波粒二象性.docx

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波粒二象性

一.物理新纪元：

能量量子化

1.热辐射：

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。

2.黑体：

某种物体能够完全吸收入射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。

实际上黑体是不存在的。

但可以用某种装置近似地代替黑体。

如图所示是一个带有小孔的空腔，并且小孔对于空腔足够小，不会妨碍空腔内的平衡。

通过小孔射入空腔的所有频率的电磁波经腔内壁多次反射后，几乎全部被吸收，再从小孔射出的电磁波极少。

所以，可以将空腔上的小孔近似地看成黑体。

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。

3.物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。

黑体在700K以下时看起来是黑色的，因为在700K之下的黑体所放出来的幅射能量很小且幅射波长在可见光范围之外。

若黑体的温度高过700K的话，黑体则不会再是黑色的了，它会开始变成红色，并且随着温度的升高，而分别有橘色、黄色、白色等颜色出现。

4.能量子：

普朗克做出大胆假设：

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。

例如，可能是ε或2ε，3ε······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

ε=hν

5.黑体辐射规律：

随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射的极大值向波长较短的方向移动。

二.科学的转折：

光的粒子性

光电效应

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，这个现象称为光电效。

2.光电效应的实验规律：

存在着饱和电流：

在光照条件不变的情况下，随着所加电压增大，光电流趋于一个饱和值。

也就是说，电流较小时电流随着电压的增大而增大；但当电流增大到一定值之后，即使电压再增大，电流也不会增大了。

说明：

入射光越强，饱和电流越大。

这表明入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。

存在这遏止电压：

当所加电压U为零时，电流I并不为零。

只有施加反向电压，也就是阴极接电源正极，阳极接电源负极，在光电管两级间形成使电子减速的电场，电流才有可能为零。

使光电流减小到零的反向电压称为遏止电压。

遏止电压存在意味着光子具有一定的初速度。

实验表明，对于一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。

光的频率ν改变时，遏止电压也会改变。

说明：

光电子的能量只与入射光的频率有关。

存在截至频率：

当入射光的频率减小到某一数值时，即使不施加反向电压也没有光电流，这表明已经没有光电子了。

3.当入射光的频率低于截至频率时不能发生光电效应。

4.不同金属的截至频率不同。

5.光电效应具有瞬时性。

6.爱因斯坦光电效应方程：

爱因斯坦发展了普朗克量子化观点，认为电磁波不仅在发射和吸收时是不连续的，而且电磁波本身就是不连续的，并提出了光子的概念。

频率为ν的光的能量子为hν，h为普朗克常量，这些能量子称为光子。

按照爱因斯坦的理论，在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是

Hν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W，剩下的表现为逸出后电子的初动能E，即

hν=E+W

或

E=hν-W（爱因斯坦光电效应方程）

8.光电效应显示了光的粒子性。

康普顿效应

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，这种现象叫做光的散射。

2.康普顿效应：

康普顿咋爱研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与λ相同的成分外，还有波长大于λ的成分，这个现象称为康普顿效应。

3.光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一面。

前者表明光子具有能量，后者表明光子具有能量之外还具有动量。

三.粒子的波动性

1.光的波粒二象性

ε=hν

p=

h/λ

它们是描述光的性质的基本关系式。

能量ε和动量p是描述物质的粒子性

的重要物理量；波长λ或频率ν是描述物质的波动性的典型物理量。

h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。

2.粒子的波动性：

德布罗意提出假设：

实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波长相联系，而且粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间，也像光子跟光波一样，遵从如下关系

ν=ε/h

λ=h/p

3.德布罗意波：

这种与实物粒子相联系的波后来称为德布罗意波，也叫做物质波。

4.显微镜的分辨本领：

衍射现象限制了光学显微镜的分辨本领。

（可见光的波长为400~700nm，日常生活中的物体大小比可见光的波长大得多，光的衍射现象不明显，所以我们才说光沿直线传播。

）

5.电子显微镜：

电子束也是一种波。

如果把电子加速，使它的动量很大，它的德布罗意波长会很短，衍射现象的影响就小多了。

这样就有可能大大提高分辨能力。

这种使用电子束工作的显微镜叫做电子显微镜。

由于电压越高电子最终获得的动量越大，它的波长越短，分辨本领也越强，所以电子显微镜分辨本领的大小常用它的加速电压来表示。

四.概率波

1.经典的粒子和经典的波。

经典的粒子：

任意时刻的确定的位置和速度以及时空中确定的轨道，是经典物理学中粒子运动的基本特征。

经典的波：

经典的波是在空中弥散开来的，其特征是具有频率和波长，也就是具有时空的周期性。

在经典物理学中，波和粒子是两种不同的研究对象，具有非常不同的表现。

2.概率波：

在光的双缝干涉实验中，从光源S发出的光通过双缝S和S后在屏幕上形成明暗条纹。

按照光的波动理论，条纹的明暗表示到达屏幕上的光的强度的不同。

按照光子模型，每个同频光子都带有相同的一份能量，所以条纹明暗的分布应该是到达屏幕的光子数目多少的分布。

在一束光中，是光子之间的相互作用使它表现出波动性，还是光子本身就具有波动性呢？

为此，我们使光源S非常弱，以至它在前一个光子到达屏幕之后才发射第二个光子，这样就排除了光子之间相互作用的可能性。

实验结果表明，尽管单个光子的落点不可预知，但长时间曝光之后仍然得到明暗条纹。

可见，光的波动性不是光子之间的相互作用引起的，而是光子自身固有性质。

虽然不能肯定某个光子落在哪一点，但由屏上各处明暗不同这个事实可以推知，光子落在各点的概率是不一样的，即光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小。

这就是说，光子在空间出现的概率可以通过波动规律确定。

所以，从光子概念上看，光波是一种概率波。

单个粒子的位置是不确定的，但在某点附近出现的概率的大小可以由波动的规律确定。

对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果，例如衍射条纹的分布等。

五.不确定性关系

1.单个微观粒子的运动具有不确定性，但它在空间某点出现的概率却可通过波动规律确定。

2.不确定关系：

利用数学方法对微观粒子的运动进行分析可以知道，如果以表示粒子位置的不确定量，以表示粒子在x方向上的动量的不确定量，那么

这就是著名的不确定性关系，简称不确定关系。

不确定性关系的公式是多不确定性描述的定量表示，对公式的来龙去脉和相关计算都不作要求。

人们在研究微观物理时，恰恰以不确定关系为基础原理，通过逻辑关系得出很多结论。

这里所说的基本原理就像平面几何中的公理，是不需要证明也无法证明的，它的正确性在由于它得到的所有推论都与事实相符。

北京近年高考光学部分试题2005——2011

（北京2005，15）在下列各组的两个现象中都表现出光具有波动性的是（）

A.光的折射现象、色散现象

B.光的反射现象、干涉现象

C.光的衍射现象、偏振现象

D.光的直线传播现象、光电效应现象

（北京2006，16）水的折射率为n，距水面深h处有一个点光源，岸上的人看到水面被该光源照亮的圆形区域的直径为（）

A.2htan（arcsin

）B.2htan（arcsinn）

C.2htan（arccos

）D.2hcot（arccosn）

（北京2007，18）图示为高速摄影机拍摄到的子弹穿过苹果瞬间的照片。

该照片经过放大后分析出，在曝光时间内，子弹影响前后错开的距离约为子弹长度的1%~2%。

已知子弹飞行速度约为500m/s，因此可估算出这幅照片的曝光时间最接近（）

A、10-3sB、10-6s

C、10-9sD、10-12s

（北京2008，13）下列说法正确的是（）

A．用分光镜观测光谱是利用光折射时的色散现象

B．用X光机透视人体是利用光电效应

C．光导纤维舆信号是利用光的干涉现象

D．门镜可以扩大视野是利用光的衍射现象

（北京2010，14）对于红、黄、绿、蓝四种单色光，下列表述正确的是（）

Ａ．在相同介质中，绿光的折射率最大　　　　　

Ｂ．红光的频率最高

Ｃ．在相同介质中，蓝光的波长最短　　　　　　

Ｄ．黄光光子的能量最小

（北京2011，14）.如图所示的双缝干涉实验，用绿光照射单缝S时，在光屏P上观察到干涉条纹。

要得到相邻条纹间距更大的干涉图像,可以（）

A．增大与的间距

B．减小双缝到屏的距离

C．将绿光换为红光

D．将绿光换为紫光

答案：

CABACC