趣话高中物理选修3第17章波粒二象性第2节光的粒子性

趣话高中物理（人教版）选修3第17章第2节1第2节光的粒子性前面说到，当光的波动说高歌猛进，将粒子说打的一片狼藉的时候，一个偶然发现的现象使粒子说咸鱼翻身，重新站了起来，与波动说再次形成相持，最后双方握手言和，是什么现象呢？这就是光电效应。一张金属板，放在用光照射，这个光包括可见光、红外线和紫外线，会使金属板带电，进一步研究，会发现是带正电，解释为光将金属原子中的电子打了出去。其实这个现象早就被人们知道，但是对它的深入研究才发现了问题。通过如右下图的电路对光电效应进一步研究，右下图的电路是给光电效应管（这是曾经出现过的一种自动化控制装置，也是一种光传感器，现在已经被光敏电阻取代。光电效应管由一个金属片和一个中心的阳极密封在真空中）分别对其加上正向电压和如图的反向电压，调整所加电压，并对电压表和电流表示数进行记录、分析，发现如下规律。1.存在饱和电流，光照一定，当加上正向电压时，电流随着电压增大而增大，当电压达到一定值时，电流达到最大，称为饱和电流，以后再增大电压，电流不变。而此时增大光照强度，电流继续增加。2.存在遏止电压，如果加速如图的反向电压，当反向电压为零时，电流不为零，当遏制电压达到一定值U0时，电流为零，这个现象说明，光打出来的电子，一下称为光电子有一定的初速度，或者说初动能，电流为零说明12𝑚𝑣2=𝑒𝑈03.存在截止频率。能否有光电子产生，与所照射光的频率有关，如果频率小于某值，不论光的强度多大，都没有光电子产生，这个频率称为截止频率，截止频率的大小与金属的种类有关，不同的金属截止频率不同。如锌板的截止频率为紫外线。4.具有瞬时性。金属在光照的同时，立即产生光电子，没有过度时间，光电子的产生是瞬时的。如果用光的波动说，则无法解释上面的现象。因为，电子受到原子核的吸引，如果将其从金属中打出来，必须有足够的能量来克服原子核的吸引，如果光是波的话，应该是光的强度越大，能量越大，如果光的强度较小，则需要一段时间聚集能量，而这种种解释，与前面趣话高中物理（人教版）选修3第17章第2节2的测量都没有吻合之处。这时爱因斯坦站出来了，他参照普朗克对于电磁波的量子理论，光既然是电磁波，是否也具有和电磁波一样的特性呢？于是他提出了光子说。用光子说可以完美地解释光电效应现象。光是由光子组成的，每一个光子的能量与其频率成正比，也为ℎ𝜈，金属中的最外层电子克服原子核引力的能量称为逸出功，用W0表示，不同金属逸出功不同。电子逸出后的最大初动能为Ek,于是有：𝐸𝑘−ℎ𝜈−𝑊0这就是爱因斯坦的光电效应方程。由这个理论，可以很好地解释上面内容。1.存在饱和电流，光的强度决定单位时间光子的数量，也决定光电子的数量，不一定每个光子对应一个光电子，但应该成一定比例。所以，电压增大，只能使每一个光电子全部落到阳极，当所有光电子全部进入阳极后，光电流饱和，如果再增加，需要增加光子的数量，即增大光强度。2.存在遏止电压，光电子存在一个最大初动能，这个最大初动能与光的频率和逸出功有关，如果反向电压的大小使电子飞向阳极需要的能量大于最大初动能，则电子无法流动。电流为零。3.存在截止频率。如果光子的能量小于或等于金属的逸出功，则不论光强度多大，都没有光电子产生。4.由于光子的能量大于逸出功，不需要聚集能量，所以光电效应是瞬时的。从牛顿提出的弹性小球，到爱因斯坦的光子说，几百年过去了，粒子说终于王者归来，但是此时的波动说也已根深蒂固，最终的结果又将如何？这些先按下不表，再看看粒子说的其它现象。趣话高中物理（人教版）选修3第17章第2节3美国科学家康普顿在研究x射线（也是电磁波的一种，频率大于紫外线）在石墨中散射时，除了原来频率的射线外，还有波长大于（频率小于）原来射线的射线存在，这个现象称为康普顿效应。当光子与电子发生碰撞时，会将一部分动能转移给电子，根据光子的能量公式，能量损失后，频率下降，波长增加，就是这个道理。既然光子可以发生碰撞，那么它一定有动量。在狭义相对论中，爱因斯坦证明，光子的能量为𝐸=𝑚𝑐2,式中c为光在真空中的速度，约为3×108m/s。根据光子的公式，则有ℎ𝜈=𝑚𝑐2则有：𝑚=ℎ𝜈𝑐2波的速度与波长的关系为：𝜆=𝑐𝜈式中λ表示波长，则有：动量𝑝=𝑚𝑐=ℎ𝜆运用弹性碰撞的公式，对康普顿效应的分析，与实验结果符合度很好。2004年高考第19题．下表给出了一些金属材料的逸出功。现用波长为400nm的单色光照射上述材料，能产生光电效应的材料最多有几种(普朗克常量h=6.6×10-34J·s，光速c=3.00×108m/s)A．2种B．3种C．4种D．5种【解析】根据光子能量公式E=hν和波长与频率的关系，c=λν，可得材料铯钙镁铍钛逸出功(10-19J)3.04.35.96.26.6趣话高中物理（人教版）选修3第17章第2节4E=ℎ𝑐λ=6.6×10−34×3×108400×10−9𝐽=4.95×10−19𝐽只有铯和钙两种元素的逸出功低于这个数值，选A。2006年高考第15题.红光和紫光相比，A.红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较大B.红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较大C.红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较小D.红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较小【解析】本题涉及到选修3-4和3-5内容，与课本变化有关，以后不会有这样的题目出现。红光的波长较紫光长，频率较低，故能量较小，传播速度与折射率成反比，频率越高，折射率越大，介质中速度越小。故选B。