高中物理波粒二象性

科学的历史不仅仅是一连 串事实、规则和随之而来的数 学描述，它也是一部概念的历 史。当我们进入一个新的领域 时，常常需要新的概念。
——普朗克
第十七章 波粒二象性
DESIGNER:范 鸿 飞 TEL:010-68902931-1 EMAIL:fanhongfei2002@yahoo.com.cn
物理学大厦业已建成？
普朗克经过几个月的努力，没有从热力学的普遍理 论推出新的辐射定律，后来只好在新的假设下，用物理 学家波尔兹曼的热力学几率理论进行尝试，从而导出普 朗克辐射公式。 这一大胆假设是：
振动着的带点微粒的能量是不连续的，只能是某一 个最小能量值的整倍数。这些带点微粒在辐射或吸收能 量时也是以这个值为单位一份一份地辐射或吸收的。这
对光电效应的实验研究
实验1
单位时间内到
达阳极的光电子数：
A
电压为零
A
电压较小
A
电压较大
ne
I e
（1）在电压为零，有光照时，电路中产生电流。说明 逸出的光电子有初速度（或初动能）。 （2）光电流随电压增大而增大，说明电场减少了光电 子向四周的散射，使光电子到达阳极的个数增多。 （3）所有光电子都到达阳极时的电流称为饱和光电流。
经典理论解释
经典波动理论认为，不管光的频率如何，只要 入射光足够强，电子的能量积累时间足够长，就可 以获得足够的能量逸出表面，不应该存在截止频率。
白色物体：反射各种颜色的光。 红色物体：反射红颜色光，而吸收了其它颜色的光。 黑色物体：物体对各种颜色吸收能力都很强，而反 射能力很弱。
黑体与黑体辐射
黑体（物理模型）
能够完全吸收外界入射的各种波长的电磁波而不发 生反射（只有由内部热运动产生的热辐射）的物体称为 绝对黑体，简称黑体。
黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温 度有关，而与物体的材料、表面情况无关。
对光电效应的实验研究
实验2
进一步实验表明，增大入射光强度遏止电压不会改
变；但改变入射光频率时，遏止电压也随之改变。精确 的测定结果显示：
光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增大，
与入射光强度无关。
I 黄光（强）
蓝光 黄光（弱）
Uc1 Uc2 O
U
光电流与电压的关系
对光电效应的实验研究
实验3
经典理论解释
光照射金属表面，电子吸收能量。当电子吸收 的能量与原有的热运动能量之和超过逸出功，电子 就从表面逸出，这就是光电子。入射光越强，电子 吸收的能量越多，能够逸出的电子数越多，光电流 也就越大。
经典理论解释光电效应遇到的困难
实验事实2
光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大， 与入射光强度无关。
物理学发展到19世纪末期，可以 说是达到相当完美、相当成熟的程度 。以经典力学、经典电磁场理论和经 典统计力学为三大支柱的经典物理大 厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮 观！一切物理现象似乎都能够从相应 的理论中得到满意的回答。
在这种形势下，物理学家会感到 陶醉，会感到物理学已大功告成，因 而断言往后难有作为了。这种思想当 时在物理界不但普遍存在，而且由来 已久。
验电器
思考：
锌板 紫外线灯
验电器指针偏
转说明什么？
锌板表面带何
种电性？
光电效应实验
对光电效应的实验研究
研究光电效应的实验电路
K A
光源
光电管
正
反向开关
反电流 电压
变阻器
对光电效应的实验研究
实验1（a）
打开光源 光电管端 电压为零
增大光电管 端电压
饱和 光电流
光电流 光电管 端电压
思考：你能否谈谈对这一实验现象的看法？ 你能计算出单位时间到达阳极的光电子数吗？
经典物理学对实验结果的解释
普朗克的努力
很快，德国物理学家普朗克将代表短波方向的维恩
公式和代表长波方向的实验结果结合在一起，运用内插
方法得到*普朗克辐射定律：
M
2 h
c2
3
h
ekT 1
当ν→0，即在长波范围变为瑞利—金斯公式。
当ν→∞，即在短波范围与维恩定律一致。
鲁本斯得知这一公式后，立即把自己的实验结果和
一座正在建设中的建
筑尽管室内已经粉刷，还
未安装窗户。如果在白天
从远处观察，窗口与室内
这个小孔是
的亮度和建筑外墙比较， 你会发现什么？为什么？
空 腔 “绝对黑体”
黑体与黑体辐射
黑体辐射
将空腔加热，空腔内温度升高，从小
孔中向外的辐射称为黑体辐射。
黑体辐射情况只与温度有关。通过实
验测量得到了在不同温度下，不同波长的
在光的波动说对光电效应不能做出令人 满意的解释的时候，1905年爱因斯坦在德国 权威杂志《物理学年鉴》上发表了一篇题为 《论光的产生和转化的一个启发性观点》的 论文，提出了著名的光量子假说。
爱因斯坦 1879－1955
逸出功
金属的逸出功
金属中原子外层的价电子 （自由电子）会脱离原子而做 无规则的热运动。但温度不高 时，电子并不能大量逸出金属 表面，这表明金属表层内存在 一种力，阻碍电子的逃逸。电 子从金属中挣脱出来，必须克 服这种阻碍做功。
根据测量出的遏止电压，你能否计算逸出光电 子的最大初动能？
对光电效应的实验研究
实验2
反向电反压向等电于压遏很 较止小 大电时压时
遏止电压是使逸出时有不
同初速度的所有光电子刚好全
_
部无法到达阳极时的电压。
+
速度最大的光电子从逸出
到刚好到达阳极的过程Βιβλιοθήκη Baidu由动
能定理：
A
eUc
0
1 2
mvc2
我们可以通过测量遏止电压计算光电子的最大初动能。
对光电效应的实验研究
实验1
什么因素影响饱和光电流的大小呢？ 进一步实验表明，饱和光电流随入射光的增强而增大。 也可以说： 入射光越强，单位时间逸出的光电子数越多。
A 弱光照射
A 强光照射
对光电效应的实验研究
实验2
将电源正负极互换，逐渐增大反向电压。
遏止电压Uc
反向电压
使光电流减小为零时的反向电压称为遏止电压Uc。 思考：你能否谈谈为何会存在遏止电压？
物理学家希望运用统计物理学和经典电磁学理论推 导出一定温度的物体热辐射强度与波长的分布关系公式。
经典物理学对实验结果的解释
紫外灾难
1896年，德国物理学家维恩通过半理论半经验的方 法，得到一个辐射能量分布公式。这个公式只在短波区、 温度较低时和实验结果符合，而在长波区不符。
1900年6月，瑞利推导出了另一个辐射能量分布公 式，其中的一个错误因子后来被金斯修正，称为瑞利-金 斯辐射定律。但是，这一公式却只有在长波区和实验结 果符合，而在短波区不符。特别是当波长接近紫外时， 能量为无限大！这显然是荒谬的。这一结果后来被称为 “紫外灾难”。瑞利和金斯是物理学界公认的治学严谨 的人，理论值与实验值在短波区的北辙南辕，揭示了经 典物理学面临的严重困难。
实验3
入射光的频率低于金属的截止频率时，无论入射光 多强，都不能发生光电效应。
实验4
精确测量表明：超过截止频率的入射光照射金属时 不论光强多大，几乎立刻发生光电效应。这一时间间隔 不超过10－9s ，即光电效应几乎是瞬时的。
科学的转折
爱因斯坦敏锐的洞察力
普朗克在提出能量子假说后犹豫徘徊， 大多数物理学家对他的能量子假说不以为然 的时候，爱因斯坦却最早明确地认识到量子 概念的重要性。
电磁波辐射强度。
空腔
黑体辐射研究的现实动力
19世纪后半叶，欧洲的冶金工业迅速发展，技术人
员渴望了解热辐射的规律。如果知道了辐射的规律：
辐射的波长分布与辐射体的温度关系
就可以通过观测钢水的辐射的电磁波的波长分布推
知钢水的温度。这种需求推动了黑体辐射的研究。
黑体与黑体辐射
实验室中的黑体
热电偶
加热器 观测口
晴朗天空中的两朵乌云
1.物理学的新纪元：能量量子化
黑体与黑体辐射
物体的热辐射
一切物体都在不断地向外辐射电磁波。这种电磁辐 射是由于物体内分子在不停地做热运动而产生的。
在室温条件下：辐射波长较长的电磁波（红外线）； 在高温条件下：辐射波长较短的电磁波成分较多。 在温度升高过程中，物体颜色发生变化。 *固体在温度升高时颜色的变化
理论曲线相比较，完全符合。于是两人于 1900年10月19
日向德国物理学会做了报告。
注：高中阶段本公式不要求。内插法是根据有限函数数据拟合未知曲线方程的方法。
理论曲线与实验曲线的差异
M 0 (T )
实验值
紫 外 灾 难
瑞利--金斯线
维恩线
0 1 23 4 5 6 78
/μm
普朗克与能量子假说
经典理论的彻底失败
普朗克于1918年获诺贝尔奖。
2.科学的转折：光的粒子性
光是什么
历史的轨迹
微粒说
光
牛顿
的
粒
子
说
对光的粒子说 宣判死刑
光的波动说 日臻完善
17世纪末
19世纪初
19世纪60、80年代
光
的
波
动
说
波动说 光的干涉 光的衍射
光是电磁波
惠更斯 托马斯˙杨 菲涅耳
麦克斯韦 赫兹
动摇经典理论的新发现
发现光电效应
黑体与黑体辐射
实验结果
e0(,T )
当黑体温度逐渐升高时： ①各种波长的辐射强度都有所增加； ②辐射强度的最大值向短波方向移动。
0
12
34
5 6 λ (μm)
经典物理学对实验结果的解释
经典理论对黑体辐射的描述
黑体辐射是大量带电粒子的无规则热运动引起的。 物体中每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近以 各种不同频率作无规则的微振动，每个带电微粒的振动 都会产生变化的电磁场，从而向外辐射各种波长的电磁 波，形成连续的电磁波谱。
使电子脱离某种金属所做 功的最小值，叫做这种金属的 逸出功，用W0表示。
金属外部
金属内部
自由 电子
吸收 能量
理解最小值的含义： 金属表面电子吸收能量
刚好直接逸出，做功最少。 逸出电子的初动能为零。
经典理论解释光电效应遇到的困难
实验事实1
饱和光电流随入射光的增强而增大。或者说入射光 越强，单位时间逸出的光电子数越多。
800K 1000K 1200K 1400K
注：“K”是开氏温标（T）的单位。与摄氏温标（t）的换算方法是：T=t+273
黑体与黑体辐射
物体对电磁波的反射和吸收
除了热辐射之外，物体表面在不停地吸收和反射外 界射来的电磁波。材料、表面情况不同的物体对不同波 长电磁波的吸收和反射能力不同，就使我们观察到物体 不同的颜色。例如在自然光入射条件下：
个不可再分的最小能量值ε叫做能量子：
h
h：普朗克常量：6.63×10－34J·s；ν：电磁波频率。
普朗克的矛盾
普朗克 1858－1947
普朗克的能量子假说，对能量连续的观点形成
了严重冲击，人们不接受他的能量子假说。就连普 朗克本人也踌躇不前。对此，他的心情非常矛盾， 一方面直觉告诉他这个发现不同寻常，另一方面他 又总想回到经典理论的立场上去。他说：“在将作 用量子h引入理论时，应当尽可能保守从事；这就是 说，除非业已表明绝对必要，否则不要改变现有理 论。”但一次一次的失败使他最终放弃了自己的倒 退立场。为此他百感交集：“为了使作用量子能以 某种方式容入经典理论中，我花了几年的时间（一 直到1915年），它们耗费了我大量的精力。…现在 我懂得了一件事实，基本作用量子在物理学中所起 的作用远比我最初设想的要深刻得多。”
经典理论解释
经典波动理论认为，光的强弱与光的振动频率 无关而由振幅决定。入射光越强，电子逸出后的初 动能应该越大，所以遏止电压应该与光强有关，与 频率无关。
经典理论的认识与实验事实相左！
经典理论解释光电效应遇到的困难
实验事实3
入射光的频率低于金属的截止频率时，无论入射光 多强，都不能发生光电效应。
将入射光通过
红色滤色片后照射 光电管，光电效应 消失。
滤色片
正 反电流 电压
实验发现，将入射光频率减小到某个值νc时，即使 不加反向电压，无论入射光多强，也没有光电流，不再
有光电子逸出。能发生光电效应的入射光最小频率νc称 为截止频率（或极限频率）。
改变阴极金属材料，不同金属有不同的截止频率。
对光电效应的实验研究
经典物理学大厦 日臻完美
天边的两朵乌云……
19世纪的最后一天，欧洲著 名的科学家欢聚一堂。会上，英 国著名物理学家W·汤姆生（即 开尔文男爵）发表了新年祝词。 他在回顾物理学所取得的伟大成 就时说，物理大厦已经落成，所 剩只是一些修饰工作。同时，他 在展望20世纪物理学前景时，却 若有所思地讲道：“动力理论肯 定了热和光是运动的两种方式， 现在，它的美丽而晴朗的天空却 被两朵乌云笼罩了……”
就在人们认为光的波动学说几近完美之时，一个新 的物理现象——光电效应的发现使物理学家陷入新的困 惑之中。
1887年，赫兹在研究电磁波的实验中发现，接收电 路的间隙如果受到光照，更容易产生电火花。这是最早 发现的光电效应。
光电效应
光电效应现象
照射到金属表面的光，使金属中的电子从表面逸出 的现象称为光电效应。逸出的电子称为光电子。