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1第十七章波粒二象性一、光子能量的计算1．一个光子的能量ε＝hν，其中h是普朗克常量，ν是光的频率．2．一束光的能量E＝nhν，n为光子数目．3．频率与波长的关系：ν＝cλ.例1激光器是一个特殊的光源，它发出的光便是激光，红宝石激光器发射的激光是不连续的一道一道的闪光，每道闪光称为一个光脉冲，现有一红宝石激光器，发射功率为1.0×1010W，所发射的每个光脉冲持续的时间Δt为1.0×10－11s，波长为793.4nm.问每列光脉冲的长度l是多少？其中含有的光子数n是多少？解析以Δt、l和c分别表示光脉冲的持续时间、长度和光在真空中的传播速度，由题意可知l＝cΔt①以P和E表示红宝石激光器发射的功率和一列光脉冲的能量，则有：E＝PΔt②以λ和ν表示红宝石激光器激光的波长和频率，则有ν＝cλ，因此就得到每个光子的能量hν＝hcλ③由②③式就得到该列光脉冲含有的光子数2n＝Ehν＝λPΔthc④将数据代入①④式，就得到该列光脉冲的长度、含有的光子数分别为l＝3×10－3m＝3mm、n＝4.0×1017个．答案3mm4.0×1017个二、光电效应的规律和光电效应方程1．光电效应的实验规律(1)任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须高于这个极限频率，才能发生光电效应．低于极限频率时，无论光照强度多强，都不会发生光电效应．(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大．(3)入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10－9s.(4)当入射光的频率高于极限频率时，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光的强度成正比．2．爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0.W0表示金属的逸出功，νc表示金属的极限频率，则W0＝hνc.例2用波长为2.0×10－7m的紫外线照射钨的表面，释放出来的光电子中最大的动能是4.7×10－19J．由此可知，钨的极限频率是(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3.0×108m/s)()A．5.5×1014HzB．7.9×1014HzC．9.8×1014HzD．1.2×1015Hz解析由爱因斯坦光电效应方程得hcλ＝Ek＋W0，而金属的逸出功W0＝hνc，由以上两式得，钨的极限频率为：νc＝cλ－Ekh≈7.9×1014Hz，B项正确．答案B三、波粒二象性的理解1．光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振说明光具有波动性，光电效应现象、康普顿效应则证明光具有粒子性，因此，光具有波粒二象性，对于光子这样的微观粒子只有从波粒二象性出发，才能统一说明光的各种行为．(2)大量光子产生的效果显示出光的波动性，少数光子产生的效果显示出粒子性，且随着光的频率的增大，波动性越来越不显著，而粒子性却越来越显著．2．实物粒子(如：电子、质子等)都有一种波与之对应(物质波的波长λ＝hp，频率ν＝εh)．33．物质波与光波一样都属于概率波．概率波的实质：是指粒子在空间分布的概率是受波动规律支配的．例3关于光的波粒二象性，下列说法中不正确的是()A．波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性B．光波频率越高，粒子性越明显C．能量越大的光子其波动性越显著D．个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性解析光的波粒二象性指光有时候表现的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显，或者说在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下光的波动性表现明显；个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性，A、D正确．光的频率越高，能量越大，粒子性相对波动性越明显，B正确，C错误．答案C1．(光子能量的计算)能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10－18J，已知可见光的平均波长约为0.6μm，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，则进入人眼的能量子数至少为()A．1个B．3个C．30个D．300个答案B解析可见光的平均频率ν＝cλ，能量子的平均能量为ε＝hν，引起视觉效应时E＝nε，联立可得n≈3，B正确．2．(光电效应规律及应用)100多年前的1905年是爱因斯坦的“奇迹”之年，这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文，成功地解释了光电效应现象．关于光电效应，下列说法正确的是()A．当入射光的频率低于极限频率时，不能发生光电效应B．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比C．光电子的最大初动能与入射光的强度成正比D．某单色光照射一金属时不发生光电效应，改用波长较短的光照射该金属可能发生光电效应答案AD解析根据光电效应现象的实验规律，只有入射光频率大于极限频率时才能发生光电效应，故A、D正确．根据光电效应方程，最大初动能与入射光频率为线性关系，但非正比关系，B错．根据光电4效应现象的实验规律，光电子的最大初动能与入射光强度无关，C错．3．(光电效应的规律及应用)已知金属锌发生光电效应时产生的光电子的最大初动能Ek跟入射光的频率ν的关系图象如图1中的直线1所示．某种单色光照射到金属锌的表面时，产生的光电子的最大初动能为E1.若该单色光照射到另一金属表面时产生的光电子的最大初动能为E2，E2E1，关于这种金属的最大初动能Ek跟入射光的频率ν的关系图象应是图中的()图1A．aB．bC．cD．上述三条图线都不正确答案A解析根据光电效应方程知，Ek－ν为一次函数，普朗克常量h是斜率，h是确定的值，虽然金属的逸出功不同，但两个Ek－ν图象的斜率相同，两个直线平行，同时再利用Ek＝hν－W0，结合图象E2E1，hν相同，所以W1W2，即直线在纵轴上的截距W2大，故选A.4．(波粒二象性的理解)人类对光的本性的认识经历了曲折的过程，下列关于光的本性的陈述不符合科学规律或历史事实的是()A．牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的B．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性C．麦克斯韦预言了光是一种电磁波D．光具有波粒二象性答案A解析牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒，爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量，显然A错；干涉、衍射是波的特性，光能发生干涉说明光具有波动性，B正确；麦克斯韦根据光的传播不需要介质，以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验证实了光的电磁说，C正确；光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，D正确．5．(波粒二象性的理解)在众人关注的男子110米栏决赛中，雅典奥运冠军刘翔以12秒91的成绩第一个冲过终点．设刘翔的质量约为74kg，计算他在110米栏决赛中的德布罗意波长．答案1.05×10－36m解析由德布罗意波长公式知，5λ＝hp＝hmv＝6.63×10－3474×11012.91m≈1.05×10－36m.