第4節(jié)

初識光量子與量子世界

1.光的本質(zhì)19世紀(jì)60年代,英國物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)立的經(jīng)典電磁場理論揭示出“光是一種電磁波”。2.光電效應(yīng)用光照射金屬使金屬發(fā)射出電子的現(xiàn)象。3.光子光不僅在發(fā)射和吸收時能量是一份一份的,而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的,這些能量子被稱為光子。4.波粒二象性:光既具有粒子性,又具有波動性。一、光的量子化【思考】你對光電效應(yīng)中的“光”是怎樣認(rèn)識的提示:這里的光,可以是可見光,也可以是紫外線、X光等。二、初識量子世界【思考】每一個運動的物體都有一個對應(yīng)的波,為什么觀察不到一粒飛行著的子彈的波動性?提示:宏觀物體在運動時,我們觀察不到它們的波動性,但也有一個波與之對應(yīng),只是對應(yīng)飛行的子彈的波的波長太小了,所以觀察不到子彈的波動性,但一粒飛行著的子彈的波動性還是存在的。1.普朗克認(rèn)為,當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時,只能輻射或吸收某個最小能量值的整數(shù)倍。這個不可再分的最小能量值ε叫作量子。2.量子大小:ε=hv,其中ν是電磁波的頻率,h稱為普朗克常量。h=6.626×10-34J·s(一般取h=6.63×10-34J·s)。3.量子化:所謂量子或量子化,本質(zhì)是不連續(xù)的。在宏觀領(lǐng)域中這種量子化相對宏觀量或宏觀尺度極微小,完全可以忽略不計。在微觀世界里,量子化是明顯的。一光的量子化1.光的波動說:光能發(fā)生干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。2.光電效應(yīng)產(chǎn)生條件:金屬板電子要脫離原子核的引力,有一個最小能量,最小能量對應(yīng)發(fā)生光電效應(yīng)時入射光的最小頻率,即極限頻率。入射光的頻率大于極限頻率才能發(fā)生光電效應(yīng)。3.光的波粒二象性(1)光的粒子性并不否定光的波動性,波動性和粒子性都是光的本質(zhì)屬性,只是在不同條件下的表現(xiàn)不同。當(dāng)光與其他物質(zhì)發(fā)生作用時,表現(xiàn)出粒子的性質(zhì);少量或個別光子易顯示出光的粒子性;頻率高波長短的光,粒子性顯著。大量光子在傳播時表現(xiàn)為波動性;頻率低波長長的光,波動性顯著。(2)只有從波粒二象性的角度,才能統(tǒng)一說明光的各種表現(xiàn)。光的波動性和粒子性是統(tǒng)一的?！舅伎肌び懻摗刻柟鈴男】咨淙胧覂?nèi)時,我們從側(cè)面可以看到這束光;白天的天空各處都是亮的;宇航員在太空中,盡管太陽光線耀眼刺目,其他方向的天空卻是黑的,為什么?(科學(xué)思維)提示:地球上存在著大氣,太陽光經(jīng)大氣中的微粒散射后傳向各個方向;而在太空的真空環(huán)境下,光不再散射,只向前傳播。【典例】關(guān)于光的波粒二象性,下列說法中正確的是 (

)A.光的頻率越高,衍射現(xiàn)象越容易看到B.光的頻率越低,粒子性越顯著C.大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動性D.光的波粒二象性否定了光的電磁說【解析】選C。光具有波粒二象性,波粒二象性并不否定光的電磁說,只是說某些情況下粒子性明顯,某些情況下波動性明顯,故D錯誤。光的頻率越高,波長越短,粒子性越明顯,波動性越不明顯,越不易看到其衍射現(xiàn)象,故A、B錯誤。大量光子的行為表現(xiàn)出波動性,個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性,故C對。1.下列說法中正確的是 (

)A.光子說否定了光的電磁說B.光電效應(yīng)現(xiàn)象反映了光的粒子性C.光電效應(yīng)證明了光的粒子性,從而否定了光的波動性D.大量光子產(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波動性【解析】選B。光既有粒子性,又有波動性,但這兩種特性并不矛盾。光子說和電磁說各自能解釋光特有的現(xiàn)象,兩者構(gòu)成一個統(tǒng)一的整體。光電效應(yīng)反映了光的粒子性,但并沒有否定光的波動性。少量光子產(chǎn)生的效果往往粒子性比較明顯,大量光子往往表現(xiàn)出波動性,所以只有B項正確。2.有關(guān)光的本性,下列說法正確的是 (

)A.光既具有波動性,又具有粒子性,這是互相矛盾和對立的B.光的波動性類似于機械波,光的粒子性類似于質(zhì)點C.大量光子才具有波動性,個別光子只具有粒子性D.由于光既有波動性,又有粒子性,無法只用其中一種去說明光的一切行為,只能認(rèn)為光具有波粒二象性【解析】選D。19世紀(jì)初,人們成功地在實驗中觀察到了光的干涉、衍射現(xiàn)象,這屬于波的特性,微粒說無法解釋;但到了19世紀(jì)末又發(fā)現(xiàn)了光的新現(xiàn)象——光電效應(yīng),這種現(xiàn)象波動說不能解釋,證實光具有粒子性。因此,光既具有波動性,又具有粒子性,但不同于宏觀的機械波和機械粒子,波動性和粒子性是光在不同的情況下的不同表現(xiàn),是同一客體的兩個不同側(cè)面、不同屬性,只能認(rèn)為光具有波粒二象性,故選項A、B、C錯,D正確。3.(多選)對光的認(rèn)識,下列說法中正確的是 (

)A.個別光子的行為表現(xiàn)為粒子性,大量光子的行為表現(xiàn)為波動性B.光的波動性是光子本身的一種屬性,不是光子之間的相互作用引起的C.光表現(xiàn)出波動性時,就不具有粒子性了;光表現(xiàn)出粒子性時,就不具有波動性了D.光的波粒二象性應(yīng)理解為:在某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯,在另外某種場合下,光的粒子性表現(xiàn)明顯【解析】選A、B、D。個別光子的行為表現(xiàn)為粒子性,大量光子的行為表現(xiàn)為波動性;光與物質(zhì)相互作用,表現(xiàn)為粒子性,光的傳播表現(xiàn)為波動性;光的波動性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性,因為波動性表現(xiàn)為粒子分布概率,光的粒子性表現(xiàn)明顯時仍具有波動性,因為大量粒子的個別行為呈現(xiàn)出波動規(guī)律,則A、B、D正確,C錯誤。二量子世界1.光子的能量即每個光子的能量,其值為ε=hν(ν為光子的頻率),其大小由光的頻率決定。2.宏觀世界量子化可以忽略,微觀世界量子化明顯?！镜淅款l率為ν的光子,具有的能量為hν,將這個光子打在處于靜止?fàn)顟B(tài)的電子上,光子將偏離原運動方向,這種現(xiàn)象稱為光子的散射。下列關(guān)于光子散射的說法正確的是(

)A.光子改變原來的運動方向,且傳播速度變小B.光子由于在與電子碰撞中獲得能量,因而頻率增大C.由于受到電子碰撞,散射后的光子頻率大于入射光子的頻率D.由于受到電子碰撞,散射后的光子頻率小于入射光子的頻率【解析】選D。碰撞后光子改變原來的運動方向,但傳播速度不變,光子由于在與電子碰撞中損失能量,因而頻率減小,即ν1>ν2,則D正確,A、B、C錯誤。1.(多選)對于帶電微粒的輻射和吸收能量時的特點,以下說法正確的是(

)A.以某一個最小能量值一份一份地輻射或吸收B.輻射和吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍C.吸收的能量可以是連續(xù)的D.輻射和吸收的能量是量子化的【解析】選A、B、D。根據(jù)普朗克能量子假說,帶電粒子的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍,能量的輻射、吸收要一份一份地進(jìn)行,故A、B、D正確。【解析】選A。因每秒有6個綠光的光子射入瞳孔,所以察覺到綠光所接收的最小功率P=,式中E=6ε,又ε=hν=h,可解得P=W=2.3×10-18W。則A正確,B、C、D錯誤。2.人眼對綠光最為敏感,正常人的眼睛接收到波長為530nm的綠光時,只要每秒有6個綠光的光子射入瞳孔,眼睛就能察覺。普朗克常量為6.63×10-34J·s,光速為3.0×108m/s,則人眼能察覺到綠光時所接收到的最小功率是(

)A.2.3×10-18W

B.3.8×10-19WC.7.0×10-10W D.1.2×10-18W1.下列說法正確的是 (

)A.一束傳播的光,有的光是波,有的光是粒子B.光波與機械波是同樣的一種波C.光的波動性是由于光子間的相互作用而形成的D.光是一種波,同時也是一種粒子,光子說并未否定電磁說,在光子能量ε=hν中,頻率ν仍表示的是波的特性【解析】選D。光是一種波,同時也是一種粒子,光具有波粒二象性,當(dāng)光和物質(zhì)作用時,是“一份一份”的,表現(xiàn)出粒子性;單個光子通過雙縫后在空間各點出現(xiàn)的可能性可以用波動規(guī)律描述,表現(xiàn)出波動性。粒子性和波動性是光子本身的一種屬性,光子說并未否定電磁說。則D正確,A、B、C錯誤。2.(多選)對一束太陽光進(jìn)行分析,下列說法正確的是 (

)A.太陽光是由各種單色光組成的復(fù)合光B.組成太陽光的各單色光中,能量最強的光為紅光C.組成太陽光的各單色光中,能量最強的光為紫光D.組成太陽光的各單色光的能量都相同【解析】選A、C。由公式ε=hν可以知道,光的頻率越大能量越強,組成太陽光的各單色光中,紫光的頻率最大,故其能量最強。則A、C正確,B、D錯誤。【典例】圖甲是光電效應(yīng)的實驗裝置圖,圖乙是光電流與加在陰極K和陽極A上的電壓的關(guān)系圖像,下列說法不正確的是 (

)A.由圖線①、③可知在光的顏色不變的情況下,入射光越強,飽和電流越大B.由圖線①、②、③可知對某種確定的金屬來說,其遏止電壓只由入射光的頻率決定C.遏止電壓越大,說明從該金屬中逃出來的光電子的最大初動能越大D.不論哪種顏色的入射光,只要光足夠強,就能發(fā)生光電效應(yīng)【解析】選D。由圖線①、③可知在光的顏色不變的情況下,入射光越強,飽和電流越大,故A說法正確;