粒子的波动性

粒子的波动性 物理系物理学专业11级年论文() 分类号 学 号 甘肃民族师范学院 题 目 试论光的波动性和粒子性的关系 姓 名 李明娟 专 业 物理学 学 号 2011011400014 系 别 物理与水电工程系 指导教师 李力舟 职 称 教授 日 期 2014-4-15 第 1 页 共 9 页 物理系物理学专业11级年论文(设计) 试论光的波动性和粒子性的关系 摘要:光一直被认为是最小的物质，虽然它是个最特殊的物质，但可以说探 索光的本性也就等于探索物质的本性。历史上，整个物理学正是围绕着物质 究竟是波还是粒子而展开的。光学的任务是研究光的本性，光的辐射、传播 和接收的规律;光和其他物质的相互作用(如物质对光的吸收、散射、光的 机械作用和光的热、电、化学、生理效应等)以及光学在科学技术等方面的 应用。光的波粒二象性简单说就是光既具有波动特性，又具有粒子特性。 关键词:波动性 粒子性 干涉现象 衍射现象 Abstract: the light has long been regarded as the smallest matter, although it is a most special material, but also can explore the nature of light is equal to explore the nature of matter.In history, the whole is surrounding the matter whether it is a wave or particle physics.Optical task is to study the nature of light, the light radiation, transmission and reception of law;The interaction of light and other material (such as the material of light absorption and scattering of the role of the mechanical, optical and light heat, electricity, chemical and physical effects, etc.), and the application of optical in science and technology, etc.The wave-particle duality of light, in a nutshell is light fluctuation characteristics, and the particle characteristics. Keywords: volatility，particle，Interference phenomenon，The diffraction phenomenon 1(光的干涉现象:用太阳光实验时光屏上有彩色条纹，中间为白色光，两侧 由紫到红，用单色光实验时，屏上呈明暗相间条纹，中间为亮纹。干涉现象 是波特有的现象，光的干涉现象说明光是波，但不是机械波。光的频率、波 长、波速是描述光的特征量。 2(光的干涉条件:必须是相干光源产生的光叠加时才能出现 干涉现象。 杨氏相干光源:如图1所示，光线入射单缝S，S为光源，双缝S1、 S2相距很近且距离S等距离，S光源的光传播到S1、S2时，S1、S2成为两 个完全相同的光源，它们具有相同频率，恒定相差。 第 2 页 共 9 页 物理系物理学专业11级年论文(设计) 3.光的干涉现象的成因:如图2所示。O点距S1、S2 距离相等，两束光到O点时“振动”情况完全相同，叠加时互相加强，应为明纹或白光。屏上任意一点A，距S1、S2分别为L1、L2，=L1,L2，为光传播路程之差。 当时，两束光应相互加强，为明纹，n为1、2、3……，λ为波长。时，两束光应相互减弱为暗纹。n为0、1、2……。 4.薄膜干涉 演示实验:金属丝圆环蘸一下肥皂液，形成一层肥皂膜，用单色光照射肥皂膜，圆环肥皂膜上就产生明暗相间的干涉条纹。如何用光的干涉知识解释这一现象，是教学过程中的关键问题。(1)实验装置的特点，肥皂膜在重力作用下而成上薄下厚的楔形，我们虽然不能明显观察到上薄下厚，但是这样微小的厚度之差与光的波长相比还是相当大的。(2)前后膜对入射光线的反射的两列光波同频率。相差恒定满足光产生干涉的条件。(3)前后膜反射两列光波的路程不同，后膜反射光的路程与前膜反射光路之差正好为入射处膜厚度的2倍，对于不同的入射处膜厚度不同，某处膜厚度的2倍正好为波长整数倍时，该处两列光波互相加强，出现明纹，若正好半个波长的奇数倍，互相减弱则为暗纹。 薄膜干射的应用:检查精密零件面质量，增透膜。认真阅读教科书，掌握书上的知识就可以了。关于增透膜的理解问题:只要从能量角度去分析即可顺当理解，两列反射光波互相低消，但不是能量消失，而减少反射光线，增加透过光的强度。 三.光的衍射 1.衍射现象也是波特有现象，光能发生衍射说明光是波。 2.做好衍射实验，用激光做实验效果好，如图3所示， S为点源，当档板小孔较大，在光屏上出现亮斑，亮斑大小由光沿直线传播规律决定如甲、乙图示规律，当小孔很小时，光斑不仅不减小反而增大，出现明暗相间的圆环，光线能传播到被挡板挡住的区域，如丙所示。 第 3 页 共 9 页 物理系物理学专业11级年论文(设计) 光线绕过障碍物的现象叫光的衍射。利用单缝也能产生光的衍射现象。 3.产生明显衍射的条件:小孔或障碍物的大小与光的波长差不多时可产生明显衍射。 关于光的干涉，衍射不仅要掌握干涉，衍射现象，产生条件，会区分干涉和衍射，还应该清楚光的干涉、衍射现象说明光具有波动性。 四.光的颜色和频率的关系。 光的颜色是由频率决定的，当频率不变时，光的颜色不变。可见光中的七色光的由红到紫频率逐渐增大，红光频率最小，紫光频率最大。在真空中各种色光传播速度相同，根据C=，可知红光波长最大，紫光波长最小。在不同介质中光传播速度不同，同一种介质中各种色光传播速度也不同。介质对频率高的色光折射率大，对红光的折射率最小，传播波速最大，对紫光的折射率最大，传播速度最小。无论在什么介质中光的频率均不变化。 五.光是电磁波 1.光和电磁波有很多相同点:传播速度都为C=3.00×108m/s，都可在真空中传播，都能产生反射、折射、干涉、衍射等现象，且其规律相同，实验证实光是电磁波。 2.电磁波谱 可见光:能够引起人视觉的光线，在电磁波中是一个很窄的波段。 红外线:在光谱的红光区外侧一种看不见的光线。特点:热效应。温度高的物体发出红外线较多。红外线的应用:?利用红外线热作用加热，例如:红外线炉，红外线烤箱，红外线干燥器。?远距离摄影，红外线遥感，军事上用的夜视仪。红外线的频率比红光还低。 紫外线:在光谱的紫光区外侧的一种看不见的光线，特点:化学效应。一切高温物体发出的光都含紫外线，紫外线的应用:?利用紫外线很容易使照相底片感光，用紫外线照相能分辨出细微的差别。?紫外线有消毒杀菌的作用，紫外线频率比紫光频率高。 第 4 页 共 9 页 物理系物理学专业11级年论文(设计) 伦琴射线:比紫外线频率还高的一种电磁波，又称x射线，有很强的穿透能力，例如:人体透视，检查金属部件是否有砂眼，裂纹。 γ射线:比伦琴射线频率还高的一种电磁波，穿透能力很强。 电磁波谱:无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线结合起来，构成了范围广泛的电磁波谱。按上列顺序应是频率由低到高的排列。上述各种光本质上都是相同的都是电磁波，只是产生的机理不同。由频率不同各自表出不同的特性。 六.光谱和光谱分析 1.分光镜:结构和原理:如图4所示，A 为平行光管，狭缝S位于透镜L1的焦点，当光线照射到狭缝S所在平面时，S处成为光源且入射透镜L1，经L1折射成为平行光线入射到棱镜P的斜面上。不同频率的光，棱镜的折射率不同，但同频率的光经折射后仍平行。B为望远镜筒，由透镜L2、L3和平面NM组成，棱镜P折射后的光线入射到透镜L2上，平行的单色光经L2的会聚于MN平面上，不同频率光入射方向不同会聚在MN平面上不同位置。在平面MN得到不同颜色光的像。通过目镜L3可以观察到放大的光谱线。如果平面MN位置上放照像底片，就可摄下光谱的像。此仪器叫摄谱仪。 2.发射光谱:由发光物体直接产生的光谱。 连续光谱:由连续分布的一切波长的光组成的。产生条件:炽热的固体，液体及高压气体产生的光谱。 线状光谱:由一些不连续的亮线组成光谱。产生条件:稀薄气体发光。 原子谱线:线状谱线义称原子谱线。各种不同的元素在发光时生成的谱线都是一定的，而不同元素的谱线不同，原子谱线又称为特征谱线。用摄谱仪摄下光谱线，根据特征谱线可以判别发光体是什么元素。 第 5 页 共 9 页 物理系物理学专业11级年论文(设计) 光谱管:比较细的封闭玻璃管，里面装有某元素的低压气，管两端有两个电极。把光谱管接在高压电源上，光谱管就可以发光，用摄谱仪可摄下其光谱，用途:观察某种元素光谱。 3.吸收光谱:高温物体发出的白光通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生光谱。实际见到的光谱是连续光谱的背景上出现几条暗线。 比较吸收光谱暗线与同种元素发射光谱中的明线条数和位置均相同。这表明低温气体原子吸收的光，恰好正是该种原子高温时发出的光。吸收光谱的谱线也是特征谱线。 4.光谱分析:根据光谱鉴别物质和确定它的化学组成，这种叫光谱分析。 光的粒子性 一.光电效应 1.实验:装置:验电器、锌板、用导线连接锌和验电 器。 现象:当紫外线照射锌板时，验电器金属箔张开，验电器带电。 解释实验现象:当光照射锌板时电子从锌板表面飞出来，使锌板带正电，与其连接的验电器带电而金属箔张开。 2.光电效应:在光照射下物体发射光子的现象。 光电子:光电效应中发射出来的电子。 对于碱金属可见光也能出现光电效应。 3.光电效应主要规律，利用图6所示装置进行研究，C为石英窗口，金属板K，A、A为抽成真空的容器。 光电流:光照射极板K时产生光电子，在电场作用下光电子运动到A极板，电流表指示有电流。在不能发生光电效应时无光电流。 第 6 页 共 9 页 物理系物理学专业11级年论文(设计) (1)极限频率:对于任何一种金属，入射光的频率必须大于某一个极限频率才能产生光电效应，低于这个频率的光无论强度如何，照射时间多长都不能产生光电效应。 (2)光电效应的瞬时性:在做实验时，几乎在光照射同时，电流计指示有电流，用手挡住光线马上无光电流。 (3)在单位时间里从极板K发射出的光电子个数跟入射光的强度成正比。 在入射光强度一定时，加大K、A极板间正向电压(A板为高电势)，光电流逐渐加大，当电压大到某值时，光电流不再增大，达到饱和值，称为饱和电流。 当入射光的强度增大饱和电流值增大，光的强度为原来几倍，饱和电流值也为原来几倍，饱和电流的产生是光电效应过程中产生的光电子全部到达A极板，单位时间里产生光电子个数越多，饱和电流值越大。故此单位时间产生光电子个数是入射光强度决定。 (4)光电子最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大。 把K、A极板间正向电压减小为零时，仍有光电流，表明光电子有初动能，不用电场作用也可达到A板，当把K、A极板间电压调为反向电压，对电子做负功，仍然有光电流存在，原因是电子初动能大于电场的功，仍可达A极板，当反向电压增大为v0时，电场力负功W=v0e且等于电子最大初动能，即Ekm=v0e，光电子不能达到A极板，光电流消失。v0为反向截止电压。 当实验中增大光的照射强度时，反向截止电压不变，即光电子最大初动能不变。当改用更高频率的光入射时，反向截止电压增大，入射光频率越大，反向截止电压越大，表明光电子初动能越大。 二.光子 第 7 页 共 9 页 物理系物理学专业11级年论文(设计) 上述光电效应的规律，用光的波动理论均无法解释，而且与光的波动理论矛盾。 1.光子:光是不连续的，而一份一份的，每一份光叫一个光子。光子的能量跟频率有关，其大小为E=h,。h:普郎克恒量，h=6.63×10,34J?s。,:光的频率。 2.对光电效应的解释。 (1)逸出功:光电子克服原子的引力所做的功，对于不同金属有不同的逸出功。产生光电效应的条件是入射光子能量必须大于等于这种金属的逸出功。同种金属的逸出功一定，所以产生光电效应需要光子最低频率一定，此频率为极限频率。不同金属逸出功不同极限频率不同，低于极限频率的光，无论强度多大也不能产生光电子。 (2)某种频率光的强度是由单位时间通过某截面光子个数决定。光的强度增大就是单位时间照射到金属表面光子个数增大，产生光电子个数增多。 (3)最大初动能是金属原子最外层的电子得到光子能量不受任何作用而离金属表面而具有的动能。接受光子能量为，克服逸出功W，最大初动能 。此方程为爱因斯坦光电效应方程。可知最大初动能与入射光频率的关系，但不是正比关系。 三.光的波粒二象性。 光具有波动性，为电磁波，同时又具有粒子性。电磁波的能量是一份一份的。决不能把光的粒子性用宏观的颗粒来理解。应用物质波来理解波粒二象性。 参考文献 [1] 如何理解光的波粒二象性[J].中学生数理化(高二版)，2010，(06) [2] 王萍. 正确理解光的波粒二象性[J].青海师专学报，1999，(S1) [3] 赵凯华，钟锡华，光学(下册)，北京;北京大学出版社，1984(2008 第 8 页 共 9 页 物理系物理学专业11级年论文(设计) 年第17次印刷)。 [4] 母国光，战元令.光学[M].北京;人民教育出版社，1978.10. [5] 褚圣麟.原子物理学[M].北京;高等教育出版社，1979.6. 第 9 页 共 9 页