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1、波粒二象性学案一、关于光本质的论争 粒子说：牛顿，他认为光是光源发出的一系列弹性物质小球，它可以解释反射、折 射。波动说：惠更斯，他认为光是波（类似水波，它是振动的传播过程），它可以解释光 绕过障碍物的现象（即衍射）。实验支持：干涉、衍射麦克斯韦和赫兹分别从理论和实验上说明了光是电磁波，波动说完全占了上风。二、一个新的实验挑战光电效应现象1光电效应：金属在某些光的照射下发射的现象。被光从金属中打出的电子称为.，这些电子若在外电场的作用下定向移动形成的电流就叫.。的速度方向与入射光的方向无关。图 1 中的外接电源对光电子有收集的作用，可以用来增强光电流，当它把所有的光 电子都收集，则光电流达到饱
2、和饱和光电流（最大光电流）。图2中的外接电源对光电子有减速的作用，可以用来测量最大初动能 Ekm 原理方程：3四个让人困惑的现象（困惑的原因参见教材P32）（1）每一种金属在 产生光电效应时都存在一个极限 频率（或称截止频率），即 入射光 的频率不能低于某 一临界值。相应的 波长被称作极限波 长（或红限波长） 。 当入射光的频 率低于极限频率时，无论多强的 光都无法使电子逸出。补充知识：波：振动在空间的传播。频率：单位时间内振动的次数。波长：一个周 期内振动传播的距离。波长与频率、周期间的关系： 对于真空的光而言，波长越长，频率，反之亦然。极限频率是使某种金属发生光电效应的频率，它由决定。(2
3、)光电效应中产生的光电子的最大初动能(可由测定遏止电压求出)与光 的频率以及金 属本身有关，而与光强无关。( 3)光电效应 的瞬时性。实验发 现，只要光的频率 高于金属的极限 频率，光 的亮度无论强 弱，光电子的出现都几乎是 瞬时的，即几乎在照到金 属时立即产生光 电流。响应时 间不超过十的负九次方秒( 1ns)。( 4)当入射光 的频率不小于金属 的极限频率时，入 射光的强度只影 响光电流 的强弱，即只影响在单位时间内由单位面 积上逸出的光电子数目。在光频率不变的 情况下，入射光越 强，饱和电流越大，即一定频率的光，入射 光越强，一定时间内 发射的光电子 数目越多。光电效应出现后，许多物理学
4、家致力于从经典电磁理论出发予以解释。 经典理论的解释：经典电磁理论认为， 金属内部的 电子受到电磁波的作 用做受 迫振动。而光的能 量取决于电磁波的振幅，与频率无 关。光越强，振幅越大，能量 越强，对电子 的作用也就越强，电子振动就越 厉害，越容易从物体内部逃逸 出来， 单位时间内到 达阳极的光电子就越多，光 电流就越强。根据上述理论 ，只要光足够 强，任何频率的光都可以从金属中打出光 电子，出射光电子的动能 也应该由入射光 的光强来决定 。这些都与实验现象不符。三、天才的假说与完美的结果1 普朗克与能量量子假 说普朗克在研究 电磁波的辐射时提出能量量子假 说：热辐射发射的电 磁波的能量 是不
5、连续的，而是一份一份的，每一份的能量是，辐射的总能量一定是每一份能量的倍。 是辐射的频率，h即普朗克常数。2爱因斯坦与光子假说受普朗克启发，爱因斯坦提出光的能量也是不连续的，而是一份一份的。他吸收了 光的粒子说的思想，把每一份叫做一个光子，一束光就是大量光子的集合，同时也吸收 了光的波动说的思想，每个光子的能量，是光的频率，而频率正是波动说的概念。3 爱因斯坦对光电效应的完美解释总则：光电子是光子与金属中被原子核束缚着的电子发 而被“轰击”出来的。由于原子核对核外的电子有作用，金属内的电子必须吸收一定的能量，才能摆脱这种束缚，成为“自由”的光电子而逸出金属表面，也就是说必须靠光子对金属内 的电
6、子做功才能实现。若刚好能逸出，即逸出时的动能为，则做功最，这个功就叫做这种金属的。想要打出光电子，则入射光子的能量不能小于这个逸出功。这个最小能量所对应的频率就叫做这种金属的频率，要想发生光电效应，入射光的频率必须满足的条件：，这就解释了现象(1)。如果入射光的频率超过了这个极限频率，则打出的光电子还具有动能。根据能量守 恒律，我们可以得出光电效应方程：。注意：逸出功由决定，所以不同的金属，一般极限频率也就不同。如果按照图2连接电路，具有最大初速度的光电子最容易达到A板，当反向电压刚 好阻止这类光电子时，光电流减为零。由光电效应方程得出最大初动能的决定式：，也就解释了现象（2）发生光电效应后，
7、如果入射光强，则说明单位时间内光子数目，单位时间内打出的光电子也就，饱和电流也就 ，这就解释了现象（4）本部分各物理量间的关系图：遏止电压动能= hv-WQh人豊:迭唱光子能量 =加决定光电子的最大初 决定频备料唇逸出功叫截止频率勺普朗克的能量量子化为 20 世纪的物理黄金期拉开了序幕，把我们的视野引进到量子 的世界。光电效应揭示了光具有粒子性，每个光子携带的能量爱因斯坦还进一步提出了光子具有动量，其动量p=。爱因斯坦在解释光电效应时，对粒子说和波动说采取了“兼容并包”的态度，借鉴 粒子说引入光子，但爱因斯坦的光子与经典的粒子有所不同，它同时还具备的特性，因为光子的能量取决于光的频率，而频率正
8、是的概念。四、对光子说的再佐证一一康普顿效应康普顿效应：X射线照射某物体时，部分散射出的X射线波长 的现象。康普顿的解释：X射线光子的能量远大于物体内电子的能量，近似地视电子为静止， 光子与物体内的电子发生碰撞，电子获得入射X射线光子的部分能量和动量，根据能量 守恒和动量守恒，碰撞后的光子动量和能量都会，根据知道，发生碰撞的X射线光子的波长会变长。康普顿利用 以及守恒定律、守恒律严格计算，发现与实验完全吻合。康普顿实验再次证明了假说的正确性，它证明了光子不仅具有，还具有O五、光的真面目波粒二象性长期的论争，人们终于在20世纪初期，确立了光的本性一一光既具有性，又具有性，即。一般说来，大量光子产
9、生的效果往往显示性，如光的干涉、衍射等现象，个别光子产生的效果往往显示性，如光电效应；光在传播过程中主要表现出性，在与个别物质相互作用时主要表现出性；频率高的光主要表现出性，频率低的光主要表现出性。德布罗意波：任何一个实物粒子都有一个对应的波，即德布罗意波，也称物质波。波长与其动量的关系：普通实物之所以我们观测不到波动性，是因为动量太，波长太不能被观测。电子衍射实验则证明了德布罗意假说的正确性。关于电子云：圆点多的地方代表电子出现的概率，不是代表电子多；圆点少的地方代表电子出现的概率，不是代表电子少。关于不确定性关系：一个粒子的动量和位置不能被同时测定。它是物理世界物质自 身的一种属性，与测量与否以及测量的手段无关。
