第1、2节 能量量子化__光的粒子性

1．能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发

生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。黑体辐射电磁波的强度只与黑体的温度有关。 2．能量子：不可再分的最小能量值ε，ε＝hν。 3．照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表

面逸出的现象，叫光电效应。爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0。

4．光电效应现象和康普顿效应均说明了光具有粒

子性。

一、黑体与黑体辐射 1．热辐射

我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关。 2．黑体

指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。 3．一般材料物体的辐射规律

辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。 4．黑体辐射的实验规律

图17-1-1

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，如图17-1-1所示。

(1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加；

(2)随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 二、能量子

1．定义：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。

2．能量子大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.626×10

－34

J·s(一般取h＝6.63×10

－34

J·s)。

3．能量的量子化：在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。 三、光电效应的实验规律

1．光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。 2．光电子：光电效应中发射出来的电子。 3．光电效应的实验规律：

(1)存在着饱和光电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。

(2)存在着遏止电压和截止频率：光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。

(3)光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬间发生的，从光照射到产生光电流的时间不超过10 s。

4．逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。不同金属的逸出功不同。 四、爱因斯坦的光子说与光电效应方程

1．光子说：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，这些能量子被称为光子。

2．爱因斯坦的光电效应方程：

(1)表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν—W0。

(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek。

五、康普顿效应和光子的动量

1．光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。

2．康普顿效应：美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。

3．康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭

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示了光的粒子性的一面。

4．光子的动量： (1)表达式：p＝。

(2)说明：在康普顿效应中，入射光子与晶体中电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，光子的动量变小。因此，有些光子散射后波长变大。

hλ

1．自主思考——判一判 (1)黑体一定是黑色的。(×) (2)热辐射只能产生于高温物体。(×) (3)能产生光电效应的光必定是可见光。(×) (4)经典物理学理论不能合理解释康普顿效应。(√) (5)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。(√)

(6)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。(√) 2．合作探究——议一议

(1)不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的最大初动能是否相同？

提示：由于同一金属的逸出功相同，而不同频率的光的光子能量不同，由光电效应方程可知，发生光电效应时，逸出的光电子的最大初动能是不同的。

(2)太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中会发现尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？

提示：在地球上存在着大气，太阳光经微粒散射后传向各个方向，而在太空中的真空环境下光不再散射只向前传播。

对黑体和黑体辐射的理解

1．黑体实际上是不存在的，只是一种理想情况，但如果做一个闭合的空腔，在空腔表面开一个小孔，小孔就可以模拟一个黑体，如图17-1-2所示。这是因为从外面射来的电磁波，经小孔射入空腔，要在腔壁上经过多次反射，在多次反射过程中，外面射来的电磁波几乎全部被腔壁吸收，最终不能从空腔射出。

图17-1-2

2．黑体不一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的；有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被当做黑体来处理。

3．黑体同其他物体一样也在辐射电磁波，黑体的辐射规律最为简单，黑体辐射强度只与温度有关。

4．一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点

热辐射不一定需要高温，任何温度都能发生热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强。在一定温度下，不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同。

一般 物体 黑体 热辐射特点 辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类、表面状况有关 辐射电磁波的强弱按波长的分布只与黑体的温度有关 吸收、反射的特点 既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波的波长等因素有关 完全吸收各种入射电磁波，不反射

1．(多选)下列叙述正确的是( ) A．一切物体都在辐射电磁波

B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关

C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关 D．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波

解析：选ACD 根据热辐射定义知A对；根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关，B错、C对；根据黑体定义知D对。

2．(多选)黑体辐射的实验规律如图17-1-3所示，由图可知( )

图17-1-3

A．随温度升高，各种波长的辐射强度都增加 B．随温度降低，各种波长的辐射强度都增加

C．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动