2019届高中物理第十七章波粒二象性第1、2节能量量子化光的粒子性讲义含解析 12页

能量量子化光的粒子性黑体与黑体辐射、能量子[探新知·基础练]1．黑体辐射(1)热辐射：一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关。(2)黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。(3)一般材料物体的辐射规律：辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。(4)黑体辐射的实验规律：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，如图所示。①随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加；②随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。2．能量子(1)定义：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，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一份一份地辐射或吸收的，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。(2)能量子大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.626×10－34J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s)。(3)能量的量子化：在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．在自然界中能量都是量子化的。(×)2．黑体是一种理想模型，自然界不存在。(√)[释疑难·对点练]1．对黑体的理解(1)黑体实际上是不存在的，只是一种理想情况，但如果做一个闭合的空腔，在空腔表面开一个小孔，小孔就可以模拟一个黑体，如图所示。这是因为从外面射来的电磁波，经小孔射入空腔，要在腔壁上经过多次反射，在多次反射过程中，外面射来的电磁波几乎全部被腔壁吸收，最终不能从空腔射出。(2)黑体不一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的；有些可看做黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被当做黑体来处理。n(3)黑体同其他物体一样也在辐射电磁波，黑体的辐射规律最为简单，黑体辐射强度只与温度有关。(4)一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点热辐射不一定需要高温，任何温度都能发生热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强。在一定温度下，不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同。热辐射特点吸收、反射的特点一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类、表面状况有关既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波的波长等因素有关黑体辐射电磁波的强弱按波长的分布只与黑体的温度有关完全吸收各种入射电磁波，不反射2．普朗克理论(1)借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合之好令人击掌叫绝。(2)普朗克在1900年把能量子列入物理学，正确地破除了“能量连续变化”的传统观念，成为新物理学思想的基石之一。[试身手]1．氦氖激光器发射波长为6328Å的单色光，试计算这种光的一个光子的能量为多少？若该激光器的发光功率为18mW，则每秒发射多少个光子？解析：根据爱因斯坦光子学说，光子能量ε＝hν，而λν＝c，所以：ε＝＝J≈3.14×10－19J。因为发光功率已知，所以1s内发射的光子数为：n＝＝个≈5.73×1016个。答案：3.14×10－19J　5.73×1016个光电效应[探新知·基础练]1．光电效应照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。2．光电子光电效应中发射出来的电子。3．光电效应的实验规律(1)存在着饱和n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。(2)存在着遏止电压和截止频率：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。(3)光电效应具有瞬时性：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做这种金属的逸出功。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．光电子就是光子。(×)2．只要光强度足够强，任何金属都能发生光电效应。(×)3．极限频率越大的金属材料逸出功越大。(√)[释疑难·对点练]正确理解光电效应中的五组概念1．光子与光电子光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电，光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子，光子是光电效应的因，光电子是果。2．光电子的动能与光电子的最大初动能光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收了光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于其最大初动能。3．光子的能量与入射光的强度光子的能量即每个光子的能量，其值为ε＝hν(ν为光子的频率)，其大小由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，入射光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积。4．光电流与饱和光电流金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。5．光的强度与饱和光电流饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。[试身手]n2．(多选)光电效应实验的装置如图所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是(　　)A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B．用绿色光照射锌板，验电器指针会发生偏转C．锌板带的是负电荷D．使验电器指针发生偏转的是正电荷解析：选AD　将锌板连接验电器，用弧光灯照射锌板(弧光灯发出紫外线)，验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电。进一步研究表明锌板带正电，这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出来，锌板中缺少电子，于是带正电，绿光不一定能使锌板发生光电效应。只有A、D正确。爱因斯坦光电效应方程[探新知·基础练]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，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为hν。2．光电效应方程(1)表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0。(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．爱因斯坦提出了光子说：光发射和吸收时能量是一份一份的。(√)2．光电子的最大初动能与入射光频率成正比。(×)3．极限频率越大的金属越容易发生光电效应。(×)[释疑难·对点练]对光电效应方程Ek＝hν－W0的理解(1)式中的Ek是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0～Ek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：能量为E＝hν的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能。如果克服吸引力做功最少为W0，则电子离开金属表面时动能最大为Ek，根据能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0。(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件：若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，nν>＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率。(4)Ekmν曲线：如图所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率ν的变化曲线。这里，横轴上的截距是截止频率或极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量。[试身手]3．(多选)如图所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象，由图象可知(　　)A．该金属的逸出功等于EB．该金属的逸出功等于hν0C．入射光的频率为ν0时，产生的光电子的最大初动能为ED．入射光的频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为2E解析：选AB　题中图象反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，知当入射光的频率恰为该金属的截止频率ν0时，光电子的最大初动能Ek＝0，此时有hν0＝W0，即该金属的逸出功等于hν0，选项B正确；根据图线的物理意义，有W0＝E，故选项A正确，而选项C、D错误。康普顿效应[探新知·基础练]1．光的散射光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变的现象。2．康普顿效应在光的散射中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分。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，深入揭示了光的粒子性的一面。4．光子的动量表达式：p＝。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．康普顿效应说明光具有粒子性。(√)n2．康普顿效应证明了爱因斯坦的光子说的正确性。(√)[释疑难·对点练]利用光子说解释康普顿效应(1)假定X射线光子与电子发生弹性碰撞，这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似。按照爱因斯坦的光子说，一个X射线光子不仅具有能量E＝hν，而且还有动量。如图所示。这个光子与静止的电子发生弹性斜碰，光子把部分能量转移给了电子，能量由hν减小为hν′，因此频率减小，波长增大。同时，光子还使电子获得一定的动量。这样就圆满地解释了康普顿效应。(2)康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。[试身手]4．白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果。美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖。假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比(　　)A．频率变大　　　　　　　B．动量变大C．光子能量变大D．波长变长解析：选D　光子与电子碰撞时，遵守动量守恒定律和能量守恒定律，自由电子被碰前静止，被碰后动量、能量增加，所以光子的动量、能量减小。故选项D正确。对光电效应的理解误区1：误认为光电效应中，只要光强足够大，就能发生光电效应产生该误区的原因是对产生光电效应的条件认识不清，实际上能不能发生光电效应由入射光的频率决定，与入射光的强度无关。误区2：误认为光电流的强度与入射光的强度一定成正比出现该误区是由于混淆了光电流和饱和光电流。实际上，光电流未达到饱和值之前其大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关，只有饱和光电流的强度才与入射光的强度成正比。误区3：误认为入射光越强，产生的光电子数一定越多这是对光强的概念理解不全面造成的，实际上，入射光强度指的是单位时间内入射到金属单位面积上的光子的总能量，是由入射的光子数和入射光子的频率决定的，可用E＝nhν表示，其中n为单位时间内的光子数。在入射光频率不变的情况下，光强度与光子数成正比。换用不同频率的光，即使光强度相同，光子数目也不同，因而逸出的光电子数目也不同。n[典例1]　(多选)一束绿光照射某金属发生了光电效应，则下列说法正确的是(　　)A．若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子数增加B．若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子的最大初动能增加C．若改用紫光照射，则可能不会发生光电效应D．若改用紫光照射，则逸出的光电子的最大初动能增加[解析]选AD　光电效应的规律表明：入射光的频率决定是否发生光电效应以及发生光电效应时逸出的光电子的最大初动能的大小。当入射光的频率增加后，逸出的光电子的最大初动能也增加，又紫光的频率高于绿光的频率，增加光的照射强度，会使单位时间内逸出的光电子数增加。故正确选项为A、D。光电效应规律中的两条线索、两个关系1.两条线索2．两个关系光强→光子数目多→发射光电子多→光电流大；光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。[典例2]　已知金属铯的逸出功为1.9eV，在光电效应实验中，要使铯表面发出光电子的最大初动能为1.0eV，入射光的波长应为____________m。[思路点拨]　在进行光电效应问题的计算中，运用光电效应方程及其变形进行分析、计算，还需注意统一各物理量的单位。[解析]　由爱因斯坦光电效应方程mvm2＝hν－W0得，hν＝mvm2＋W0＝1.9eV＋1.0eV＝2.9eV，又E＝hν，c＝λν，所以λ＝＝m≈4.3×10－7m。[答案]　4.3×10－7[课堂对点巩固]1．下列叙述错误的是(　　)nA．一切物体都在辐射电磁波B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关C．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D．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波解析：选B　根据热辐射的定义，A正确；根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体的温度有关，B错误，C正确；根据黑体的定义知，D正确。2．(多选)以下宏观概念中，哪些是“量子化”的(　　)A．物体的带电荷量　　　　　　B．物体的质量C．物体的动量D．学生的个数解析：选AD　所谓“量子化”应该是不连续的，而是一份一份的，故选A、D。3．入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么(　　)A．从光照到金属表面发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B．逸出的光电子的最大初动能将减小C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D．有可能不发生光电效应解析：选C　根据光电效应的实验规律知，从光照到金属上产生光电效应时间间隔极短，与光强度无关，A错误；逸出光电子的最大初动能与入射光频率有关，而光电流大小与入射光的强度成正比，故B、D错误，C正确。4．(多选)已知能使某金属产生光电效应的截止频率为ν0，则(　　)A．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，一定能产生光电子B．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hν0C．当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大，则逸出功增大D．当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍解析：选AB　根据截止频率跟逸出功的关系：W0＝hν0，光电效应方程mvm2＝hν－W0，可得A、B正确。[课堂小结]n[课时跟踪检测六]一、单项选择题1．关于对热辐射的认识，下列说法中正确的是(　　)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，选项A错误，选项B正确；选项C描述的是黑体辐射的特性，选项C错误；常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，选项D错误。2．人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的能量子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量取6.63×10－34J·s，光速为3.0×108m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是(　　)A．2.3×10－18WB．3.8×10－19WC．7.0×10－10WD．1.2×10－18W解析：选A　因只要每秒有6个绿光的能量子射入瞳孔，眼睛就能察觉，所以察觉到绿光所接收的最小功率P＝，式中E＝6ε，又ε＝hν＝h，可解得P＝6×W≈2.3×10－18W。A正确。3．下列利用光子说对光电效应的解释正确的是(　　)A．金属表面的一个电子只能吸收一个光子B．电子吸收光子后一定能从金属表面逸出，成为光电子C．金属表面的一个电子吸收若干个光子，积累了足够的能量才能从金属表面逸出D．无论光子能量大小如何，电子吸收光子并积累能量后，总能逸出成为光电子解析：选A　根据光子说，金属中的一个电子一次只能吸收一个光子，只有所吸收的光子频率大于金属的截止频率，电子才能逃离金属表面，成为光电子，且光子的吸收是瞬时的，不需时间的积累，故只有选项A正确。n4．频率为ν的光照射某金属时，产生光电子的最大初动能为Ekm。改为频率为2ν的光照射同一金属，所产生光电子的最大初动能为(h为普朗克常量)(　　)A．Ekm－hνB．2EkmC．Ekm＋hνD．Ekm＋2hν解析：选C　根据爱因斯坦光电效应方程得Ekm＝hν－W0，若入射光频率变为2ν，则Ekm′＝h·2ν－W0＝2hν－(hν－Ekm)＝hν＋Ekm，故选C。5.在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示。则可判断出(　　)A．甲光的频率大于乙光的频率B．乙光的波长大于丙光的波长C．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能解析：选B　由题图说明丙光对应的光电子的最大初动能最大，即丙光的频率最高(波长最小)，B项正确，D项错误；甲光和乙光的频率相同，A项错误；由于是同一光电管，所以乙光、丙光对应的截止频率是一样的，C项错误。二、多项选择题6.如图所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是(　　)A．入射光太弱B．入射光波长太长C．光照时间短D．电源正负极接反解析：选BD　入射光的频率低于截止频率时，不能发生光电效应，故选项B正确；电路中电源反接，对光电管加了反向电压，若该电压超过了遏止电压，也没有光电流产生，故选项D正确。7．下列说法中正确的是(　　)A．光子射到金属表面时，可能有电子发出B．光子射到金属表面时，一定有电子发出C．电子轰击金属表面时，可能有光子发出D．电子轰击金属表面时，一定没有光子发出解析：选AC　光的频率需达到一定值时，照射到金属表面才会有电子发出；如果电子能量不够大，轰击金属表面就不会有光子发出。因此，选A、C。n8．如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点坐标4.27，与纵轴交点坐标0.5)。由图可知(　　)A．该金属的截止频率为4.27×1014HzB．该金属的截止频率为5.5×1014HzC．该图线的斜率表示普朗克常量D．该金属的逸出功为0.5eV解析：选AC　由光电效应方程Ek＝hν－W0可知，题图中横轴的截距为该金属的截止频率，A对，B错；图线的斜率表示普朗克常量h，C对；该金属的逸出功为当ν＝0时W0＝－Ek，D错。9．用同一频率的光照射到甲、乙两种不同的金属上，它们释放的光电子在磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动，它们的轨道半径之比为R甲∶R乙＝3∶1，则下列说法中正确的是(　　)A．两种金属的逸出功之比为3∶1B．两种光电子的速度大小之比为3∶1C．两种金属的逸出功之比为1∶3D．两种光电子的动量大小之比为3∶1解析：选BD　光电子在磁场中做匀速圆周运动，由evB＝m得R＝，动量大小和速度大小均和环绕半径成正比，选项B、D正确；光电子的最大初动能之比为9∶1，由爱因斯坦光电效应方程可得：金属的逸出功W0＝hν－mv2，所以两种金属的逸出功的比值不确定，选项A、C错误。三、非选择题10．在光电效应实验中，某金属的截止频率相应的波长为λ0，该金属的逸出功为________。若用波长为λ(λ<λ0)的单色光做该实验，则其遏止电压为________。已知电子的电荷量、真空中的光速和普朗克常量分别为e、c和h。解析：由金属的逸出功W0＝hν0＝h，又eUc＝Ek，且Ek＝hν－W0，ν＝，所以遏止电压Uc＝－。答案：h　－n11．用频率为1.00×1015Hz的紫外线照射钠的表面，释放出来的光电子的最大初动能为1.86eV，求钠发生光电效应的极限频率。普朗克常量为6.63×10－34J·s。解析：根据光电效应方程hν＝Ek＋W0可得钠的逸出功W0＝hν－Ek＝6.63×10－34×1.00×1015J－1.86×1.6×10－19J≈3.65×10－19J。由W0＝hνc可得钠的极限频率νc＝＝Hz≈5.51×1014Hz。答案：5.51×1014Hz