高中物理 第6章 经典力学与现代物理 6.4 微观世界与量子论学案 沪科版必修2

6.4 微观世界与量子论思维激活 如图6-4-1所示，大千世界，五彩斑斓，雨后彩虹令人赏心悦目，蓝天白云使人心旷神怡，大街上闪烁的霓虹灯令人目不暇接这一切都是“光”的杰作.我们生活在一个光的世界，可是你有没有想过，“光”到底是一种怎样的物质呢？图6-4-1 提示 在研究光的本性的历史上，具有代表性的学说有五种.（1）微粒说：这个学说是17世纪末提出的，代表人物是牛顿.牛顿根据光的直线传播、光的反射和折射、光具有能量等特点，提出光是由一种具有完全弹性的球形微粒大量聚集而成的，这些微粒在均匀介质中以极高的速度做直线运动.（2）波动说：这个学说的代表人物是与牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯.他根据光与机械波有类似特征，提出光是以光源为振源的某种振动，光是在一种特殊的弹性物质“以太”中传播的弹性机械波.但实验证明这种“以太”物质是不存在的.从现代光学论来看，微粒说和波动说都没有能揭示光的实质.在当时的实验条件下各自只能解释一些光现象，但又有一些无法解释的问题.（3）电磁说：这个学说的代表人物是麦克斯韦.19世纪后期，麦克斯韦根据理论上得到的电磁波的速度与实际测得的光速相同、电磁波和光都可以在真空中传播而不需要介质等，预言光是一种电磁波.后经赫兹实验证实电磁波确实存在，这样光的电磁说就诞生了.经过科学家的努力，测出了光波的波长，并同各种电磁波一起组成了排列有序的电磁波谱，光作为一种电磁波在电磁波谱中占据了它应有的位置.光的电磁说使光的波动理论发展到了相当完美的程度，取得了很大的进步，使人们在对光的认识上跨进了一大步.（4）光子说：这个学说的代表人物是爱因斯坦.光子说的要点是：光由光子组成，在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，每个光子具有能量Eh.（5）光的波粒二象性：现在，科学家对光的本性的认识是：光具有波粒二象性.个别光子的行为显示出粒子性；频率越高的光子，能量越大，粒子性越明显，但这种粒子又不同于宏观现象中的质点；大量光子的作用显示出波动性，频率越低，波动性越明显，但它又不同于机械波，亦不同于电磁振荡产生的电磁波.自主整理一、光电效应1.定义：当紫外线这一类波长较短的光照射金属表面时，金属便有电子逸出.这种现象称为光电效应.2.光电效应的规律每一种金属都有发生光电效应的极限频率0，入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应.光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大.当入射光的频率大于极限频率时，光电流与入射光强度成正比.从光照射到物体至发射出光电子的时间几乎是瞬时的，一般不超过10-9 s.3.光子说（1）概述：爱因斯坦于1905年提出光子说.光在空间的传播是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，一个光子的能量为E=h，为光的频率，普朗克常量h=6.6310-34 Js.光子具有动量和能量.4.光的波粒二象性：光既是电磁波，又具有粒子的特征，即光具有波粒二象性.一切辐射（电磁波和热辐射）都具有波粒二象性.二、连续光谱与线光谱1.连续光谱形式：连续光谱是由连续分布的一切波长的光组成.产生：炽热的固体及液体和高（气）压气体直接发光时形成连续光谱.2.线状光谱（分为明线光谱和吸收光谱）形式：明线光谱由一些不连续的亮线组成，吸收光谱是在连续光谱的背景上分布着若干条暗线.产生：稀薄气体发光形成明线光谱，当白光通过气体时，才形成吸收光谱（暗线光谱）.特征谱线：每种元素的原子只能发出某些具有特定波长的光谱线，这些光谱线叫做那种元素的特征谱线，线状谱和吸收谱都属于特征谱线.同种元素的线状谱中的明线和吸收光谱中的暗线是一一对应的，通常看到的吸收光谱中的暗线要比线状谱中的亮线要少一些.3.能级（1）定义：原子的不连续的能量状态叫做能级.（2）基态：原子最低能级所对应的状态叫做基态.（3）激发态：比基态能量高的状态叫激发态.4.玻尔理论对线状光谱的解释原子处于一系列不连续的能量状态中，当原子从高能级向低能级跃迁时会发射光子；当原子吸收光子时可从较低能级跃迁到较高能级.三、实物粒子与波德布罗意理论指出，每个物质粒子都伴随着一种波，这种波称为物质波，又称为概率波.德布罗意理论揭示了物质（包括光和电子）的统一性.德布罗意波波长公式为=式中是波长，p是实物的动量，h是普朗克常量.德布罗意波的一个重要应用就是电子显微镜的发明.高手笔记1.经典理论“光的波动说”解释光电效应遇到的困难（1）光的波动说认为，光的能量由光的强度决定，光的强度又是由光的振幅决定的，跟频率无关，只要光的强度足够大或照射时间足够长，都会使电子获得足够的能量产生光电效应，跟光的频率无关.这一点与实验结果矛盾.（2）波动理论不能解释光电子的最大初动能只与光的频率有关.（3）产生光电效应的时间极短，也跟波动理论有尖锐的矛盾.2.光子说对光电效应的解释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，动能立刻就增加了，不需要积累能量的过程.如果电子的动能足够大，能够克服内部原子核对它的引力，就可以离开金属表面逃逸出来，成为光电子.当然，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.唯独金属表面上的电子，只要克服金属原子核的引力做功，就能从金属中逸出.这个功叫做逸出功.如果入射光子的频率比较低，它的能量小于金属的逸出功，就不能产生光电效应了，这就是存在极限频率的原因.不同金属的逸出功是不同的，所以它们的极限频率也不同.3.光的波粒二象性（1）光的波动性光在传播过程中主要表现为具有波动性，光波具有一定的频率和波长.光的波动性是大量光子的集体行为.（2）光的粒子性光在与其他物质发生相互作用时主要表现为粒子性，光子具有一定的能量和动量（p=h/）.例如，光电效应是光子与金属原子相互作用时发生的现象.光的粒子性是少量光子的个别行为.例如，在光发生光电效应时，每入射一个光子，从金属中只能发射出一个光电子，总是一对一的关系.即使入射光子的能量是发射出光电子所需能量（逸出功）的2倍，也不可能入射一个光子，却一下发射出两个电子，那份多余的能量只是用来增加光电子的最大初动能.4.玻尔的原子理论（1）定态量子化假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫做定态.（2）跃迁量子化假设：原子从一种定态（Em）跃迁到另一种定态（En）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即h=|Em-En|.（3）能量量子化假设：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应.原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的.名师解惑1.怎样理解光的强度？剖析：光的强度是指单位时间内在垂直于光的传播方向单位面积上通过的光的能量.若单位时间射到金属表面上单位面积的光子数为n，每个光子的能量为h，则光强为nh.对同频率的光来说，光的强度显然由单位时间内照到金属上的光子数决定.对不同频率的光来说，光子数相同时，频率高的能量大.2.怎样理解原子光谱是不连续的？剖析：（1）原子发生能级跃迁时所发射和吸收的光子的频率由下式决定：hEm-En.（2）由于能量的不连续性，从而决定了对应的光波波长的不连续性，不同原子的结构不同，对应的能级也不相同，因此发射出的光所对应的光波波长也不相同，各自有其对应的特征谱线.这就表明原子光谱是分立的线状谱.3.宏观物体也具有波粒二象性吗？剖析：电子、质子等微观粒子具有波粒二象性已是无可争议的事实，因为人们已经通过实验观察到了它们的干涉和衍射等现象.宏观物体由于运动动量较大，根据德布罗意波长与动量的关系=，波长非常非常小，尽管不容易观察到它们的干涉、衍射等波的现象，但它们仍然具有波动性，有它们的波长，因此宏观物体也具有波粒二象性.3