1量子、光的粒子性量子、光的粒子性【学习目标学习目标】 1了解黑体和黑体辐射的实验规律； 2知道普朗克提出的能量子的假说 3理解光电效应的实验规律及光电效应与电磁理论的矛盾； 4理解爱因斯坦的光子说及光电效应的解释，了解光电效应方程，并会用来解决简单问题 【要点梳理要点梳理】 要点一、能量量子化要点一、能量量子化1 1热辐射热辐射（1）定义：我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐 射物体在任何温度下，都会发射电磁波，温度不同，所发射的电磁波的频率、强度也不同物理学 中把这种现象叫做热辐射 （2）热辐射的特性：辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同当物体温度较低时 （如室温） ，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波（在红外线区域） ，不能引起人的视觉；当温度升 高时，热辐射中较短波长的成分越来越强，可见光所占份额增大，如燃烧的炭块会发出醒目的红光 2 2绝对黑体（简称黑体）绝对黑体（简称黑体）（1）定义：在热辐射的同时，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波如果一个物体能够 完全吸收入射到其表面的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体所谓“黑体”是指能够全部吸收所有频率的电磁辐射的理想物体绝对的黑体实际上是不存在的， 但可以用某种装置近似地代替（2）黑体辐射的实验规律：对于一般材料的物体，辐射的电磁波除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关而黑体 的辐射规律最为简单，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，一方面黑体辐射各种波长电磁波的本领都有所增加，另一方面辐射本领的极大 值向波长较短的方向移动辐射强度3 3普朗克能量量子化假说普朗克能量量子化假说（1）能量子黑体的空腔壁是由大量振子（振动着的带电微粒）组成的，其能量只能是某一最小能量值的整数倍例如可能是或2、3、当振子辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份 一份地进行这个不可再分的最小能量值叫做能量子，h，其中是电磁波的频率，h是普朗2克常量（346.626 10J sh ） （2）能量的量子化在微观世界里，能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫做能量的量子化（3）普朗克的量子化假设的意义传统的电磁理论认为光是一种电磁波，能量是连续的，能量大小决定于波的振幅和光照时间普 朗克为了克服经典物理学对黑体辐射现象解释的困难而提出了能量子假说，普朗克的能量子假说，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危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4 4什么样的物体可看成黑体什么样的物体可看成黑体（1）黑体是一个理想化的物理模型 （2）如图所示，如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会 发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出这个小孔近似看成一个绝对黑体（3）黑体看上去不一定是黑的，有些可看做黑体的物体由于自身有较强的辐射，看起来还会很 明亮，如炼钢炉口上的小孔一些发光体（如太阳、白炽灯丝）也被当作黑体来处理要点二、光的粒子性要点二、光的粒子性1 1光电效应现象光电效应现象19 世纪末赫兹用实验验证了麦克斯韦的电磁场理论，明确了光的电磁波说但赫兹也最早发现 了光电效应现象如图所示。用弧光灯照射锌板，与锌板相连的验电器就带正电，这说明锌板在光的照射下发射了 电子定义：住光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，发射出米的电子叫做光电子要点诠释：要点诠释：（1）光电效应的实质：光现象转化为电现象（2）定义中光包括不可见光和可见光（3）使锌板发射出电子的光是弧光灯发出的紫外线2 2光电效应的规律光电效应的规律可以用图研究光电效应中光电流与照射光的强弱、光的颜色（频率）等物理量间的关系3阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在光照时能够发射光电子电源加 在K与A之间的电压大小可以调整，正、负极也可以对调当电源按图示极性连接时，阳极A吸收 阴极K发出的电子，在电路中形成光电流（1）光电效应的实验结果首先在入射光的强度与频率不变的情况下，IU的实验曲线如图甲所示曲线表明，当加速电压U增加到一定值时，光电流达到饱和值mI这是因为单位时间内从阴极K射出的光电子全部到达阳极A若单位时间内从阴极K上逸出的光电子数目为n，则饱和电流mIne式中e为电子电荷量，另一方面。当电压U减小到零，并开始反向时，光电流并没降为零，这就表明从阴极K逸出的光电子具有初动能所以尽管有电场阻碍它们运动，仍有部分光电子到达阳极A但是当反向电压等于cU时，就能阻止所有的光电子飞向阳极A，使光电流降为零，这个电压叫遏止电压，它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极A如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差，那么我们就能根据遏止电压cU来确定电子的最大速度mv和最大动能，即21 2kmmcEmveU在用相同频率不同强度的光去照射阴极K时，得到的IU曲线如图乙所示4它显示出对于不同强度的光，cU是相同的这说明同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的此外，用不同频率的光去照射阴极K时，实验结果是：频率愈高，cU愈大，如图丙，并且与cU呈线性关系，如图丁频率低于c的光，不论强度多大，都不能产生光电子，因此，c称为截止频率对于不同的材料，截止频率不同（2）光电效应的实验规律饱和电流mI的大小与入射光的强度成正比，也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比光电子的最大初动能（或遏止电压）与入射光线的强度无关（如图乙，图中010203III、表示入射光强度） ，而只与入射光的频率有关频率越高，光电子的初动能就越大（见图丁） 频率低于c的入射光，无论光的强度多大，照射时间多长，都不能使光电子逸出光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，在测量的精度范围内（910s）观察不出这两者间存在滞后现象 3 3经典电磁理论解释光电效应到的困难经典电磁理论解释光电效应到的困难（1）波动理论认为：光的能量是由光的强度决定的，而光的强度又是由光波的振幅所决定的， 跟频率无关（2）电磁理论解释光电效应的三个困难：波动理论光电效应实验结果困难 1按照光的波动理论，不论入射光的频率是多少，只要如果光的频率小于金属的极限频5光强足够大，总可以使电子获得足够的能量从而发生 光电效应率，无论光强多大，都不会发生 光电效应困难 2光强越大，电子可获得更多的能量，光电子的最大初 动能也应该越大，遏止电压也越大即出射电子的动 能应该由人射光的能量即光强来决定遏止电压与光强无关，与频率有 关困难 3光强大时，电子能量积累的时间就短，光强小时，能 量积累的时间就长当入射光照射到光电管的阴极时， 无论光强怎样微弱，几乎在一开 始就产生了光电子4 4爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程（1）光子说：爱因斯坦于 1905 年提出，在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量跟它的频率成正比，即Eh，式中h叫普朗克常量 （346.63 10J sh ）（2）光电效应方程：kmEhW其中21 2kmcmEm v为光电子的最大初动能，W为金属的逸出功注意要正确理解光电效应方程式中kmE是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0kmE范围内的任何数值光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率呈线性关系（注意不是正比关系） ， 与光强无关光电效应方程包含了产生光电效应的条件，即0kmEhW，亦即hW，cW h，而cW h就是金属的极限频率光电效应方程实质上是能量守恒方程逸出功W：电子从金属中逸出所需要的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 5 5光子说对光电效应规律的解释光子说对光电效应规律的解释（1）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子的束缚，就不能发生光电效应（2）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，这样光电子的最大初动能21 2kmcmEm vhW，其中W为金属的逸出功，因此光的频率越高，电子的初动能越大（3）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（4）发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时 间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多6 6知识归纳知识归纳6（2）光电效应现象说明光具有粒子性（3）光电效应方程21 2kmcmEm vhW，W为逸出功7 7光电效应曲线光电效应曲线（1）kmE曲线：如图(a)所示的是光电子最大初动能kmE随入射光频率的变化曲线这里，横轴上的截距是阴极金属的极限频率；纵轴上的截距是阴极金属的逸出功负值；斜率为普朗克常量 （kmEhW，kmE是的一次函数，不是正比例函数）（2）IU曲线：如图（b）所示的是光电流强度I随光电管两极板间电压U的变化曲线，图中mI为饱和光电流，cU为遏止电压要点诠释：要点诠释：利用21 2ccmeUm v可得光电子的最大初动能kmE利用kmE图线可得极限频率c和普朗克常量h8 8光强光强光的强度是指单位时间内垂直于光的传播方向上的单位面积所通过的能量，即Inh，其中 是光子的频率，n是单位时间单位横截面积上通过的光子数光的强度不但与n有关，也与有关：（1）在入射光频率不变时，光强与光子数成正比 （2）当光强一定时，入射光的频率越高，单位时间单位横截面积上通过的光子数目就越少，因 而逸出的光电子数目也越少 9 9光电管的构造和工作原理（重点）光电管的构造和工作原理（重点）要点诠释：要点诠释：利用光电效应可将光信号转化为电信号，而且动作迅速，在实际中用得最多的是光电 管光电管的种类很多，如图所示是有代表性的一种，玻璃泡里的空气已抽出，有时管内充有少量的 惰性气体管的内半壁涂有逸出功小的碱金属作阴极K，管内另有一阳极A，使用时采用如图所示 的电路7要点诠释：要点诠释：当光照射到阴极K上时，由于发生光电效应，就有电子从阴极K上发射出来，在电 场力作用下到达阳极A因而电路中就有电流流过照射光的强度不同，阴极发射的电子数不同， 电路中的电流就不同因此利用光电管可将光信号转化为电信号光电管产生的光电流很弱，应用时 可用放大器进行放大 利用光电管可以实现自动化控制，制作有声电影，实现无线电传真，自动计数等 1010密立根违背初衰的验证密立根违背初衰的验证爱因斯坦提出光子说后，尽管他的论证清晰简明，但当时科学界的反应十分冷淡量子论的创始 人普朗克也责怪爱因斯坦的光子说“走得太远” 美国实验物理学家密立根将自己视为光的波动理论 的捍卫者，并定下了工作目标：对爱因斯坦的光电效应方程进行彻底检验，以扼制这种“不可思议的” “大胆的”和“轻率的”光子说密立根对光电效应进行了长期研究（实验原理图见图“研究光电效应的电路图” ） 在 1916 年发 表的论文中，他公布了实验结果：光电子的最大初动能与入射光频率的关系曲线，确实是一条直线，由直线斜率还精确测定了h的值虽然密立根对光子说采取排斥态度，但他毕竟是一位科学家，具有 实事求是的科学精神，密立根的实验结果证明了爱因斯坦光电效应方程的正确性【典型例题典型例题】 类型一、能