第十三章波粒二象性原子結構和原子核第一節光電效應波粒二象性1．在光(可見光或不可見光)的照射下，物體發射電子的現象稱為光電效應，發射出的電子叫光電子。2．光是一份一份地不連續傳播的，每一份叫做一個光子，光子的能量與它的頻率成正比。每個光子的能量為E＝hν(h為普朗克常數，等于6.63×10－34J·S，ν為光的頻率)。3．任何一個物體，都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率，才能發生光電效應。4．發生光電效應時，電子克服金屬原子核的引力逸出時，具有的動能大小不同。金屬表面上的電子吸收光子后逸出時動能的最大值，稱為最大初動能。5．光子的最大初動能，與入射光的強度無關，只隨入射光的頻率增大而增大。6．當入射光的頻率大于金屬極限頻率時，光電流強度(反映單位時間內發射出的光電子數目的多少)與入射光的強度成正比。7.金屬中的電子在飛出金屬表面時要克服原子核對它的吸引而做功。某種金屬中的電子，脫離這種金屬所需的功不一樣，使電子脫離某種金屬所做的功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。8．如果光子能量為hν，金屬的逸出功為W，金屬在該光的照射下能發生光電效應，則逸出光電子的最大初動能Ek＝hν－W。9．光既具有粒子性，又具有波動性，這種性質叫做光的波粒二象性。大量的光子運動規律表現出光的波動性，個別光子運動規律表現出光的粒子性；10．光的波長越長，波動性越明顯，越容易觀察到光的干涉和衍射，光頻率越高，粒子性越明顯，貫穿本領越強；11．任何一個運動的物體，小到微觀粒子，大到宏觀物體，都具有波動性，這種波叫做物質波，也叫德布羅意波，其波長λ＝eq\f(h,P)(P是物體動量，h為普朗克常量)。12．物質波既不是機械波，也不是電磁波，物質波是一種概率波。例1用一束紫外線照射某金屬時不能產生光電效應，可能使該金屬發生光電效應的措施是()A．改用頻率更小的紫外線照射B．改用X射線照射C．改用強度更大的原紫外線照射D．延長原紫外線的照射時間【解析】某種金屬能否發生光電效應取決于入射光的頻率，與入射光的強度和照射時間無關，不能發生光電效應，說明入射光的頻率小于金屬的極限頻率，所以要使金屬發生光電效應，應增大入射光的頻率，X射線的頻率比紫外線頻率高，所以本題答案為B。【答案】B例2用某種頻率的紫外線分別照射銫、鋅、鉑三種金屬，從銫中發射出的光電子的最大初動能是2.9eV，從鋅中發射出的光電子的最大初動能是1.4eV，鉑沒有光電子射出，則對這三種金屬逸出功大小的判斷，下列結論正確的是()A．銫的逸出功最大，鉑的逸出功最小B．鋅的逸出功最大，鉑的逸出功最小C．鉑的逸出功最大，銫的逸出功最小D．鉑的逸出功最大，鋅的逸出功最小【解析】根據愛因斯坦光電效應方程，當照射光的頻率一定時，光子的能量就是一個定值，在光電效應中所產生的光電子的最大初動能等于光子的能量減去金屬的逸出功。最大初動能越大，說明這種金屬的電子逸出功越小，若沒有光電子射出，說明光子的能量小于電子的逸出功。因此說鉑的逸出功最大，而銫的逸出功最小。【答案】C例3如圖所示，當開關S斷開時，用光子能量為2.5eV的一束光照射陰極P，發現電流表讀數不為零。合上開關，調節滑動變阻器，發現當電壓表讀數小于0.60V時，電流表讀數仍不為零；當電壓表讀數大于或等于0.60V時，電流表讀數為零。(1)求此時光電子的最大初動能的大小；(2)求該陰極材料的逸出功。【解析】設用光子能量為2.5eV的光照射時，光電子的最大初動能為Ek，陰極材料逸出功為W0，當反向電壓達到U＝0.60V以后，具有最大初動能的光電子也達不到陽極，因此eU＝Ek由光電效應方程有Ek＝hν－W0由以上二式代入數據解得：Ek＝0.6eV，W0＝1.9eV。所以此時最大初動能為0.6eV，該材料的逸出功為1.9eV。【答案】(1)0.6eV(2)1.9eV1．用光照射某種金屬，有光電子從金屬表面逸出，如果光的頻率不變，而減弱光的強度，則()A．逸出的光電子數減少，光電子的最大初動能不變B．逸出的光電子數減少，光電子的最大初動能減小C．逸出的光電子數不變，光電子的最大初動能減小D．光的強度減弱到某一數值，就沒有光電子逸出了2．(多選)下列關于光電效應的說法正確的是()A．若某材料的逸出功是W，則它的極限頻率ν0＝eq\f(W,h)B．光電子的初速度和照射光的頻率成正比C．光電子的最大初動能和照射光的頻率成正比D．光電子的最大初動能隨照射光頻率的增大而增大3．(多選)處于較高能級的氫原子向較低能級躍遷時，能輻射出a、b兩種可見光，a光照射某金屬表面時有光電子逸出，b光照射該金屬表面時沒有光電子逸出，則()A．以相同的入射角射向一平行玻璃磚，a光的側移量小于b光的B．垂直入射到同一單縫衍射裝置，a光的衍射中央亮條紋寬度小于b光的C．a光和b光的頻率之比可能是eq\f(20,27)D．a光子的動量大于b光子的4．當用一束紫外線照射鋅板時，產生了光電效應，這時()A．鋅板帶負電B．有正離子從鋅板逸出C．有電子從鋅板逸出D．鋅板會吸附空氣中的正離子5．(多選)關于光的波粒二象性的理解正確的是()A．大量光子的效果往往表現出波動性，個別光子的行為往往表現出粒子性B．光在傳播時是波，而與物質相互作用時就轉變成粒子C．高頻光是粒子，低頻光是波D．波粒二象性是光的根本屬性，有時它的波動性顯著，有時它的粒子性顯著6．愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋了光電效應的規律而獲得1921年諾貝爾物理學獎。某種金屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率ν的關系如圖所示，其中ν0為極限頻率。從圖中可以確定的是()A．逸出功與ν有關B.Ekm與入射光強度成正比C．當ν＜ν0時，會逸出光電子D．圖中直線的斜率與普朗克常量有關7．當具有5.0eV能量的光子照射到某金屬表面后，從金屬表面逸出的電子具有最大的初動能是1.5eV。為了使這種金屬產生光電效應，入射光的最低能量為()A．1.5eV B．3.5eVC．5.0eV D．6.5eV8．(多選)圖為一真空光電管的應用電路，其陰極金屬材料的極限頻率為4.5×1014Hz，則以下判斷中正確的是()A．發生光電效應時，電路中光電流的飽和值取決于入射光的頻率B．發生光電效應時，電路中光電流的飽和值取決于入射光的強度C．用λ＝0.5μm的光照射光電管時，電路中有光電流產生D．光照射時間越長，電路中的電流越大9．(多選)兩種單色光a和b，a光照射某金屬時有光電子逸出，b光照射該金屬時沒有光電子逸出，則()A．在真空中，a光的傳播速度較大B．在水中，a光的波長較小C．在真空中，b光光子的能量較大D．在水中，b光的折射率較小10．(多選)如圖甲所示，在光電效應實驗中，某同學用相同頻率的單色光，分別照射陰極材料為鋅和銅的兩個不同的光電管，結果都能發生光電效應。圖乙為其中一個光電管的遏止電壓Uc隨入射光頻率ν變化的函數關系圖象。對于這兩個光電管，下列判斷正確的是()A．因為材料不同，逸出功不同，所以遏止電壓Uc不同B．光電子的最大初動能不同C．因為光照強度不確定，所以單位時間內逸出的光電子數可能相同，飽和光電流也可能相同D．兩個光電管的Uc－ν圖象的斜率可能不同11．用很弱的光做雙縫干涉實驗，把入射光減弱到可以認為光源和感光膠片之間不可能同時有兩個光子存在，如圖所示是不同數量的光子照射到感光膠片上得到的照片。這些照片說明()A．光只有粒子性沒有波動性B．光只有波動性沒有粒子性C．少量光子的運動顯示波動性，大量光子的運動顯示粒子性D．少量光子的運動顯示粒子性，大量光子的運動顯示波動性1．(多選)在光電效應實驗中，用頻率為ν的光照射光電管陰極，發生了光電效應，下列說法正確的是()A．增大入射光的強度，光電流增大B．減小入射光的強度，光電效應現象消失C．改用頻率小于ν的光照射，一定不發生光電效應D．改用頻率大于ν的光照射，光電子的最大初動能變大2．在光電效應實驗中，用單色光照時某種金屬表面，有光電子逸出，則光電子的最大初動能取決于入射光的()A．頻率 B．強度C．照射時間 D．光子數目3．(多選)在驗證光的波粒二象性的實驗中，下列說法正確的是()A．使光子一個一個地通過單縫，如果時間足夠長，底片上會出現衍射圖樣B．單個光子通過單縫后，底片上會出現完整的衍射圖樣C．光子通過單縫的運動路線像水波一樣起伏D．單個光子通過單縫后打在底片的情況呈現出隨機性，大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現出規律性4．用波長為λ1和λ2的單色光A和B分別照射兩種金屬C和D的表面。單色光A照射兩種金屬時都能產生光電效應現象；單色光B照射時，只能使金屬C產生光電效應現象，不能使金屬D產生光電效應現象。設兩種金屬的逸出功分別為WC和WD，則下列選項正確的是()A．λ1＞λ2，WC＞WD B．λ1＞λ2，WC＜WDC．λ1＜λ2，WC＞WD D．λ1＜λ2，WC＜WD5．(多選)a、b是兩種單色光，其光子能量分別為Ea和Eb，且eq\f(Ea,Eb)＝k，()A．則a、b的光子動量之比eq\f(pa,pb)＝1∶kB．若a、b入射到同一雙縫干涉裝置上，則相鄰亮條紋的間距之比eq\f(Δxa,Δxb)＝1∶kC．若a、b都能使某種金屬發生光電效應，則光電子最大初動能之差Eka－Ekb＝Eb(k－1)D．若a、b是由處在同一激發態的原子躍遷到a態和b態時產生的，則a、b兩態能級之差Ea－Eb＝Eb(k－1)6．入射光線照射到某金屬表面上發生光電效應，若入射光的強度減弱，而頻率保持不變，那么以下說法中正確的是()A．從光照到金屬表面上到發射出光電子之間的時間間隔將明顯增加B．逸出的光電子的最大初動能減小C．單位時間內從金屬表面逸出的光電子數目將減小D．有可能不發生光電效應7．(多選)氫原子的能級圖如圖甲所示，一群氫原子處于量子數n＝4的能級狀態。用其中氫原子輻射出的A、B兩種不同頻率的光子分別照射同一鉀金屬板(如圖乙所示)，發現當A光照射時驗電器的指針偏轉，B光照射時驗電器的指針未偏轉，已知金屬鉀的逸出功為2.25eV，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，則以下說法正確的是()A．這群氫原子可能輻射6種頻率的光子B．有4種頻率的輻射光子能使鉀金屬板發生光電效應C．A光照射鉀金屬板時驗電器的金屬小球帶負電D．氫原子從n＝2能級躍遷到n＝1能級過程中輻射出光子的動量為5.44×10－27kg·m/s8．2003年全世界物理學家評選出“十大最美物理實驗”，排名第一的為1961年物理學家利用托馬斯·楊雙縫干涉實驗裝置(如圖所示)進行電子干涉的實驗。從輻射源輻射出的電子束經兩靠近的狹縫后在顯微鏡的熒光屏上出現干涉條紋，該實驗說明()A．光具有波動性B．光具有波粒二象性C．微觀粒子也具有波動性D．微觀粒子也是一種電磁波9．用如圖甲所示的裝置研究光電效應現象，當用光子能量為5eV的光照射到光電管上時，測得電流計上的示數隨電壓變化的圖象如圖乙所示。則光電子的最大初動能為______J，金屬的逸出功為______J。10．如圖甲所示是研究光電效應規律的光電管。用波長λ＝0.50μm的綠光照射陰極K，實驗測得流過表的電流I與AK之間的電勢差UAK滿足如圖乙所示規律，取h＝6.63×10－34J·s。結合圖象，求：(結果保留兩位有效數字)(1)每秒鐘陰極發射的光電子數和光電子飛出陰極K時的最大動能。(2)該陰極材料的極限波長。第一節光電效應波粒二象性課堂練習1．A2.AD3.BD4.C5.AD6.D7.B8.BC9.BD10.ABC11.D課后練習1．AD2.A3.AD4.D5.BC6.C7.ABD8.C9.3.2×10－194.8×10－1910．【