。 图线的斜率k=tan= 。可见图线的斜率在数值上 等于普朗克常量。据图象,假设图线的延长线与Ek轴的 交点为C,其截距为W,有tan= ,而tan=h,所以 W=h0。即图象中纵坐标轴的
22、截距在数值上等于金属 的逸出功。,【补偿训练】 1.某单色光照射某金属时不能产生光电效应,则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是 ( ) A.延长光照时间 B.增大光的强度 C.换用波长较短的光照射 D.换用频率较低的光照射,【解析】选C。光照射金属时能否产生光电效应,取决 于入射光的频率是否大于金属的极限频率,与入射光 的强度和照射时间无关,故A、B、D选项均错误;又因 = ,所以C选项正确。,2.(多选)在光电效应实验中,用同一种单色光,先后照射锌和银的表面,都能产生光电效应。对于这两个过程,下列四个物理量中,一定不同的是 ( ) A.遏止电压 B.饱和光电流 C.光电子的最大初动能 D.逸出功,【解析】选A、C、D。不同金属的逸出功W0不同,所以用同一种单色光照射锌和银的表面,光电子逸出后最大初动能Ek=h-W0也不同,C、D均正确;遏止电压满足eUc=Ek,所以遏止电压也不同,A正确;饱和光电流的大小与光照强度有关,只要光照强度相同,光电效应产生的饱和光电流就相同,B错误。,【通法悟道】分析光电效应问题的思路 (1)首先判断能否发生光电效应,即确定入射光的频 率是否大于金属的极限频率。 (2)发生光电效应时,满足能量守恒,即满足光电效应 方程。 (3)涉及光电管中的遏止电压计算时,利用好动能定 理(Ue= mv02)。,【课堂小结】,
