《3. 光的波粒二象性》知識清單

《3.光的波粒二象性》知識清單第四章波粒二象性3、光的波粒二象性知識清單一、光的微粒說1、微粒說的提出早期的科學(xué)家們認(rèn)為光是由一個個微小的粒子組成的，就像一顆顆小珠子。這種想法很直觀，因為光沿直線傳播，就像小珠子直線滾動一樣。代表人物及觀點牛頓是微粒說的重要代表人物。他覺得光的反射就像小球撞到墻上反彈回來一樣。例如，我們把一個小彈珠扔向墻壁，彈珠會按照一定的角度彈回來，光的反射也是這樣，入射角等于反射角。微粒說的局限性但是微粒說在解釋一些光的現(xiàn)象時遇到了麻煩。比如光的干涉和衍射現(xiàn)象，用微粒說就很難理解。想象一下，如果光是小珠子，那怎么會出現(xiàn)像水波干涉那樣，兩束光疊加會出現(xiàn)明暗相間的條紋呢？這就好比把兩堆小珠子倒在一起，很難想象會出現(xiàn)這樣有規(guī)律的圖案。二、光的波動說1、波動說的提出與微粒說相對的是波動說。波動說認(rèn)為光就像水波一樣，是一種波。代表人物及觀點惠更斯是波動說的倡導(dǎo)者。他認(rèn)為光在傳播過程中，每一個點都可以看作是一個新的波源，就像往平靜的湖水里扔一塊石頭，會激起一圈圈的水波，水波向外傳播時，每個點又會產(chǎn)生新的小波。波動說的證據(jù)光的干涉光的干涉現(xiàn)象是波動說的有力證據(jù)。當(dāng)兩列相干光（頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的光）相遇時，就會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。例如，托馬斯·楊做的雙縫干涉實驗。他用一束光照射兩條很窄的縫隙，結(jié)果在后面的屏幕上出現(xiàn)了明暗相間的條紋。這就像兩列水波相遇時，波峰和波峰疊加會增強，波峰和波谷疊加會減弱一樣。我們可以想象在海邊，有兩道從不同縫隙進(jìn)來的海浪，它們相互疊加，在海灘上形成高低不同的水位區(qū)域，光的干涉條紋就類似于這種情況。波動說的證據(jù)光的衍射光的衍射現(xiàn)象也支持波動說。當(dāng)光遇到障礙物或者小孔時，會偏離直線傳播而出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。比如說，我們透過一個很小的孔看燈光，會發(fā)現(xiàn)燈光周圍有一圈模糊的光環(huán)，這就是光的衍射。這就像水波遇到小障礙物時，會繞過障礙物繼續(xù)傳播一樣。如果光是微粒，按照常理是不會出現(xiàn)這種彎曲傳播的現(xiàn)象的。波動說的局限性波動說雖然能很好地解釋干涉和衍射現(xiàn)象，但在解釋光電效應(yīng)等現(xiàn)象時卻遇到了困難。光電效應(yīng)是指當(dāng)光照射到金屬表面時，會有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。按照波動說，只要光足夠強，就應(yīng)該能打出電子，而且光強越大，打出電子的能量應(yīng)該越大。但實際情況是，光的頻率必須達(dá)到一定值才能打出電子，而且打出電子的能量與光的頻率有關(guān)，與光強無關(guān)。這就好比用錘子敲釘子，按照波動說的理解，只要不斷加大敲打的力量（光強）就能把釘子敲進(jìn)去（打出電子），但實際上只有用特定頻率的錘子（光的頻率）才能敲進(jìn)去，這讓波動說陷入了困境。三、光電效應(yīng)1、光電效應(yīng)的實驗現(xiàn)象光電效應(yīng)有一些很奇特的現(xiàn)象。當(dāng)用紫外線照射鋅板時，連接鋅板的驗電器會帶上電荷。這說明有電子從鋅板上跑出來了。有幾個關(guān)鍵的特點：存在截止頻率。每種金屬都有一個特定的頻率，只有當(dāng)入射光的頻率大于這個截止頻率時，才會發(fā)生光電效應(yīng)。例如，對于鈉金屬，它的截止頻率是一定的，如果用頻率低于這個值的光去照射，無論光有多強，都不會有電子逸出。這就像一扇門有一個特定的鑰匙（頻率）才能打開，其他的鑰匙（低頻率的光）不管怎么用力（強光）都打不開。光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān)，而與光強無關(guān)。入射光頻率越高，光電子的最大初動能就越大。這就好比一個跳高運動員，他能跳多高取決于他自身的能力（光的頻率），而不是看旁邊有多少人給他加油（光強）。光電效應(yīng)具有瞬時性。只要入射光的頻率大于截止頻率，幾乎在光照射到金屬表面的瞬間就會有電子逸出，時間間隔非常短。就像你按下開關(guān)，燈幾乎立刻就亮了一樣。2、愛因斯坦的光子說為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦提出了光子說。他認(rèn)為光不是連續(xù)的波，而是由一個個光子組成的。光子的能量E＝hν，其中h是普朗克常量，ν是光的頻率。光子說很好地解釋了光電效應(yīng)。當(dāng)光子照射到金屬表面時，一個光子的能量被一個電子吸收。如果光子的能量大于金屬的逸出功（使電子從金屬表面逸出所需要的最小能量），電子就會逸出金屬表面。而且光電子的最大初動能E_{k}＝hνW_{0}，其中W_{0}是金屬的逸出功。這就像給一個人一筆錢（光子能量），如果這筆錢比他離開某個地方需要的最少錢數(shù)（逸出功）多，他就可以離開并且還剩下一部分錢（最大初動能）。四、光的波粒二象性1、光的波粒二象性的概念光既有粒子的特性，又有波的特性，這就是光的波粒二象性。在一些情況下，光表現(xiàn)出粒子性，比如光電效應(yīng)中，光以光子的形式與電子相互作用。而在另一些情況下，光表現(xiàn)出波動性，比如光的干涉和衍射現(xiàn)象。我們可以把光想象成一個具有雙重身份的超級特工。在執(zhí)行某些任務(wù)（光電效應(yīng)相關(guān)的情況）時，它以粒子（光子）的身份出現(xiàn)；在執(zhí)行另一些任務(wù)（干涉和衍射相關(guān)的情況）時，它又以波的身份出現(xiàn)。2、光的波粒二象性的實驗驗證電子雙縫干涉實驗（思想實驗）這個實驗很神奇。如果我們讓電子一個一個地通過兩條狹縫，最后在屏幕上也會出現(xiàn)干涉條紋。這說明電子也具有波粒二象性。電子作為粒子，一個個通過狹縫，但最后卻表現(xiàn)出了像波一樣的干涉現(xiàn)象。就像一群單個行動的小螞蟻，最后卻能組合出像水波干涉那樣有規(guī)律的圖案，這是非常不可思議的。而且，如果我們試圖去觀察電子到底是通過哪條狹縫的，一旦進(jìn)行觀察，干涉條紋就消失了。這就好像這個超級特工（電子）一旦被發(fā)現(xiàn)它走哪條路（觀察它通過哪條狹縫），它就不再以波的形式（不再出現(xiàn)干涉條紋）活動，而是以粒子的形式活動了。五、物質(zhì)波1、德布羅意物質(zhì)波假說德布羅意提出了一個大膽的假說，他認(rèn)為不僅光具有波粒二象性，一切微觀粒子都具有波粒二象性。他提出了物質(zhì)波的概念，微觀粒子的波長λ＝＼frac{h}｛p}，其中h是普朗克常量，p是微觀粒子的動量。這個假說在當(dāng)時是非常超前的。就像我們突然發(fā)現(xiàn)身邊的小石子、小沙子（微觀粒子）都有像光一樣的雙重身份。例如，電子，我們之前一直認(rèn)為它是一個小粒子，但按照德布羅意的假說，它也有波長。2、物質(zhì)波的實驗驗證電子衍射實驗后來人們做了電子衍射實驗。當(dāng)電子束通過晶體時，出現(xiàn)了衍射現(xiàn)象，就像光的衍射一樣。這就證明了電子確實具有波動性，也就是驗證了德布羅意物質(zhì)波假說。這就好比我們發(fā)現(xiàn)小螞蟻（電子）在通過一些特殊的障礙物（晶體）時，也能像水波一樣彎曲傳播，出現(xiàn)有規(guī)律的圖案。習(xí)題：1、簡述微粒說和波動說在解釋光現(xiàn)象時各自的優(yōu)勢和局限性。2、光電效應(yīng)有哪些主要的實驗現(xiàn)象？愛因斯坦的光子說是如何解釋這些現(xiàn)象的？3、解釋光的波粒二象性的概念，并舉例說明在哪些情況下光表現(xiàn)出粒子性，哪些情況下表現(xiàn)出波動性。4、根據(jù)德布羅意物質(zhì)波假說，計算一個質(zhì)量為m，速度為v的微觀粒子的波長。5、在電子雙縫干涉實驗（思想實驗）中，為什么一旦觀察電子通過哪條狹縫，干涉條紋就會消失？答案：1、微粒說的優(yōu)勢：能直觀地解釋光沿直線傳播、反射等現(xiàn)象，例如光的反射就像小球的反彈。局限性：難以解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，因為微粒說無法理解像小珠子一樣的光如何能出現(xiàn)干涉那樣的有規(guī)律的條紋。波動說的優(yōu)勢：很好地解釋了光的干涉和衍射現(xiàn)象，如雙縫干涉實驗和光的衍射現(xiàn)象，就像水波的疊加和繞過障礙物傳播一樣。局限性：在解釋光電效應(yīng)時遇到困難，按照波動說無法解釋存在截止頻率、光電子最大初動能與光強無關(guān)等現(xiàn)象。2、光電效應(yīng)的主要實驗現(xiàn)象：存在截止頻率，每種金屬有特定頻率，只有入射光頻率大于此值才發(fā)生光電效應(yīng)；光電子最大初動能與入射光頻率有關(guān)而與光強無關(guān)；光電效應(yīng)具有瞬時性。愛因斯坦的光子說解釋：光子能量E＝hν，當(dāng)光子照射金屬表面，一個光子能量被一個電子吸收，若光子能量大于金屬逸出功W_{0}，電子逸出，光電子最大初動能E_{k}＝hνW_{0}。3、光的波粒二象性概念：光既有粒子特性又有波的特性。表現(xiàn)出粒子性的情況：如光電效應(yīng)中，光以光子形式與電子相互作用。表現(xiàn)出