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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=6.6310-34Js)。(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_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。,光子,(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。,【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=6.6310-34Js,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=6.6310-34J=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】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,=-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、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】,
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