高中物理波粒二象性知识梳理（高中物理修波粒二象性）

知识梳理

1、光电效应

①光电效应现象：在弧光灯的照射下，锌板中有一部分电子吸收了光能，挣脱了原子核的束缚，飞离金属表面，使锌板带上正电。

②光电效应定义：物体在光（包括不可见光）的照射下发射电子的现象称为光电效应。

③光电子：物体在光的照射下发射出来的电子。

④当入射光的频率大于极限频率时，光电流强度与入射光的强度成正比。（光强即光电强度，简单来说就是电子个数多少）。

⑤锌板带正电，验电器指针带正电。

2、光电管：利用光电效应制成的一种常见的光电器件。

①用途：光电管应用在各种自动化装置及有声电影、无线电传真、光纤通信等技术装置里。

②原理：光电管的阴极表面敷有碱金属，对电子的束缚能力比较弱，在光的照射下容易发射电子，阴极发出的电子被阳极收集，在回路中形成电流，称为光电流。

注意：①光电管两极加上正向电压，可以增强光电流。②光电流的大小跟入射光的强度和正向电压有关，与入射光的频率无关。入射光的强度越大，光电流越大。

3、 物体在光照的条件下发射电子而发生光电效应现象时遵循如下规律：

（1）对于任何一种金属，入射光的频率必须大于某一极限频率才能产生光电效应，低于这个极限频率，无论强度如何，无论照射时间多长，也不能产生光电效应；

（2）在单位时间里从金属极板中发射出的光电子数跟入射光的强度成正比；

（3）发射出的光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大；

（4）只要入射光的频率高于金属极板的极限频率，无论其强度如何，光电子的产生都几乎是瞬时的，不超过10—9s.

4、最大初动能：光电效应中从金属出来的电子，有的从金属表面直接飞出，有的从内部出来，沿途与其它粒子碰撞，损失部分能量，因此电子速度会有差异，直接从金属表面飞出的速度最大，其动能为最大初动能。

5、最大初动能的测定：

①在强度和频率一定的光的照射下，回路中的光电流随着反向电压的增加而减小，当反向电压达到某一数值时，光电流将会减小到零，这时的电压称为遏止电压U0

②光电子出射时的最大初始动能：

③遏止电压与入射光的强度无关，与入射光的频率有关，随着入射光频率的增大而增大。

注意：光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光频率的增大而增大。

6、波动理论无法解释的现象：

①不论入射光的频率多少，只要光强足够大，总可以使电子获得足够多的能量，从而产生光电效应，实际上如果光的频率小于金属的极限频率，无论光强多大，都不能产生光电效应。

②光强越大，电子可获得更多的能量，光电子的最大初始动能应该由入射光的强度来决定，实际上光电子的最大初始动能与光强无关，与频率有关。

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，实际上无论光入射的强度怎样微弱，几乎在开始照射的一瞬间就产生了光电子

⒎普郎克在研究电磁波辐射时，提出能量量子假说：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是的整数倍，称为一个能量量子。即能量是一份一份的。其中辐射频率，是一个常量，称为普朗克常量。

⒏受到普朗克的启发，爱因斯坦在1905年提出光子说：即在空间中传播的光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量ε跟光的频率ν成正比。

，其中：

是普朗克常量，

是光的频率。

① 逸出功W0: 电子脱离金属离子束缚，逸出金属表面克服离子引力做的功。

②光电效应方程：如果入射光子的能量

大于逸出功W0，那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的动能——根据能量守恒定律，入射光子的能量

等于出射光子的最大初动能与逸出功之和，即

其中是指出射光子的最大初动能。

使电子脱离某种金属所做的功的最小值叫做这种金属的逸出功。

这个关系式通常叫做爱因斯坦光电方程。

③光电效应的解释：金属内部的电子一般一次只能吸收一个光子的能量，只有入射光子的能量

大于或者等于逸出功W0 即：

时，电子才有可能逸出，这就是光电效应存在极限频率的原因。

遏制电压只与入射光频率有关，与入射光的强度无关的解释：由

和

有：

。

④光子说对光电效应的解释

光子照射到金属上时，光子一次只能将其全部能量传递给一个电子，一个电子一次只能获取一个光子的能量，它们之间存在着一对一的关系．电子吸收光子后，能量增加，如果能量足够大，就能摆脱金属中正电荷对其的束缚，从金属表面逸出，成为光电子．

如果光子的能量较小(频率较低)，电子吸收光子后的能量不足以克服金属中正电荷对其的束缚，则立即会将其转化为系统的内能，而不能从金属中逸出，这就是入射光的频率较低时，尽管照射时间足够长，也不能发生光电效应的原因．

每一种金属，正电荷对电子的束缚能力都不同，因此，电子逸出所需做的最小功也不一样．光子频率小于该频率，无论如何都不会发生光电效应，这就是每一种金属都存在极限频率的原因．

金属中的电子对于光子的吸收是十分迅速的，电子一次性获得的能量足够时，逸出也是十分迅速的，这就是光电效应具有瞬时效应的原因．

9、①康普顿效应：用X射线照射物体时，一部分散射出来的X射线的波长会变长，这个现象叫康普顿效应。康普顿效应是验证光的波粒二象性的重要实验之一。

②康普顿效应的意义：证明了爱因斯坦光子假说的正确性，揭示了光子不仅具有能量，还具有动量。

光子的动量为

③现象解释：碰撞前后光子与电子总能量守恒，总动量也守恒。碰撞前，电子可近似视为静止的，碰撞后，电子获得一定的能量和动量， X光子的能量和动量减小，所以X射线光子的波长λ变长。

④康普顿效应中散射光的波长只能变长，因为康普顿效应中X射线光子与静止的自由电子发生弹性碰撞。

10、光的干涉证明了光有波粒二象性：每次只有一个光子经过双缝，短时间照射，感光片上呈现杂乱分布的几个亮点，即表现出粒子性；当长时间照射时，发现有干涉条纹，表现出波动性。

注意：亮纹是光子落的概率大，暗纹是概率小，不是光子照不到。

正确理解波粒二象性

波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量。

⑴个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。

⑵频率ν高的光子容易表现出粒子性；频率ν低的光子容易表现出波动性。

⑶光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。

⑷由光子的能量E=hν，光子的动量

表示式也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ。

由以上两式和波速公式c=λν还可以得出：E = p c。

11、概率波：光子落在明条纹的概率高，落在暗条纹的概率低。干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映。

12、德布罗意波：任何一个实物粒子都和一种波相对应，这种波称为德布罗意波，也称为物质波。

德布罗意波的波长 ，

是实物粒子的动量。

电子衍射实验证明了德布罗意波假说。

实验证明一切的微观粒子（包括光子和实物粒子）都具有波粒二象性，对微观粒子运动状态的最准确描述是概率波。

13、电子云：原子核外电子的概率分布图。概率大的地方小圆点密一些，概率小的地方小圆点疏一些。讨论微观粒子的运动，轨道的概念毫无意义。

※14、不确定性关系：微观粒子的坐标和动量不能同时完全精确地确定。如果用表示微观粒子位置的不确定性，用表示微观粒子在方向上动量的不确定性，则有。原因是因为微观粒子具有波动性。

由不确定性关系可知，坐标和动量，其中一个测量得越准确，另外一个的不确定性就越大。

微观粒子的波粒二象性和不确定性关系本质是一样的，导致共同的结果：微观粒子的运动状态，不能通过确定的轨道来描述，只能通过概率波做统计性的描述。

不确定性关系对宏观物体没有意义。

题型讲解

1. 关于光电效应，有如下几种陈述，其中正确的是（ ）

A．金属电子的逸出功与入射光的频率成正比

B．光电流的强度与入射光的强度无关

C．用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的初动能要大

D．对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应

2. （1）已知金属铯的逸出功为1.9eV，在光电效应实验中，要使铯表面发出的光电子的最大功能为1.0eV，入射光的波长应为__________m

（2）如图所示，电路中所有元件完好，光照射到阴极上时，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。