高中沪科技版（2020）第二节 波粒二象性优质课课件ppt

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把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。这个现象说明了什么问题？
实验现象：锌板带负电，用紫外线灯照射后，验电器张开的指针夹角会变小。这意味着，紫外线会让电子从锌板表面逸出。
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。
光电子：光电效应现象中从金属表面逸出的电子常称为光电子。
当板A 的电势高于板 K 的电势时，A、K 之间的电势 差 U 称为正向电压。移动滑动变阻器的滑片，即可调节 U 并观察到光电流随正向电压增大而增大。当正向电压 增加到一定大小时，光电流达到饱和值 (最大值) Im，不再变化。
用频率一定、强度不同的两束单色光 a 、b (入射光 a 的强度较大) 分别进行实验，电流表与电压表示数的 关系大致如图所示。换用不同金属材料极板，还可以研究光电子最大初 动能与极板材料之间的关系。
光电管就是利用光电效应制成的一种光学元件，它的作用是把光信号转变为电信号。
研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系。
⑴阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。
⑵K在受到光照时能够发射光电子
⑶阳极A吸收阴极K发出的光电子，形成光电流，光电流越大，说明光电效应越强。
阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。右图中所加的电压为正向电压，即A极的电势高于K极的电势。光电子从阴极K逸出后，在AK之间被电场加速。
在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。
这说明，在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的，电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。
在入射光强度和频率不变的情况下,I-U曲线如图所示,曲线表明,当加速电压U增大到一定值时,光电流达到饱和值,这是因为单位时间内从阴极K射出的电子全部到达阳极A,若单位时间从阴极K上逸出的光电子数目为n,则饱和电流 l m = ne ,式中e为电子电荷量.
反向电压增加，光电流减小。光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。
拥有最大初动能（能量）的光电子到达A极时，动能刚好减小为零，而动能的改变是由于电场力做功：
+ + + + + +
一 一 一
使光电流减小到0的反向电压UC称为遏止电压。①对于同一种颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都一样②光的频率发生变化时，遏止电压也会发生变化。③这表明光电子的能量（动能）只与入射光的频率有关。而与入射光的强弱无关
3、存在截止频率（极限频率）：vc
大量实验表明：入射光的频率必须高于某一极限频率才能发生光电效应。
光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，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。
【截止频率（也叫极限频率）】：对于每种金属，都有相应确定的截止频率 νc 。
当入射光频率 ν > νc 时，电子才能逸出金属表面；
当入射光频率 ν < νc 时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。
实验表明: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. 光的频率 改变时，遏止电压也会改变。
实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的截止频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。
更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10－9 s（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。
光电效应实验规律与经典理论之间的矛盾
19 世纪末，光的电磁理论成功地解释了光的一系列波动现象，取得了巨大的成功。 但是，光电效应的实验规律却与经典理论产生了剧烈的冲突。按照光的电磁理论，光的能量由光的强度决定，而光的强度又由电磁波的振幅决定， 与频率无关。那么，只要入射光的强度足够大或照射时间足够长，就可以积蓄足够多的能 量产生光电效应。因此，经典理论无法解释金属材料的截止频率，也无法解释光电子的最 大初动能为何与入射光的强度无关。此外，根据经典波动理论计算，光照射金属表面需较 长的时间才会有光电子逸出。这也不能解释光电效应的实验规律。
人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子（自由电子）而做无规则的热运动。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢？
不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。
这表明金属表面层内存在一种力，阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来，必须获得一些能量，以克服这种阻碍。
要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功。
几种金属的截止频率和逸出功
光电效应经典（光的电磁理论——光是电磁波）解释：
⑴当光照射金属表面时，电子会吸收光的能量。若电子吸收的能量超过逸出功，电子就能从金属表面逸出，这就是光电子。
⑵光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。
⑸如果光很弱，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。
⑶不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率；
⑷光越强，光电子的初动能应该越大，所以截止电压Uc应该与光的强弱有关；
这些结论与实验结果相矛盾， 经典电磁理论更是无法解释。
光电效应经典解释中的疑难
1、光电效应经典（光的电磁理论——光是电磁波）解释
2、光电效应经典解释中的疑难
⑴初动能与光强无关——取决于入射光的频率
⑵有极限频率（红限）——没有能量积累过程
⑶响应快慢与光强无关——没有能量积累过程
能量量子化认为：电磁波的辐射和吸收是不连续的，一份儿一份儿的，每一份叫做一个能量子。
爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上，做了进一步假设，建立起光电效应理论。
爱因斯坦认为：光本身就是由一个个不可分割能量子组成的。每一份称为光量子，简称光子。
金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hv，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能。
通过这个方程爱因斯坦完美地解释了光电效应实验的规律。
——光电子最大初动能
式中 h 叫普朗克常量(h=6.63×10-34J·s)
注意：式中Ek是光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离开金属时的动能大小可以是 0~ Ek 范围内的任何数值。
光照射到金属中的电子时，一个电子只能吸收一个光子的能量，也就是hv的能量。
就是极限频率（也叫极限频率）
3、光子说对光电效应的解释
①斜率k=h（普朗克常数）②横截距νc（极限频率）③纵截距为－W0（逸出功的负值）
对某种金属W0一定，遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。
电子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要时间的积累。
对于同种频率的光，光较强时，单位时间内照射到金属表面的光子数较多, 照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。
到此为止光量子理论完美解释了光电效应的各种现象。
电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。（每个电子只能吸收一个光子，同时吸收两个光子的概率几乎为零）。
爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能 Ek 与入射光的频率v的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压 Uc。 那么，怎样得到截止电压Uc与光的频率v和逸出功W0的关系呢?
根据光电效应测得h与普朗克黑体辐射得出的h在误差范围内一致，这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据，因此爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖。
4、密立根验证光电效应方程
美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在 1915 年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。
爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。
光子像其他粒子一样，也具有能量。光电效应显示了光的粒子性。
康普顿效应和光子的动量
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。
说明能量有损失，导致波长变长。
入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。
1923年，康普顿的学生，中国留学生吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作。1925—1926年，吴有训用银的X射线为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。对证实康普顿效应作出了重要贡献。
光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关：
3、光子模型解释康普顿效应
普朗克常量是量子化的量度，普朗克常量的精确测定是一 项重要的物理学基础研究工作。1921 年，我国物理学家叶企 孙 与合作者利用 X 射线测定普朗克常量的值。叶 企孙改进了测量技术，获得精确程度更高的普朗克常量测量值， h = 6.556 × 10-34 J · s。叶企孙的测量结果是当时的最佳数据，这 一数据在物理学界沿用达十余年之久。现在，科学界公认的普朗 克常量是 6.626 × 10-34 J · s。
密立根的实验结果违背了他的初衷，但是在事实面前，密立 根反过来宣布爱因斯坦光电效应方程完全正确。这种实事求是的 科学态度值得后人学习。
惠更斯和托马斯杨的光的波动说
光是振动形式在媒质的传播——波
到麦克斯韦的光的电磁理论
1、人类对光的认识过程
光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。
2、光的波动性和光的粒子性
3、光的粒子性和波动性是相对的
传播的过程中，表现出波动性
波长较长时，表现出波动性
波长较短时，表现出粒子性
与物体相互作用时，表现出粒子性
光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现
通过对双缝干涉、光电效应等一系列问题的研究，人们终于认识到光既有粒子性，又有波动性。我们已经认识到如电子、质子等实物粒子是具有粒子性的，那么，实物粒子是否也会同时具有波动性呢？
光子的行为不能用经典粒子的运动状态参量描述和准确预测；
光波在空间某处的强度反映了光子在该处附近出现的概率。
在光的衍射实验中，摄像记录弱光入射的几个不同曝光阶段的衍射图样，并进行比较，可以发现，在衍射图样中较亮的地方，光子出现的概率较大。
第三节 原子结构的量子力学模型
他提出假设: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相联系。粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率v和波长λ之间，遵从如下关系：
1924年，德布罗意在对光的波粒二象性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上，把波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。
这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波，也叫物质波。其波长  称为德布罗意波长。
普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。
后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布罗意关系。一切实物粒子都有波动性
实物粒子具有波粒二象性
从量子力学的观点来看，原子核外的电子不存在确定的运动轨道。根据薛定谔方程， 我们只能知道电子在原子内各处出现的概率分布。
我们用小圆点的疏密表示电子在核外各处出现的概率分布。这样，原子核似乎被一层 “云雾”所笼罩，我们将这种“云雾”称为电子云。
1912年，德国物理学家劳厄提议，利用晶中体排列规则的物质微粒作为衍射光栅，来检验伦琴射线的波动性。实验获得了成功，证实伦琴射线就是波长为十分之几纳米的电磁波。
若电子具有波动性的理论成立，那么电子打在晶体上应也能观察到衍射现象。
在伦琴射线（X射线）发现后的十多年间，这种射线到底是不是波长很的电磁波，尚无定论。1912年，德国物理学家劳厄提议，利用晶中体排列规则的物质微粒作为衍射光栅，来检验伦琴射线的波动性。实验获得了成功，证实伦琴射线就是波长为十分之几纳米的电磁波。
1927年C.J.戴维森和 G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）利用电子束穿过晶体做了电子束的衍射实验。因此，共同获1937年诺贝尔物理学奖。
在后来的实验中，人们还进一步观测到了电子德布罗意波的干涉现象。
1961年琼森（Claus Jönssn）将一束电子加速到 50 Kev，让其通过一缝宽为 a = 0.510-6 m，间隔为 d = 2.010-6 m 的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类似于双缝衍射实验结果。
电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象
琼森（Claus Jönssn ）
（1）任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小的缘故。
（2）德布罗意波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波。
（3）德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，使之包括了所有的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波。
光的波动性、粒子性是统一的
1、在演示光电效应实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针张开一个角度，如图所示，下列说法正确的是（ ）A.验电器的指针带正电B.若仅增大紫外线的频率，则锌板的逸出功增大C.若仅增大紫外线灯照射的强度，则单位时间内产生的光电子数减少D.若仅减小紫外线灯照射的强度，则可能不发生光电效应
锌板原来不带电，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针发生了偏转，说明锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应，发生光电效应时，锌板向空气中发射电子，所以锌板带正电，验电器的指针也带正电，故A正确；金属的逸出功与金属本身的材料有关，与外界光的频率无关，故B错误；增大紫外线灯照射的强度，即单位时间内照在梓板上的光子数增多，所以单位时间内产生的光电子数增多，故C错误；能否发生光电效应与光照强度无关，取决于入射光的频率和金属截止频率之间的关系，故D错误。
2、图甲是光电效应的实验装置，图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系。根据乙图中的曲线，可知（　　）A.在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大B.对某种确定的金属来说，其遏止电压只由入射光的频率决定C.遏止电压越大，说明从该金属中逃出来的光电子的最大初动能越大D. 只要增大电压，光电流就会一直增大
由乙图中黄光的曲线可知，入射光越强，饱和电流越大，A正确；由乙图中黄光的曲线可知，遏止电压与光的强弱无关，比较黄光和蓝光，因为蓝光的频率大于黄光的频率， 而图中蓝光的遏止电压大于黄光的遏止电压，故B正确；根据Ekm=eUc可知，遏止电压越大，说明从该金属中逃出来的光电子的最大初动能越大，故C正确；增大电压，当电压增大到一定值，电流达到饱和电流，不再增大，故D错误。
3、用如图所示的装置研究光电效应现象，当用某种频率的光照射到光电管上时，电流表 的读数为I。则（ ）A.将开关S断开，也会有电流流过电流表B.将变阻器的触点c向a移动，光电子到达阳极时的速度必将变小C.如果减小入射光的光强，光电管中可能不会有光电子产生D.如果将电池极性反转，光电管中可能不会有光电子产生
开关S断开，由于仍能发生光电效应，光电子仍能到达阳极，故也会有电流流过电流表，故A正确；将变阻器的触点c向a移动，所加正向电压增大，则光电子到达阳极时的速度必将变大，故B错误；只要光的频率不变，就能发生光电效应，即光电管中有光电子产生，故C错误；将电池极性反转，光电管中仍然有光电子产生，只是电流表读数可能为零，故D错误。
4、、对光电效应现象的理解，下列说法正确的是（ ）A.当某种单色光照射金属表面时，能产生光电效应，如果入射光的强度减弱，从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B.若发生了光电效应且入射光的频率一定时，光强越强，单位时间内逸出的光电子数就越多C.无论光强多强，只要光的频率小于截止频率就能产生光电效应D.以上说法都不正确
光电效应具有瞬时性，从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔与光的照射强度无关，故A错误；在发生光电效应的情况下，频率一定的入射光的强度越强，单位时间内发出光电子的数目越多，故B正确，D错误；每种金属都有它的截止频率νc，只有入射光子的频率大于等于截止频率νc时，才会发生光电效应，故C错误.
5、(多选)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.光照时间太短D.电源正、负极接反
6、如图所示，当开关K断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6 V时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.6 V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为(　　)A.1.9 eV B.0.6 eVC.2.5 eV D.3.1 eV
7、(多选)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.光照时间太短D.电源正、负极接反
8、用如图所示的装置研究光电效应现象，当用某种频率的光照射到光电管上时，电流表 的读数为I。则（ ）A.将开关S断开，也会有电流流过电流表B.将变阻器的触点c向a移动，光电子到达阳极时的速度必将变小C.如果减小入射光的光强，光电管中可能不会有光电子产生D.如果将电池极性反转，光电管中可能不会有光电子产生
9、三束单色光1、2和3的波长分别为λ1、λ2和λ3(λ1＞λ2＞λ3).分别用这三束光照射同一种金属.已知用光束2照射时，恰能产生光电子.下列说法正确的是（ ）A.用光束1照射时，不能产生光电子B.用光束3照射时，不能产生光电子C.用光束2照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多D.用光束2照射时，光越强，产生的光电子的最大初动能越大
10、下列说法正确的是（ ）A.物质波属于机械波B.只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性C.德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都具有一种波和它对应，这种波叫做物质波D.宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性
11、如图所示是光电效应实验部分示意图。当用光子能量为hν＝3.1 eV的光照射其金属制成的极板K时，产生光电流。若K的电势高于A的电势，且电势差为0.9 V，此时光电流刚好截止。那么，当A的电势高于K的电势，且电势差也为0.9 V时，光电子到达A极时的最大动能是多大？此金属的逸出功是多大？
解析：设光电子逸出时最大初动能为Ek，到达A极的最大动能为Ek′当A、K间所加反向电压为0.9 V时，由动能定理有eU＝Ek 得Ek＝0.9 eV当A、K间所加正向电压为0.9 V时，由动能定理有eU′＝Ek′－Ek 得Ek′＝1.8 eV由光电效应方程有Ek＝hν－W0得W0＝2.2 eV.
12、用很弱的电子束做双缝干涉实验，把入射电子束减弱到可以认为电子源和感光胶片之间不可能同时有两个电子存在，如图所示为不同数量的电子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明(　　)A．电子只有粒子性没有波动性B．少量电子的运动显示粒子性，大量电子的运动显示波动性C．电子只有波动性没有粒子性D．少量电子的运动显示波动性，大量电子的运动显示粒子性
13、根据物质波理论，下列说法正确的是（ ）A.微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性 B.宏观物体和微观粒子都具有波动性C.宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长D.速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为节明显
14、电子经电势差为U＝220 V的电场加速，在v＜c的情况下，求此电子的德布罗意波长．(已知：电子质量为9.11×10－31 kg，电子电荷量为1.6×10－19C)
分析:1.利用动能定理求速度，2.物质波波长公式求波长
基本概念和基本规律光电效应： 金属在光的照射下发射出电子的现象。光电子： 光电效应中从金属表面发射出来的电子。光子： 光是由一份一份能量子组成的，这些能量子被称为光子。光电效应方程： Ekm = hν-W。波粒二象性： 微观粒子既有波动性又有粒子性。电子云：如“云雾”般用小黑点的疏密表示电子在核外各处出现的概率分布， 这种“云雾”称为电子云。
基本方法通过光子说、物质波假说建立过程的学习，感受物理学中建立假说的方法。通过光电效应、康普顿效应、电子衍射现象的学习，感受利用证据通过科学推 理进行科学论证的方法。