第3講光的粒子性知識(shí)梳理知識(shí)梳理一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)1.在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng),發(fā)射出的電子叫光電子。光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如下:(1)任何一種金屬都有一個(gè)極限頻率,入射光的頻率必須大于大于這個(gè)極限頻率,才能產(chǎn)生光電效應(yīng),低于這個(gè)頻率的光不能使金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)。(2)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān),只隨入射光頻率的增大增大而增大。(3)入射光照射到金屬上時(shí),光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的,一般不超過(guò)10-9 s。(4)當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí),光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比正比。2.愛(ài)因斯坦為解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象,提出了光子說(shuō),其內(nèi)容為:空間傳播的光是不連續(xù)的,是一份一份的,每一份叫做一個(gè)光子光子,每個(gè)光子的能量為=h。3.光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)方程最大初動(dòng)能與入射光頻率之間的關(guān)系:=h-W(或Ek=h-W)。若入射光子的能量恰等于金屬的逸出功逸出功,則光電子的最大初動(dòng)能為零,入射光的頻率就是該金屬的極限頻率。此時(shí)有h0=W,即0=,可求出極限頻率,反過(guò)來(lái)從實(shí)驗(yàn)中測(cè)出金屬的極限頻率0,也可求出逸出功。22mvWh二、光的波粒二象性、物質(zhì)波二、光的波粒二象性、物質(zhì)波1.光具有波粒二象性光具有波粒二象性光的波粒二象性,既不能把光波理解成宏觀狀態(tài)的波,也不能把光子當(dāng)成實(shí)物粒子。大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動(dòng)性波動(dòng)性(如光的干涉、衍射現(xiàn)象),個(gè)別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性粒子性(如光子與電子的相互作用);頻率越低低的光波動(dòng)性越明顯,頻率越高高的光粒子性越明顯;光在傳播過(guò)程中往往顯示出波動(dòng)波動(dòng)性,在與物質(zhì)作用時(shí)往往顯示出粒子粒子性。2.物質(zhì)波物質(zhì)波一切運(yùn)動(dòng)的微觀粒子都具有波粒二象性,其波長(zhǎng)與動(dòng)量的關(guān)系都符合德布羅意公式=,這種波叫做物質(zhì)波或德布羅意波。物質(zhì)波是一種概率波概率波。hp1.光的散射光的散射:由于光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒的相互作用,使光的傳播方向傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象,叫做光的散射。三、康普頓效應(yīng)三、康普頓效應(yīng)2.康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng):在光的散射中,除有與入射波長(zhǎng)0相同的成分外,還有波長(zhǎng)大于大于0的成分,這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。1.在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中,原來(lái)不帶電的一塊鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連,用弧光燈照射鋅板時(shí),驗(yàn)電器的指針張開(kāi)一個(gè)角度,如圖所示,這時(shí)()A.鋅板帶正電,指針帶負(fù)電 B.鋅板帶正電,指針帶正電C.鋅板帶負(fù)電,指針帶正電 D.鋅板帶負(fù)電,指針帶負(fù)電B答案答案 B鋅板受弧光燈照射,吸收光子發(fā)生光電效應(yīng),放出光電子,鋅板因失去電子而帶正電,與鋅板連在一起的靜電計(jì)指針也帶正電。2.用單色光照射某種金屬表面發(fā)生光電效應(yīng)。已知單色光的頻率為,金屬的逸出功為W,普朗克常量為h,光電子的最大初動(dòng)能為Ek,下列關(guān)于它們之間關(guān)系的表達(dá)式正確的是()A.Ek=h-W B.Ek=h+WC.W=Ek-h D.W=Ek+h答案答案 A由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程可知,A正確。A3.一單色光照到某金屬表面時(shí),有光電子從金屬表面逸出,下列說(shuō)法中正確的是()A.增大入射光的頻率,金屬的逸出功將增大B.增大入射光的頻率,光電子的最大初動(dòng)能將增大C.增大入射光的強(qiáng)度,光電子的最大初動(dòng)能將增大D.延長(zhǎng)入射光照射時(shí)間,光電子的最大初動(dòng)能將增大答案答案 B題干敘述現(xiàn)象為光電效應(yīng),Ek=h-W,逸出功由金屬材料決定,A選項(xiàng)錯(cuò);增大入射光的頻率,光電子的最大初動(dòng)能Ek增大,B項(xiàng)正確;增大入射光的強(qiáng)度,光電子的最大初動(dòng)能不變,C項(xiàng)錯(cuò);延長(zhǎng)入射光照射時(shí)間,光電子的最大初動(dòng)能不改變,D項(xiàng)錯(cuò)。B4.對(duì)光的認(rèn)識(shí),以下說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A.個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性,大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性B.光的波動(dòng)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(dòng)性時(shí),就不具有粒子性了,光表現(xiàn)出粒子性時(shí),就不具有波動(dòng)性了D.光的波粒二象性應(yīng)理解為:在某種情況下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯,在另外某種情況下,光的粒子性表現(xiàn)明顯答案答案 C往往個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性,大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性;通常光與物質(zhì)相互作用時(shí)表現(xiàn)出粒子性,光的傳播規(guī)律表現(xiàn)出波動(dòng)性,光的波動(dòng)性和粒子性都是光的本身的一種屬性,光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯時(shí)仍具有粒子屬性,光的粒子性表現(xiàn)明顯時(shí)仍具有波動(dòng)性。C深化拓展深化拓展考點(diǎn)一考點(diǎn)一對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律的理解對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律的理解考點(diǎn)二考點(diǎn)二對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究方法對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究方法考點(diǎn)三考點(diǎn)三有關(guān)光的能量問(wèn)題的綜合分析有關(guān)光的能量問(wèn)題的綜合分析深化拓展深化拓展考點(diǎn)一對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律的理解考點(diǎn)一對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律的理解1.用光子說(shuō)解釋光電效應(yīng)及其規(guī)律用光子說(shuō)解釋光電效應(yīng)及其規(guī)律(1)光照射金屬時(shí),電子吸收一個(gè)光子(形成光電子)的能量后,動(dòng)能立即增大,不需要積累能量的過(guò)程。(2)電子從金屬表面逸出,首先需克服金屬表面原子核的引力做功(逸出功W)。要使入射光子的能量不小于W,對(duì)應(yīng)頻率0=為極限頻率。(3)光電子的最大初動(dòng)能只隨入射光頻率的增大而增大。(4)入射光越強(qiáng),單位時(shí)間內(nèi)入射到金屬表面的光子數(shù)越多。Wh2.掌握以下兩條決定關(guān)系掌握以下兩條決定關(guān)系(1)入射光頻率決定光子能量決定光電子最大初動(dòng)能。(2)入射光強(qiáng)度決定單位時(shí)間內(nèi)接收的光子數(shù)決定單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)。1-1 (2017北京東城二模,19)如圖所示,把一塊不帶電的鋅板連接在驗(yàn)電器上。當(dāng)用紫外線照射鋅板時(shí),發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器指針偏轉(zhuǎn)一定角度,則()A.鋅板帶正電,驗(yàn)電器帶負(fù)電B.若改用強(qiáng)度更小的紫外線照射鋅板,驗(yàn)電器的指針也會(huì)偏轉(zhuǎn)C.若改用紅外線照射鋅板,驗(yàn)電器的指針仍然會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)D.這個(gè)現(xiàn)象可以說(shuō)明光具有波動(dòng)性B答案答案 B紫外線使鋅板發(fā)生光電效應(yīng),鋅板失去電子而帶正電,則與之連接的驗(yàn)電器也帶正電。紅外線的頻率小于鋅的截止頻率,不發(fā)生光電效應(yīng),驗(yàn)電器的指針不偏轉(zhuǎn)。該現(xiàn)象說(shuō)明光具有粒子性?？键c(diǎn)二對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究方法考點(diǎn)二對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究方法1.實(shí)驗(yàn)研究電路實(shí)驗(yàn)研究電路 2.實(shí)驗(yàn)圖像實(shí)驗(yàn)圖像顏色相同、強(qiáng)度不同的光,光電流與電壓的關(guān)系遏止電壓Uc:圖線與橫軸的交點(diǎn)飽和光電流Im:電流的最大值最大初動(dòng)能:Ek=eUc強(qiáng)度相同、顏色不同時(shí),光電流與電壓的關(guān)系遏止電壓Uc1、Uc2飽和光電流:I1、I2最大初動(dòng)能Ekl=eUc1、Ek2=eUc2遏止電壓Uc與入射光頻率的關(guān)系圖線截止頻率0:圖線與橫軸的交點(diǎn)遏止電壓Uc:隨入射光頻率的增大而增大普朗克常量h:等于圖線的斜率與電子電量的乘積,即h=ke(注:此時(shí)兩極之間接反向電壓)3.兩條關(guān)系兩條關(guān)系(1)光的強(qiáng)度與飽和光電流的關(guān)系對(duì)相同頻率的入射光:飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比。對(duì)不同頻率的入射光:由于每個(gè)光子的能量不同,飽和光電流與入射光強(qiáng)度之間沒(méi)有簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。(2)遏止電壓與最大初動(dòng)能的關(guān)系Ek=eUc。2-1 (2013北京理綜,20,6分)以往我們認(rèn)識(shí)的光電效應(yīng)是單光子光電效應(yīng),即一個(gè)電子在極短時(shí)間內(nèi)只能吸收到一個(gè)光子而從金屬表面逸出。強(qiáng)激光的出現(xiàn)豐富了人們對(duì)于光電效應(yīng)的認(rèn)識(shí),用強(qiáng)激光照射金屬,由于其光子密度極大,一個(gè)電子在極短時(shí)間內(nèi)吸收多個(gè)光子成為可能,從而形成多光子光電效應(yīng),這已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖。用頻率為的普通光源照射陰極K,沒(méi)有發(fā)生光電效應(yīng)。換用同樣頻率的強(qiáng)激光照射陰極K,則發(fā)生了光電效應(yīng);此時(shí),若加上反向電壓U,即將陰極K接電源正極,陽(yáng)極A接電源負(fù)極,在K、A之間就形成了使光電子減速的電場(chǎng)。逐漸增大U,光電流會(huì)逐漸減小;當(dāng)光電流恰好減小到零時(shí),所加反向電壓U可能是下列的(其中W為逸出功,h為普朗克常量,e為電子電量)()A.U=-B.U=-C.U=2h-W D.U=-heWe2heWe52heWeB答案答案 B同頻率的光照射K極,普通光不能使其發(fā)生光電效應(yīng),而強(qiáng)激光能使其發(fā)生光電效應(yīng),說(shuō)明一個(gè)電子吸收了多個(gè)光子。設(shè)吸收的光子個(gè)數(shù)為n,光電子逸出的最大初動(dòng)能為Ek,由光電效應(yīng)方程知:Ek=nh-W(n2);光電子逸出后克服減速電場(chǎng)做功,由動(dòng)能定理知Ek=eU,聯(lián)立上述兩式得U=-,當(dāng)n=2時(shí),即為B選項(xiàng),其他選項(xiàng)均不可能。nheWe2-2從1907年起,密立根就開(kāi)始測(cè)量金屬的遏止電壓Uc(即圖甲所示的電路中電流表G的讀數(shù)減小到零時(shí)加在電極K、A之間的反向電壓)與入射光的頻率,由此算出普朗克常量h,并與普朗克根據(jù)黑體輻射得出的h相比較,以檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性。按照密立根的方法我們利用圖示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到了某金屬的Uc-圖像如圖乙所示。下列說(shuō)法正確的是()甲A 乙A.該金屬的截止頻率約為4.271014 HzB.該金屬的截止頻率約為5.501014 HzC.該圖線的斜率為普朗克常量D.該圖線的斜率為這種金屬的逸出功答案答案 A設(shè)金屬的逸出功為W0,截止頻率為c,則W0=hc,光電子的最大初動(dòng)能Ek與遏止電壓Uc的關(guān)系是Ek=eUc,由光電效應(yīng)方程有Ek=h-W0。聯(lián)立兩式可得:Uc=-c,故Uc-圖線的斜率為,C、D錯(cuò)誤。當(dāng)Uc=0時(shí),可解得=c,此時(shí)讀圖可知,4.31014 Hz,即金屬的截止頻率約為4.31014 Hz,在誤差允許范圍內(nèi),可以認(rèn)為A正確,B錯(cuò)誤。hehehe考點(diǎn)三有關(guān)光的能量問(wèn)題的綜合分析考點(diǎn)三有關(guān)光的能量問(wèn)題的綜合分析光子學(xué)說(shuō)認(rèn)定每個(gè)光子有一定的能量=h,而光強(qiáng)是光子總能量的體現(xiàn),即E=Nh。可以把光子能量與其他有關(guān)能量的知識(shí)聯(lián)系起來(lái),構(gòu)成綜合性的題目。3-1 (2017北京理綜,18,6分)2017年年初,我國(guó)研制的“大連光源”極紫外自由電子激光裝置,發(fā)出了波長(zhǎng)在100 nm(1 nm=10-9 m)附近連續(xù)可調(diào)的世界上最強(qiáng)的極紫外激光脈沖。大連光源因其光子的能量大、密度高,可在能源利用、光刻技術(shù)、霧霾治理等領(lǐng)域的研究中發(fā)揮重要作用。一個(gè)處于極紫外波段的光子所具有的能量可以電離一個(gè)分子,但又不會(huì)把分子打碎。據(jù)此判斷,能夠電離一個(gè)分子的能量約為(取普朗克常量h=6.610-34 Js,真空光速c=3108 m/s)()A.10-21 JB.10-18 JC.10-15 JD.10-12 JBc答案答案 B由題意知,電離一個(gè)分子的能量等于照射分子的光子能量,E=h=h=210-18 J,故選項(xiàng)B正確。3-2太陽(yáng)光垂直射到地面上時(shí),地面上1 m2接受的太陽(yáng)光的功率為1.4 kW,其中可見(jiàn)光部分約占45%。(1)假如認(rèn)為可見(jiàn)光的波長(zhǎng)約為0.55 m,日地間距離R=1.51011 m。普朗克常量h=6.610-34 Js,估算太陽(yáng)每秒輻射出的可見(jiàn)光光子數(shù)為多少?(2)若已知地球的半徑為6.4106 m,估算地球接受的太陽(yáng)光的總功率。答案答案(1)4.91044個(gè)(2)1.81014 kW解析解析構(gòu)建太陽(yáng)光傳播模型如圖所示(1)設(shè)地面上垂直陽(yáng)光的1 m2面積上每秒鐘接受的可見(jiàn)光光子數(shù)為n。則有P45%=nh解得n=1.751021(個(gè))設(shè)想一個(gè)以太陽(yáng)為球心,以日、地距離為半徑的大球包圍著太陽(yáng)。大球面接受的光子數(shù)即等于太陽(yáng)輻射的全部光子數(shù)。則所求可見(jiàn)光光子數(shù)c0.45Phc633480.45 0.55 101.4 106.6 103 10 N=n4R2=1.75102143.14(1.51011)2=4.91044(個(gè))(2)地球背著陽(yáng)光的半個(gè)球面沒(méi)有接受太陽(yáng)光,地球向陽(yáng)的半個(gè)球面面積也不都與太陽(yáng)光垂直。接受太陽(yáng)光輻射且與陽(yáng)光垂直的有效面積是以地球半徑為半徑的圓平面的面積。則地球接受陽(yáng)光的總功率P地=Pr2=1.43.14(6.4106)2 kW=1.81014 kW