1、高中物埋系列模型之對象模型14.光子模型模型界定本模型是有關于光的本性、光的粒子性及光子與其它物體的作用規律，不涉及光的波動性規律問題。模型破解1 .光子起源1900年，M.普朗克解釋黑體輻射能量分布時作出量子假設，物質振子與輻射之間的能量交換是不連續的，一份一份的，每一份的能量為hv；1905年阿爾伯特愛因斯坦進一步提出光波本身就不是連續的而具有粒子性，愛因斯坦稱之為光量子；1923年A.H.康普頓成功地用光量子概念解釋了X光被物質散射時波長變化的康普頓效應，從而光量子概念被廣泛接受和應用，1926年正式命名為光子。2 .光子的粒子特性(i)光子是光線中攜帶能量的粒子。一個光子能量的多少正比

2、于光波的頻率大小，頻率越高，能量越高，E=hv.當一個光子被原子吸收時，就有一個電子獲得足夠的能量從而從內軌道躍遷到外軌道，具有電子躍遷的原子就從基態變成了激發態。(ii)光子具有能量，也具有動量，更具有質量2h按照質能萬程，E=mc=hv,求出光子的質量為mf，光子的動量為chhp=mc=c光子由于無法靜止，所以它沒有靜止質量，這兒的質量是光子的相對論質量(iii)光子速度在真空中光子的速度為光速，能量E和動量p之間關系通過光速相聯系p=E/c;(iv)光子的能量和動量僅與光子的頻率V有關；或者說僅與波長入有關。3 .光子具有波粒二象性光子像一粒一粒的粒子的特性又有像聲波一樣的波動性，光子的

3、波動性有光子的衍射而證明，光子的粒子性是由光電效應證明。光子對時間的平均特性表現為波動性，瞬時特性表現為粒子性，也即大量光子的集體行為表現為波動性少量光子表現為粒子性.波長越長波動性越顯著衍射能力越強；波長越短粒子性越顯著，貫穿能力越強.4 .光子的產生光子能夠在很多自然過程中產生，例如：在分子、原子或原子核從高能級向低能級躍遷時電荷被加速的過程中會輻射光子，粒子和反粒子湮滅時也會產生光子；在上述的時間反演過程中光子能夠被吸收，即分子、原子或原子核從低能級向高能級躍遷，粒子和反粒子對的產生。粒子和其反粒子的湮滅過程一定產生至少兩個光子，如;e+：e-20T。原因是在質心系下粒子和其反粒子組成的

4、系統總動量為零，由于動量守恒，所產生光子的總動量也必須為零；由于單個光子總具有不為零的動量，系統只能產生兩個或兩個以上的光子來滿足總動量為零。所產生光子的頻率，即它們的能量，則由能量-動量守恒定律(四維動量守恒)決定。5 .黑體輻射(i)黑體如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生反射，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體.(ii)黑體輻射實驗規律隨著溫度的升高，黑體輻射一方面各種波長的輻射強度都增加，另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動(iii)能量量子化能量子振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值E的整數倍，這個不可再分的最小能量值E叫做能量子:V是電磁波的頻率，h是

5、普朗克常量，其值為h=6.62610-34Js在微觀世界中，能量不能連續變經，只能取某些分立值，這種現象叫做能量量子化.在吸引或發射能量的時間，粒子只能從這些狀誠之一飛躍地過渡到其他的任何一個狀態，而不能停留在不符合這些能量的任何中間狀態.因而物質在吸引或發射能量時也只能是E的整數倍.6 .光電效應光電效應在光的照射下物體發射電子的現象，叫做光電效應，發射出來的電子叫做光電子（ii）實驗規律.每一種金屬在產生光電效應是都存在一極限頻率（或稱截止頻率），即照射光的頻率不能低于某一臨界值。相應的波長被稱做極限波長（或稱紅限波長）。當入射光的頻率低于極限頻率時，無論多強的光都無法使電子逸出。.光電效

6、應中產生的光電子的速度與光的頻率有關，而與光強無關。.光電效應的瞬時性。實驗發現，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮度無論強弱，光子的產生都幾乎是瞬時的，即幾乎在照到金屬時立即產生光電流。響應時間不超過十的負九次方秒（1ns）。.入射光的強度只影響光電流的強弱，即只影響在單位時間內由單位面積是逸出的光電子數目。在光顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大，即一定顏色的光，入射光越強，一定時間內發射的電子數目越多。（iii）光子說1905年，愛因斯坦把普朗克的量子化概念進一步推廣。他指出：不僅黑體和輻射場的能量交換是量子化的，而且輻射場本身就是由不連續的光量子組成，每一個光量子的與輻射場頻

7、率之間滿足E=hv,即它的能量只與光量子的頻率有關，而與強度（振幅）無關。（iv）愛因斯坦光電效應方程根據愛因斯坦的光量子理論，射向金屬表面的光，實質上就是具有能量E=hv的光子流。如果照射光的頻率過低，即光子流中每個光子能量較小，當他照射到金屬表面時，電子吸收了這一光子，它所增加的E=hv的能量仍然小于電子脫離金屬表面所需要的逸出功，電子就不能脫離開金屬表面，因而不能產生光電效應。如果照射光的頻率高到能使電子吸收后其能量足以克服逸出功而脫離金屬表面，就會產生光電效應。此時逸出電子的動能、光子能量和逸出功之間的關系可以表示成：光子能量=移出一個電子所需的能量（逸出1 2功）+被發射的電子的動能

8、，即hvmvW。.2根據愛因斯坦光量子理論，光電效應中光電子的能量決定于照射光的頻率，而與照射光的強度無關，故可以解釋實驗規律的第一、第二兩條。其中的極限頻率期0是指光量子的能量剛好滿足克服金屬逸出功的光量子頻率，即h0-Wo而不同的金屬電子逸出所需要的能量不同，所以不同金屬的極限頻率不同。對第三條，由于當光量子的能量足夠，不管光強(只決定于光量子的數目)如何，電子在吸收了光量子后都可馬上逸出，故可立即產生光電效應，不需要積累過程。當光照射到金屬表面時，其強度越大表明光量子數越多，它被金屬中電子吸收的可能性越大，因此就可以解釋為什么被打出的電子數只與光的強度有關而與光的頻率無關。7 .康普頓效

9、應(i)康普頓效應在散射波中，除有與入射波的波長相同的射線外，還有波長比入射波的波長更大的射線.人們把這種波長變化的現象叫彳物羨普頓效應.(ii)對康普頓效應的解釋在X射線散射現象中，假定X射線光子與電子發生完全彈性碰撞，這種碰撞跟臺球比賽中的兩球碰撞很相似.按照愛因斯坦的光子說，一個X射線光子不僅具有能量E=hv,而且還具有動量.相對X射線光子的能量，物質中電子的動能是很小的，電子可以近似看成是靜止的.這個光子與靜止的電子發生彈性斜碰，碰撞過程中光子和電子的總能量守恒，總動量守恒，光子把部分能量轉移給了電子，能量由hv減小為hv,因此頻率減小，波長增大.同時，光子要把一部分動量轉移給電子，因

10、而光子動量變小，從p=h/入看，動量p減小也意味著波長入變大，因此有些光子散射后波長變大.(iii)康普頓效應的意義證明了愛因斯坦光子說的正確性.揭示了光子不僅具有能量，還具有動量.揭示了光具有粒子性的一面.證實了在微觀粒子的單個碰撞事件中動量守恒定律和能量守恒定律仍然成立例1.下列描繪兩種溫度下黑體輻射強度與波長關系的圖中，符合黑體輻射規律的是他射強度獨射強網川強唯加的懼度(A)(U)(：)(D)例2.在光電效應試驗中，某金屬的截止頻率相應的波長為九0,該金屬的逸出功為。若用波長為九(K%0)單色光做實驗，則其截止電壓為。已知電子的電荷量，真空中的光速和布朗克常量分別為e,c和h例3.已知金

11、屬甲發生光電效應時產生光電子的最大初動能跟人射光的頻率關系如直線I所示.現用某單色光照射金屬甲的表面，產生光電子的最大初動能為Ei,若用同樣的單色光照射金屬乙表面，產生的光電子的最大初動能如圖所示.則金屬乙發生光電效應時產生光電子的最大初動能跟人射光的頻率關系圖線應是A.aB.bC.cD.上述三條圖線都有可能例4.關于光電效應，下列說法正確的是A.極限頻率越大的金屬材料逸出功越大8 .只要光照射的時間足夠長，任何金屬都能產生光電效應C.從金屬表面出來的光電子的最大初動能越大，這種金屬的逸出功越小D.入射光的光強一定時，頻率越高，單位時間內逸出的光電子數就越多例5.美國物理學家康普頓在研究石墨對

12、X射線的散射時，發現光子除了有能量之外還有動量，其實驗裝置如圖所示，被電子散射的X光子與入射的X光子相比.A,速度減小B.頻率減小C.波長減小D.能量減小模型演練1 .關于近代物理，下列說法正確的是。(填選項前的字母)A.射線是高速運動的氯原子B.核聚變反應方程：/弁迫髓即中，標表示質子C.從金屬表面逸出的光電子的最大初動能與照射光的頻率成正比D.玻爾將量子觀念引入原子領域，其理論能夠解釋氯原子光譜的特征1921年的諾貝爾物理學獎。某種金2 .愛因斯坦提出了光量子概念并成功地解釋光電效應的規律而獲得屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率V的關系如圖所示，其中0為極限頻率。從圖中可以確定的。

13、（填選項前的字母）A.逸出功與v有關B.Ekm于入射光強度成正比C.vo時，會逸出光電子D.圖中直線的斜率與普朗克常量有關K),鈉極板發射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流。下列光電流I與AK之間的電壓Uak的關3 .研究光電效應電路如圖所示，用頻率相同、強度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板（陰極系圖象中，正確的是（2）鈉金屬中的電子吸收光子的能量，從金屬表面逸出，這就是光電子。光電子從金屬表面逸出的過程中，其動量的大小（選填增大、減小”或不變”）原因是4 .用頻率為v的光照射某金屬表面，逸出光電子的最大初動能為E;若改用頻率為V的另一種光照射該金屬表面，逸出光電子的最大初動能為。(

14、填選項前的字母)vA.3vB.-35.(1)下列說法正確的是3E。已知普朗克常量為h,則v=C. 2EvhD. 2E-vhA、黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關B、普朗克提出了物質波的概念，認為一切物體都具有波粒二象性。C、波爾理論的假設之一是原子能量的量子化D、氫原子輻射出一個光子后能量減小，核外電子的運動加速度減小(2)如圖所示是研究光電效應規律的電路。圖中標有A和K的為光電管，其中K為陰極，A為陽極。現接通電源，用光子能量為10.5eV的光照射陰極K,電流計中有示數，若將滑動變阻器的滑片P緩慢向右滑動，電流計的讀數逐漸減小，當滑至某一位置時電流計的讀數恰好為零，讀出此時電

15、壓表的示數為6.0V;則光電管陰極材料的逸出功為eV,現保持滑片P位置不變，增大入射光的強度，電流計的讀數。(選填為零”、或不為零”)6.(1)在光電效應實驗中，小明同學用同一實驗裝置(如圖1)在甲、乙、丙三種光的照射下得到了三條電流表與電壓表讀數之間的關系曲線，如圖(2)所示.則圖(A)乙光的頻率小于甲光的頻率(B)甲光的波長大于丙光的波長(C)丙光的光子能量小于甲光的光子能量(D)乙光對應的光電子最大初動能小于丙光的光電子最大初動能(2)用加速后動能為Ek0的質子：；H轟擊靜止的原子核x,生成兩個動能均為Ek的；He核，并釋放出一個頻率為v的光子.寫出上述核反應方程并計算核反應中的質量虧損

16、.（光在真空中傳播速度為c）7 .光照射到金屬上時，一個光子只能將其全部能量傳遞給一個電子，一個電子一次只能獲取一個光子的能量，成為光電子，因此極限頻率是由（金屬/照射光）決定的。如圖所示，當用光照射光電管時，毫安表的指針發生偏轉，若再將滑動變阻器的滑片P向右移動，毫安表的讀數不可能（變大/變小/不變）。Fi?8 .如圖所示是光電管的使用原理圖，已知當有波長為九。的光照射到陰極K上時，電路中有光電流，則苴流電源-A.若換用波長為（%A%）的光照射陰極K時，電路中一定沒有光電流B.若換用波長為（%）的光照射陰極K時，電路中一定有光電流C.增加電路中電源兩極電壓，電路中光電流一定增大D.若將電源極

17、性反接，電路中一定沒有光電流產生9 .用波長為九和2K的光照射同一種金屬，分別產生的速度最快的光電子速度之比為2:1,普朗克常數和真空中光速分別是陸Dc表示，那么下列說法正確的有（）A.該種金屬的逸出功為hc/3九B.該種金屬的逸出功為hc/九C.波長超過2九的光都不能使該金屬發生光電效應D.波長超過4九的光都不能使該金屬發生光電效應10 .金屬中存在大量的價電子（可理解為原子的最外層電子），價電子在原子核和核外的其他電子產生的電場中運動，電子在金屬外部時的電勢能比它在金屬內部作為價電子時的電勢能大，前后兩者電勢能的差值稱為勢壘，用符號V表示，價電子就像被關在深度為V的方箱里的粒子，這個方箱叫做勢阱，價電子在勢阱內運動具有動能，但動能的取值是連續的，價電子處于最高能級時的動能稱為費米能，用Ef表示.用紅寶石激光器向金屬發射頻率為v的光子，具有費米能的電子如果吸收了一個頻率為v的光子而跳出勢阱。則A.具有費米能的電子跳出勢阱時的動能為Ek=hv-V+EfB.具有費米能的電子跳出勢阱時的動能為Ek=hv-V-EfC.若增大激光的強度，具有費米能的電子跳出勢阱時的動能增大D.若