江苏省南京物理竞赛讲义-10.8光的波粒二象性

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10.8光的波粒二象性

一、光的粒子性

光的能量并不像经典物理学所允许的可具有任意值。光的

能量是某一最小能量ε(称为能量子)的整数倍,即ε, 1ε, 2ε,

3ε, ... N ε。n 为正整数,称为量子数。

h εν=

其中v 为电磁波的频率。

h 为普朗克常数。h=6.626*10-34Js

拥有一份能量的光叫做一个光子

以上便是量子理论最基本的观点。

二、光电效应

当光线照射在金属表面时,金属中有电子逸出的现象,称为光电效应。 逸出的电子称为光电子。

光电子定向移动形成的电流叫光电流。

1、光电效应的特征

(1)存在饱和电流

当A 接正极,K 接负极时,控制入射光的强度一定,

使U AK 从0开始增大,观察到电流表的示数一开始增大,

到某一数值后就不再增大。

这个最大电流就叫做饱和电流。

解释:为什么会存在饱和电流?

(2)存在遏止电压U c (反向截止电压)

当A接负极,K接正极时,控制入射光的强度一定,使U KA从0开始增大,观察到电流表的示数逐渐减小到0。

电流刚减小到0时对应的U KA叫做遏止电压U c。

解释:为什么会存在遏止电压?

对于不同频率、不同强度的入射光,画出各自的I-U图像,寻找其中规律,并分析原因。

(3)存在截止频率νc

当入射光的频率减小到某一数值νc时,无论光的强度多大,加上怎样的电压,都不会有光电流。

这个临界频率叫做截止频率νc。

解释:为什么会存在截止频率?

(4)光电效应的瞬时性

当入射光的频率超过截止频率时,无论光如何微弱,几乎在瞬间就会产生光电流。时间间隔不超过10-9s。

2、经典的理论无法解释光电效应中的一些现象:

推论1:光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压U c应与光的强弱有关。

实验结果:遏止电压只与光的频率有关。对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的。

推论2:不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可获得足够能量从而逸出表面,不应存在截止频率。

实验结果:对于不同的物体,都有相应的截止频率。

推论3:如果光很弱,电子需要很长时间才能获得逸出表面需要的能量。 实验结果:时间小于10-9s

3、爱因斯坦的光电效应方程:

一个电子一瞬间吸收一个光子的能量,一部分能量用来克服金属的逸出功W 0,剩

下的表现为逸出后电子的最大初动能E k ,

即: 0k E h W ν=-

遏止电压-入射光频率:U c -ν图像

c W h U e e ν=-

例1、使金属钾的发生光电效应的最长波长为56.210cm λ-=?.求:

(1)钾电子的逸出功;

(2)在波长53.310cm λ-=?的紫外光照射下,钾的遏止电势差.

三、德布罗意物质波

1、光具有波粒二象性

h εν=

h h

p c ν

λ==

德布罗意的猜想:是不是所有物质都具有波粒二象性?

2、所有物质除了有粒子性,也都具有波动性

也可以定义某种粒子的频率和波长:

h h

p c νλ== U -ν

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10.8 光的波粒二象性 一、光的粒子性 光的能量并不像经典物理学所允许的可具有任意值。 光的 能量是某一最小能量 ε(称为能量子)的整数倍,即 ε, 1ε, 2ε, 3ε, ... Nε。n 为正整数,称为量子数。 ? ? h? 其中 v 为电磁波的频率。 h 为普朗克常数。h=6.626*10-34Js 拥有一份能量的光叫做一个光子 以上便是量子理论最基本的观点。 二、光电效应 当光线照射在金属表面时,金属中有电子逸出的现象,称为光电效应。 逸出的电子称为光电子。 光电子定向移动形成的电流叫光电流。 1、光电效应的特征 (1)存在饱和电流 当 A 接正极, K 接负极时, 控制入射光的强度一定, 使 UAK 从 0 开始增大, 观察到电流表的示数一开始增大, 到某一数值后就不再增大。 这个最大电流就叫做饱和电流。 解释:为什么会存在饱和电流? (2)存在遏止电压 Uc (反向截止电压) 当 A 接负极,K 接正极时,控制入射光的强度一定,使 UKA 从 0 开始增大, 观察到电流表的示数逐渐减小到 0。 电流刚减小到 0 时对应的 UKA 叫做遏止电压 Uc。 解释:为什么会存在遏止电压? 对于不同频率、不同强度的入射光,画出各自的 I-U 图像,寻找其中规律, 并分析原因。 (3)存在截止频率 νc 当入射光的频率减小到某一数值 νc 时,无论光的强度多大,加上怎样的电 压,都不会有光电流。 这个临界频率叫做截止频率 νc。 解释:为什么会存在截止频率? (4)光电效应的瞬时性 当入射光的频率超过截止频率时,无论光如何微弱,几乎在瞬间就会产生光 电流。时间间隔不超过 10-9s。 2、经典的理论无法解释光电效应中的一些现象: 推论 1:光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压 Uc 应与光的强 弱有关。 实验结果:遏止电压只与光的频率有关。对于一定颜色(频率)的光, 论光的强弱如何,遏止电压是一样的。 推论 2:不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可获得足够能量从而逸 出表面,不应存在截止频率。 实验结果:对于不同的物体,都有相应的截止频率。 无 推论 3:如果光很弱,电子需要很长时间才能获得逸出表面需要的能量。 实验结果:时间小于 10-9s 3、爱因斯坦的光电效应方程: 一个电子一瞬间吸收一个光子的能量, 一部分能量用来克服金属的逸出功 W0,剩 下的表现为逸出后电子的最大初动能 Ek, 即: U c Ek ? h? ? W0 遏止电压-入射光频率:Uc-ν图像 W h Uc ? ? ? 0 e e c W / 0 e ν 例 1、使金属钾的发生光电效应的最长波长为 ? ? 6.2 ?10?5 cm .求: (1)钾电子的逸出功; (2)在波长 ? ? 3.3 ?10?5 cm 的紫外光照射下,钾的遏止电势差. 三、德布罗意物质波 1、光具有波粒二象性 ? ? h? p? h? h ? c ? 德布罗意的猜想:是不是所有物质都具有波粒二象性? 2、所有物质除了有粒子性,也都具有波动性 也可以定义某种粒子的频率和波长: p? h? h ? c ? 例 2、 (1)试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。 (2)一个电子动能 Ek=100eV ,求它的波长。 例 3、一台二氧化碳气体激光器发生的激光功率 P,出射的光束截面积 A, 试问当该光束垂直射到一物体平面上时,可能产生的压强的最大值为多少? 四、概率波 1、经典的粒子和经典的波 经典的粒子: 有一定的体积、 质量、 可能会有电荷、 运动遵守牛顿


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