高中物理 第6章 經(jīng)典力學(xué)與現(xiàn)代物理 6.4 微觀世界與量子論學(xué)案 滬科版必修2

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1、 6.4 微觀世界與量子論 思維激活 如圖6-4-1所示，大千世界，五彩斑斕，雨后彩虹令人賞心悅目，藍(lán)天白云使人心曠神怡，大街上閃爍的霓虹燈令人目不暇接……這一切都是“光”的杰作.我們生活在一個(gè)光的世界，可是你有沒有想過，“光”到底是一種怎樣的物質(zhì)呢？ 圖6-4-1 提示 在研究光的本性的歷史上，具有代表性的學(xué)說有五種. （1）微粒說：這個(gè)學(xué)說是17世紀(jì)末提出的，代表人物是牛頓.牛頓根據(jù)光的直線傳播、光的反射和折射、光具有能量等特點(diǎn)，提出光是由一種具有完全彈性的球形微粒大量聚集而成的，這些微粒在均勻介質(zhì)中以極高的速度做直線運(yùn)動(dòng). （2）波動(dòng)說：這個(gè)學(xué)說的代

2、表人物是與牛頓同時(shí)代的荷蘭物理學(xué)家惠更斯.他根據(jù)光與機(jī)械波有類似特征，提出光是以光源為振源的某種振動(dòng)，光是在一種特殊的彈性物質(zhì)“以太”中傳播的彈性機(jī)械波.但實(shí)驗(yàn)證明這種“以太”物質(zhì)是不存在的. 從現(xiàn)代光學(xué)論來看，微粒說和波動(dòng)說都沒有能揭示光的實(shí)質(zhì).在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下各自只能解釋一些光現(xiàn)象，但又有一些無法解釋的問題. （3）電磁說：這個(gè)學(xué)說的代表人物是麥克斯韋.19世紀(jì)后期，麥克斯韋根據(jù)理論上得到的電磁波的速度與實(shí)際測得的光速相同、電磁波和光都可以在真空中傳播而不需要介質(zhì)等，預(yù)言光是一種電磁波.后經(jīng)赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)電磁波確實(shí)存在，這樣光的電磁說就誕生了. 經(jīng)過科學(xué)家的努力，測出了光波的波長，并

3、同各種電磁波一起組成了排列有序的電磁波譜，光作為一種電磁波在電磁波譜中占據(jù)了它應(yīng)有的位置.光的電磁說使光的波動(dòng)理論發(fā)展到了相當(dāng)完美的程度，取得了很大的進(jìn)步，使人們在對光的認(rèn)識上跨進(jìn)了一大步. （4）光子說：這個(gè)學(xué)說的代表人物是愛因斯坦.光子說的要點(diǎn)是：光由光子組成，在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子，每個(gè)光子具有能量E＝hν. （5）光的波粒二象性：現(xiàn)在，科學(xué)家對光的本性的認(rèn)識是：光具有波粒二象性.個(gè)別光子的行為顯示出粒子性；頻率越高的光子，能量越大，粒子性越明顯，但這種粒子又不同于宏觀現(xiàn)象中的質(zhì)點(diǎn)；大量光子的作用顯示出波動(dòng)性，頻率越低，波動(dòng)性越明顯，但它又不同于

4、機(jī)械波，亦不同于電磁振蕩產(chǎn)生的電磁波. 自主整理 一、光電效應(yīng) 1.定義：當(dāng)紫外線這一類波長較短的光照射金屬表面時(shí)，金屬便有電子逸出.這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng). 2.光電效應(yīng)的規(guī)律 ①每一種金屬都有發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率ν0，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng). ②光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大. ③當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，光電流與入射光強(qiáng)度成正比. ④從光照射到物體至發(fā)射出光電子的時(shí)間幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過10-9 s. 3.光子說 （1）概述：愛因斯坦于1905年提出光子說.光在空間的傳播是不連續(xù)的，而是一份一份的，每

5、一份叫做一個(gè)光子，一個(gè)光子的能量為E=hν，ν為光的頻率，普朗克常量h=6.63×10-34 J·s.光子具有動(dòng)量和能量. 4.光的波粒二象性：光既是電磁波，又具有粒子的特征，即光具有波粒二象性.一切輻射（電磁波和熱輻射）都具有波粒二象性. 二、連續(xù)光譜與線光譜 1.連續(xù)光譜 ①形式：連續(xù)光譜是由連續(xù)分布的一切波長的光組成. ②產(chǎn)生：熾熱的固體及液體和高（氣）壓氣體直接發(fā)光時(shí)形成連續(xù)光譜. 2.線狀光譜（分為明線光譜和吸收光譜） ①形式：明線光譜由一些不連續(xù)的亮線組成，吸收光譜是在連續(xù)光譜的背景上分布著若干條暗線. ②產(chǎn)生：稀薄氣體發(fā)光形成明線光譜，當(dāng)白光通過氣體時(shí)，才形成吸收

6、光譜（暗線光譜）. ③特征譜線：每種元素的原子只能發(fā)出某些具有特定波長的光譜線，這些光譜線叫做那種元素的特征譜線，線狀譜和吸收譜都屬于特征譜線.同種元素的線狀譜中的明線和吸收光譜中的暗線是一一對應(yīng)的，通?？吹降奈展庾V中的暗線要比線狀譜中的亮線要少一些. 3.能級 （1）定義：原子的不連續(xù)的能量狀態(tài)叫做能級. （2）基態(tài)：原子最低能級所對應(yīng)的狀態(tài)叫做基態(tài). （3）激發(fā)態(tài)：比基態(tài)能量高的狀態(tài)叫激發(fā)態(tài). 4.玻爾理論對線狀光譜的解釋 原子處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，當(dāng)原子從高能級向低能級躍遷時(shí)會(huì)發(fā)射光子；當(dāng)原子吸收光子時(shí)可從較低能級躍遷到較高能級. 三、實(shí)物粒子與波 德布羅意理

7、論指出，每個(gè)物質(zhì)粒子都伴隨著一種波，這種波稱為物質(zhì)波，又稱為概率波.德布羅意理論揭示了物質(zhì)（包括光和電子）的統(tǒng)一性. 德布羅意波波長公式為λ= 式中λ是波長，p是實(shí)物的動(dòng)量，h是普朗克常量. 德布羅意波的一個(gè)重要應(yīng)用就是電子顯微鏡的發(fā)明. 高手筆記 1.經(jīng)典理論“光的波動(dòng)說”解釋光電效應(yīng)遇到的困難 （1）光的波動(dòng)說認(rèn)為，光的能量由光的強(qiáng)度決定，光的強(qiáng)度又是由光的振幅決定的，跟頻率無關(guān)，只要光的強(qiáng)度足夠大或照射時(shí)間足夠長，都會(huì)使電子獲得足夠的能量產(chǎn)生光電效應(yīng)，跟光的頻率無關(guān).這一點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果矛盾. （2）波動(dòng)理論不能解釋光電子的最大初動(dòng)能只與光的頻率有關(guān). （3）產(chǎn)生光電效應(yīng)的時(shí)

8、間極短，也跟波動(dòng)理論有尖銳的矛盾. 2.光子說對光電效應(yīng)的解釋 當(dāng)光子照射到金屬上時(shí)，它的能量可以被金屬中的某個(gè)電子全部吸收，電子吸收光子的能量后，動(dòng)能立刻就增加了，不需要積累能量的過程.如果電子的動(dòng)能足夠大，能夠克服內(nèi)部原子核對它的引力，就可以離開金屬表面逃逸出來，成為光電子.當(dāng)然，電子吸收光子的能量后可能向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，有的向金屬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，并不出來.向金屬表面運(yùn)動(dòng)的電子，經(jīng)過的路程不同，途中損失的能量也不同.唯獨(dú)金屬表面上的電子，只要克服金屬原子核的引力做功，就能從金屬中逸出.這個(gè)功叫做逸出功.如果入射光子的頻率比較低，它的能量小于金屬的逸出功，就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)了，這就是存在極限頻率

9、的原因.不同金屬的逸出功是不同的，所以它們的極限頻率也不同. 3.光的波粒二象性 （1）光的波動(dòng)性 ①光在傳播過程中主要表現(xiàn)為具有波動(dòng)性，光波具有一定的頻率和波長. ②光的波動(dòng)性是大量光子的集體行為. （2）光的粒子性 ①光在與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)主要表現(xiàn)為粒子性，光子具有一定的能量和動(dòng)量（p=h/λ）.例如，光電效應(yīng)是光子與金屬原子相互作用時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象. ②光的粒子性是少量光子的個(gè)別行為.例如，在光發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，每入射一個(gè)光子，從金屬中只能發(fā)射出一個(gè)光電子，總是一對一的關(guān)系.即使入射光子的能量是發(fā)射出光電子所需能量（逸出功）的2倍，也不可能入射一個(gè)光子，卻一下發(fā)射出兩個(gè)電子

10、，那份多余的能量只是用來增加光電子的最大初動(dòng)能. 4.玻爾的原子理論 （1）定態(tài)量子化假設(shè)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量，這些狀態(tài)叫做定態(tài). （2）躍遷量子化假設(shè)：原子從一種定態(tài)（Em）躍遷到另一種定態(tài)（En）時(shí)，它輻射（或吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即hν=|Em-En|. （3）能量量子化假設(shè)：原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對應(yīng).原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是不連續(xù)的. 名師解惑 1.怎樣理解光的強(qiáng)度？ 剖析：光的強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)在垂

11、直于光的傳播方向單位面積上通過的光的能量.若單位時(shí)間射到金屬表面上單位面積的光子數(shù)為n，每個(gè)光子的能量為hν，則光強(qiáng)為nhν.對同頻率的光來說，光的強(qiáng)度顯然由單位時(shí)間內(nèi)照到金屬上的光子數(shù)決定.對不同頻率的光來說，光子數(shù)相同時(shí)，頻率高的能量大. 2.怎樣理解原子光譜是不連續(xù)的？ 剖析：（1）原子發(fā)生能級躍遷時(shí)所發(fā)射和吸收的光子的頻率由下式?jīng)Q定：hν＝Em-En. （2）由于能量的不連續(xù)性，從而決定了對應(yīng)的光波波長的不連續(xù)性，不同原子的結(jié)構(gòu)不同，對應(yīng)的能級也不相同，因此發(fā)射出的光所對應(yīng)的光波波長也不相同，各自有其對應(yīng)的特征譜線.這就表明原子光譜是分立的線狀譜. 3.宏觀物體也具有波粒二象性嗎？ 剖析：電子、質(zhì)子等微觀粒子具有波粒二象性已是無可爭議的事實(shí)，因?yàn)槿藗円呀?jīng)通過實(shí)驗(yàn)觀察到了它們的干涉和衍射等現(xiàn)象.宏觀物體由于運(yùn)動(dòng)動(dòng)量較大，根據(jù)德布羅意波長與動(dòng)量的關(guān)系λ=，波長非常非常小，盡管不容易觀察到它們的干涉、衍射等波的現(xiàn)象，但它們?nèi)匀痪哂胁▌?dòng)性，有它們的波長，因此宏觀物體也具有波粒二象性. 3