光的波粒二象性

1、第十五章 近代物理第一單元第一單元 光的波粒二象性光的波粒二象性1.1.光電效應光電效應（1 1）定義：照射到金屬表面的光，能使）定義：照射到金屬表面的光，能使金屬中的金屬中的電子電子從從 表面表面逸出，這種現(xiàn)象逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應稱為光電效應. .（2 2）規(guī)律：）規(guī)律：存在存在飽和飽和電流電流. .在光照條在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓增大，件不變的情況下，隨著所加電壓增大，光電流趨于一個光電流趨于一個飽和飽和值值. .入射光越強，入射光越強，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多. .存在存在遏止遏止電壓和電壓和截止截止頻率頻率. a.使光電流減小到使光電流

2、減小到零零的的反向反向電壓電壓U c稱稱為遏止電壓為遏止電壓. b.當入射光的頻率減小到某一數(shù)值當入射光的頻率減小到某一數(shù)值c時，時，即使不施加反向電壓也沒有即使不施加反向電壓也沒有光電流光電流，這，這表明已經(jīng)沒有表明已經(jīng)沒有光電子光電子了，了，c稱為截止頻稱為截止頻率或極限頻率率或極限頻率. c .光電子的能量只與入射光的光電子的能量只與入射光的頻率頻率有關(guān)，有關(guān)，當入射光的頻率當入射光的頻率低于低于截止頻率時不能發(fā)截止頻率時不能發(fā)生光電效應生光電效應.光電效應具有光電效應具有瞬時瞬時性性.2.2.逸出功逸出功 使電子脫離某種金屬所做功的使電子脫離某種金屬所做功的最小值最小值，叫做這種金屬的

3、逸出功，用叫做這種金屬的逸出功，用W W0 0表示表示. .3.3.愛因斯坦的光電效應方程愛因斯坦的光電效應方程（1 1）光子：光本身就是由一個個不可分割）光子：光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為的能量子組成的，頻率為的光的能量的光的能量子為子為hh，h h為為普朗克常量普朗克常量，這些能量子，這些能量子被稱為光子被稱為光子. .（2 2）光電效應方程：）光電效應方程：E Ek k= = h hW W0 0. .其中其中E Ek k為光電子的為光電子的最大初動能最大初動能，W W0 0表示金屬的表示金屬的逸出功逸出功. .愛因斯坦方程表明，光電子的最大初動愛因斯坦方程表明，光電子

4、的最大初動能能E Ek k與入射光的頻率與入射光的頻率有關(guān)，而與光的有關(guān)，而與光的強弱無關(guān)強弱無關(guān). .只有當只有當hh W W0 0時，才有光電子時，才有光電子逸出，逸出，c c= = 就是光電效應的截止就是光電效應的截止頻率頻率. .電子一次性吸收光子的全部能量，不需電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流自然幾乎是要積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時產(chǎn)生的瞬時產(chǎn)生的. .光較強時，包含的光子數(shù)較多，照射金光較強時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流屬時產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大較大. .hW0 4.4.康普頓效應康普頓效應 在研究電子對

5、在研究電子對X X射線的散射時發(fā)現(xiàn)：射線的散射時發(fā)現(xiàn)：有些散射波的波長比入射波的波長略有些散射波的波長比入射波的波長略大大. .康普頓認為這是因為光子不僅有能康普頓認為這是因為光子不僅有能量，也具有量，也具有動量動量. .實驗結(jié)果證明這個設實驗結(jié)果證明這個設想是正確的想是正確的. .因此康普頓效應也證明了因此康普頓效應也證明了光具有粒子性光具有粒子性. . 5.5.光的波粒二象性光的波粒二象性 光的干涉和衍射現(xiàn)象證明了光的光的干涉和衍射現(xiàn)象證明了光的波動波動性性的一面的一面. .光電效應表明光具有光電效應表明光具有能量能量，康普頓效應表明光具有康普頓效應表明光具有動量動量. .此二效應此二效應

6、揭示了光的揭示了光的粒子性粒子性的一面，由此可知光的一面，由此可知光具有波粒二象性具有波粒二象性. . 6.6.德布羅意波德布羅意波 德布羅意提出，實物粒子也具有德布羅意提出，實物粒子也具有波動波動性性，該波后來被稱為，該波后來被稱為德布羅意德布羅意波，也稱波，也稱為為物質(zhì)物質(zhì)波波. .7.7.概率波概率波 光波和物質(zhì)波都是概率波，單個光子或光波和物質(zhì)波都是概率波，單個光子或粒子的位置是粒子的位置是不確定的不確定的，但在某點附近，但在某點附近出現(xiàn)的概率大小可以由波動的規(guī)律確定出現(xiàn)的概率大小可以由波動的規(guī)律確定. .8.8.不確定關(guān)系不確定關(guān)系 以以x x表示粒子位置的不確定量，以表示粒子位置的

7、不確定量，以p p表示粒子在表示粒子在x x方向上動量的不確定量，那方向上動量的不確定量，那么么x xp p ，式中，式中h h為普朗克常量為普朗克常量4h類型一.光電效應現(xiàn)象【例【例1 1】 對愛因斯坦光電效應方程對愛因斯坦光電效應方程E Ek k= =hhW W0 0，下面的理解正確的有（，下面的理解正確的有（ ）A.A.只要是用同種頻率的光照射同一種金屬，只要是用同種頻率的光照射同一種金屬，那么從金屬中逸出的所有光電子都會具有那么從金屬中逸出的所有光電子都會具有同樣的初動能同樣的初動能E Ek kB.B.式中的式中的W W0 0表示每個光電子從金屬中飛出表示每個光電子從金屬中飛出過程中克

8、服金屬中正電荷引力所做的功過程中克服金屬中正電荷引力所做的功 C.C.逸出功逸出功W W0 0和極限頻率和極限頻率c c之間應滿足關(guān)系之間應滿足關(guān)系式式W W0 0= =hhc cD.D.光電子的最大初動能和入射光的頻率成光電子的最大初動能和入射光的頻率成正比正比 針對訓練針對訓練1 1：如圖所示，當開關(guān)：如圖所示，當開關(guān)S S斷開時，用斷開時，用光子能量為光子能量為2.5 eV2.5 eV的一束光照射陰極的一束光照射陰極P P，發(fā)現(xiàn)電，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零流表讀數(shù)不為零. .合上開關(guān)，調(diào)節(jié)滑線變阻器，合上開關(guān)，調(diào)節(jié)滑線變阻器，發(fā)現(xiàn)當電壓表讀數(shù)小于發(fā)現(xiàn)當電壓表讀數(shù)小于0.6 V0.6 V時，電

9、流表讀數(shù)仍時，電流表讀數(shù)仍不為零；當電壓表讀數(shù)大于或等于不為零；當電壓表讀數(shù)大于或等于0.6 V0.6 V時，電時，電流表讀數(shù)為零流表讀數(shù)為零. .由此可知陰極材料的逸出功為由此可知陰極材料的逸出功為（ ） A.1.9 eV B.0.6 eV C.2.5 eV D.3.1 eV類型二類型二. .光的波粒二象性光的波粒二象性【例【例2 2】下列關(guān)于光具有波粒二象性的】下列關(guān)于光具有波粒二象性的敘述中正確的是（敘述中正確的是（ ）A.A.光的波動性與機械波，光的粒子性與光的波動性與機械波，光的粒子性與質(zhì)點都是等同的質(zhì)點都是等同的B.B.大量光子的效果往往顯示出波動性，大量光子的效果往往顯示出波動性

10、，個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性C.C.光有波動性又有粒子性，是互相矛盾光有波動性又有粒子性，是互相矛盾的，是不能統(tǒng)一的的，是不能統(tǒng)一的D.D.光的頻率越高，波動性越顯著光的頻率越高，波動性越顯著針對訓練針對訓練2 2：下列有關(guān)光的波粒二象性的：下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的是（說法中，正確的是（ ）A.A.有的光是波，有的光是粒子有的光是波，有的光是粒子B.B.光子與電子是同樣的一種粒子光子與電子是同樣的一種粒子C.C.光的波長越長，其波動性越顯著；波光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著長越短，其粒子性越顯著D.D.大量光子的行

11、為往往顯示出粒子性大量光子的行為往往顯示出粒子性類型三類型三. .德布羅意波德布羅意波【例【例3 3】某金屬晶體中晶格大小為】某金屬晶體中晶格大小為a a. .電子電子經(jīng)加速電場加速，形成電子束，電子束經(jīng)加速電場加速，形成電子束，電子束照射該金屬晶體時，獲得明顯的衍射圖照射該金屬晶體時，獲得明顯的衍射圖樣樣. .問這個加速電場的電壓約為多少問這個加速電場的電壓約為多少? ?（已知電子的電荷量為（已知電子的電荷量為e e，質(zhì)量為，質(zhì)量為m m）針對訓練針對訓練3 3：用顯微鏡觀看細微結(jié)構(gòu)時，：用顯微鏡觀看細微結(jié)構(gòu)時，由于受到衍射現(xiàn)象的影響而觀察不清，由于受到衍射現(xiàn)象的影響而觀察不清，因此觀察越細

12、小的結(jié)構(gòu)，就要求波長越因此觀察越細小的結(jié)構(gòu)，就要求波長越短，波動性越弱短，波動性越弱. .在加速電壓值相同的情在加速電壓值相同的情況下，電子顯微鏡與質(zhì)子顯微鏡的分辨況下，電子顯微鏡與質(zhì)子顯微鏡的分辨本領(lǐng)，下列判定正確的是（本領(lǐng)，下列判定正確的是（ ）A.A.電子顯微鏡分辨本領(lǐng)較強電子顯微鏡分辨本領(lǐng)較強B.B.質(zhì)子顯微鏡分辨本領(lǐng)較強質(zhì)子顯微鏡分辨本領(lǐng)較強C.C.兩種顯微鏡分辨本領(lǐng)相同兩種顯微鏡分辨本領(lǐng)相同D.D.兩種顯微鏡分辨本領(lǐng)不便比較兩種顯微鏡分辨本領(lǐng)不便比較【補充例【補充例1 1】 如圖所示，陰極如圖所示，陰極K K用極限波長用極限波長0=0.66 m0=0.66 m的金屬銫制成的金屬銫制

13、成. .用波長用波長=0.50 =0.50 mm的綠光照射陰極的綠光照射陰極K K，調(diào)整兩個極板間的電，調(diào)整兩個極板間的電壓，當壓，當A A板電壓比陰極高出板電壓比陰極高出2.5 V2.5 V時，光電流時，光電流達到飽和達到飽和. .電流表示數(shù)為電流表示數(shù)為0.64 A.0.64 A.求：求：（1 1）每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛）每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極時的最大初動能出陰極時的最大初動能. .（2 2）如果把照射陰極的綠光）如果把照射陰極的綠光的光強增大為原來的的光強增大為原來的2 2倍倍. .每每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極的最大初動能光電子飛出陰極的最大初動能. .【補充例【補充例2 2】 試估算一個中學生在跑百試估算一個中學生在跑百米時的德布羅意波的波長米時的德布羅意波的波長. .【補充例【補充例3 3】為了觀察到納米級的微小結(jié)構(gòu)，】為了觀察到納米級的微小結(jié)構(gòu)，需要用到分辨率比光學顯微鏡更高的電子顯微需要用到分辨率比光學顯微鏡更高的電子顯微鏡鏡. .下列說法中正確的是（下列說法中正確的是（ ）A.A.電子顯微鏡所利用電子物質(zhì)波的波長可以比電子顯微鏡所利用電子物質(zhì)波的波長可以比可見光短，因此不容易發(fā)生明顯衍射可見光短，因此不容易發(fā)生明顯衍射B.B