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1、防作弊页眉物理总复习：光的粒子性 编稿：李传安 审稿：张金虎【考纲要求】1、理解光子说及其对光电效应的解释 2、理解爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题 3、了解光既具有波动性，又具有粒子性4、了解光是一种概率波。【考点梳理】考点一、黑体与黑体辐射要点诠释：1、热辐射固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。2、黑体与黑体辐射能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体称为绝对黑体，简称黑体。不透明的材料制成带小孔的的空腔 ,可近似看作黑体。如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，如图所示，那么射入小孔的电磁波在空腔
2、内表面发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出，这个小孔就成为了一个绝对黑体。 对图中的空腔加热，空腔内的温度升高，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。研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。实验表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情况。如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。 3、能量子辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是
3、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（称为能量子）的整数倍，即：, 1, 2, 3, . n. n为正整数，称为量子数。对于频率为的谐振子最小能量为，其中是电磁波的频率，h是一个常量，后被称为普朗克常量，其值为h=6.62610-34Js。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，如图所示，与实验符合令人击掌叫绝。 考点二、光电效应要点诠释：1、光电效应现象用紫外线照射与验电器
4、相连的不带电的锌板时，验电器的金属箔张开，验电器上带正电，表明有电子从金属表面飞出。在光（包括不可见光）的照射下从物体发射出电子的现象，叫光电效应。光电效应中发射出来的电子叫光电子。实验表明，不仅紫外线能产生光电效应，对于碱金属，例如：锂、钠、钾、铯等，用可见光照射也能产生光电效应。2、光电效应实验在光（包括不可见光）的照射下从物体发射出电子的现象，叫光电效应。光电效应中发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。研究光电效应规律的实验装置如图，阴极 K和阳极A 是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够发射光电子。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。
5、电源按图示极性连接时，阳极A吸收阴极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研究光电流和照射光的强度、光的频率（颜色）等物理量之间的关系。 3、光电效应规律（1）存在着饱和光电流Is与入射光强度成正比。a.在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增加，光电流趋于一个饱和值b.入射光越强，饱和电流越大如果用一定频率和强度的单色光照射阴极 K，改变加在A和K两极间的电压U，测量光电流I的变化，则可得如图所示的伏安特性曲线。 实验表明：光电流I随正向电压U的增大而增大，并逐渐趋于其饱和值Is；而且饱和电流Is的大小与入射光强度成正比。（2）存在着遏止电压和截止频率a.当所加电压为
6、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，A和K两极间的电压为零时，光电流并不为零，只有当两极间加了反向电压U=-UC0时，光电流I才为零，UC称为遏止电压(或截止电压)。实验表明：对于一定颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光的频率改变时，遏止电压也会改变。这表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。 b.当入射光的频率减小到某个值时，即使不施加反向电压也没有光电流，表明已经没有光电子了结论：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。 （3）
7、光电效应是瞬时发生的。实验发现，只要入射光的频率，无论光多么微弱，从光照射阴极到光电子逸出，这段时间不超过10-9s。光电效应的发生时间如此之短，通常称它是瞬时发生的。考点三、爱因斯坦的光电效应方程要点诠释：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。1、光子说对光电效应的解释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。得到能量的电子，动能立即增大，而不需要积累能量的过程。 如果这个能量足够大，则电子就挣脱金属的束缚而射出来，即产生光电效应；如果这个能量不
8、足以挣脱金属的束缚，则不能产生光电效应。 频率一定时，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。 2、爱因斯坦的光电效应方程（1）逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值当光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，电子吸收光子的能量后，动能就增加了，如果电子的动能足够大，能够克服内部原子对它的引力，就可以离开金属表面逃逸出来，成为光电子，这就是光电效应。电子吸收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。向金属表面运动的电子，经过的路程不同，途中损失的能量也不同，因此从表面出来时的初动能不同。只有直接从金属表面出来的光电子
9、才具有最大初动能。这些光电子克服金属原子的引力所做的功叫做逸出功。 （2）光电效应方程根据能量守恒定律，光电子的最大初动能跟入射光子的能量和逸出功W之间有如下关系：这个方程叫爱因斯坦的光电效应方程。对于一定的金属来说，逸出功 W的值是一定的。所以入射光子的频率越大，光电子的最大初动能也越大。在入射光频率一定时，如果入射光比较强，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。3、光电效应的图像光电子的最大初动能随光的频率变化而变化的图象，如图所示。依据，可知：当时，即图象中的横截距，在数值上等于金属的极限频率。，即图象的形状是一条斜线，斜线的斜率在数值上等于普朗克常数。
10、图象中纵截距在数值上等于这金属的逸出功：。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，动作迅速灵敏，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，如图所示为其中的一种。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。当光照射到光电管的阴极K时，阴极发射电子，电路里就产生由a到b的电流。考点四、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，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。 2、康普顿效应英国物理学家康普顿在
11、研究石墨对X射线的色散时，发现在色散的X射线中，除了与入射波长0相同的成分外，还有波长大于0的成分，这个现象称为康普顿效应。光电效应和康普顿效应深入地解释了光的粒子性的一面。前者表明光子具有能量，后者表明光子除了能量之外还具有动量。 3、光子的动量一定的质量m与一定的能量E相对应：E=mc2光子的能量借用质子、电子的动量定义有：在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而光子动量变小。从看，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。考点五、粒子的波动性要点诠释：1、光的波粒二象性光的干涉、衍射和偏振等现象无可争辩地表明光具有波动性；而光电效应又无
12、可争辩地表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。 （1）大量光子的传播规律体现波动性；个别光子的行为体现为粒子性。（2）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。（3）可以把光的波动性看做是表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
13、波相联系，而且粒子的能量和动量p跟它所对应的波的频率和波长之间，也向光子跟光波一样，遵从如下关系：，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，而称为德布罗意波长公式。物质波也是一种概率波。3、物质波的实验验证光的干涉和衍射是光具有波动性的有力证据。1927年，英国物理学家GP汤姆逊用电子束穿过很薄的金属片，观察到了电子的衍射图样，从而证实了电子的波动性。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，所以平常根本无法观察到它们的波动性。考点六、概率波要点诠释：光既表现出波动性又表现出粒子性，很难用宏观
14、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。如在双缝干涉实验中，光子通过双缝后，对某一个光子而言，其运动是不可控制的，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。光子在空间出现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
15、粒子的位置是不确定的，但在某点附近出现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。 【典型例题】类型一、光的本性的认识例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波动说和惠更斯的粒子说真正有机地统一起来【思路点拨】理解光的本性，波动性的特征及代表人物，粒子性的特征及代表人物。【答案】C【解析】光具有波粒二象性，这是现代物理学关于光的本性的认识，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
