2019高考物理模型系列之对象模型专题14光子模型学案

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1、专题14光子模型模型界定本模型是有关于光的本性、光的粒子性及光子与其它物体的作用规律，不涉及光的波动性规律问题。模型破解1.光子起源1900年，M.普朗克解释黑体辐射能量分布时作出量子假设，物质振子与辐射之间的能量交换是不连续的，一份一份的，每一份的能量为hν；1905年阿尔伯特·爱因斯坦进一步提出光波本身就不是连续的而具有粒子性，爱因斯坦称之为光量子；1923年A.H.康普顿成功地用光量子概念解释了X光被物质散射时波长变化的康普顿效应，从而光量子概念被广泛接受和应用，1926年正式命名为光子。2.光子的粒

2、子特性(i)光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能量的多少正比于光波的频率大小，频率越高,能量越高,.当一个光子被原子吸收时，就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的原子就从基态变成了激发态。　　(ii)光子具有能量，也具有动量，更具有质量.按照质能方程，，求出光子的质量为,光子的动量为　.　光子由于无法静止，所以它没有静止质量，这儿的质量是光子的相对论质量.(iii)光子速度在真空中光子的速度为光速，能量E和动量p之间关系通过光速相联系p=E/c；(iv)光子的能量和动量仅与光子

3、的频率ν有关；或者说仅与波长λ有关。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声波一样的波动性，光子的波动性有光子的衍射而证明，光子的粒子性是由光电效应证明。光子对时间的平均特性表现为波动性,瞬时特性表现为粒子性,也即大量光子的集体行为表现为波动性,少量光子表现为粒子性.波长越长波动性越显著,衍射能力越强;波长越短粒子性越显著,贯穿能力越强.4.光子的产生光子能够在很多自然过程中产生，例如：在分子、原子或原子核从高能级向低能级跃迁时电荷被加速的过程中会辐射光子，粒子和反粒子湮灭时也会产生光子；

4、在上述的时间反演过程中光子能够被吸收，即分子、原子或原子核从低能级向高能级跃迁，粒子和反粒子对的产生。粒子和其反粒子的湮灭过程一定产生至少两个光子,如。原因是在质心系下粒子和其反粒子组成的系统总动量为零，由于动量守恒，所产生光子的总动量也必须为零；由于单个光子总具有不为零的动量，系统只能产生两个或两个以上的光子来满足总动量为零。所产生光子的频率，即它们的能量，则由能量-动量守恒定律（四维动量守恒）决定。5.黑体辐射(i)黑体如果某种物体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

5、称黑体.(ii)黑体辐射实验规律随着温度的升高，黑体辐射一方面各种波长的辐射强度都增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动.(iii)能量量子化①能量子振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值E的整数倍，这个不可再分的最小能量值E叫做能量子:.是电磁波的频率，h是普朗克常量，其值为h=6.626×10-34J·s②在微观世界中，能量不能连续变经，只能取某些分立值，这种现象叫做能量量子化.在吸引或发射能量的时间，粒子只能从这些状诚之一飞跃地过渡到其他的任何一个状态，而不能停留在不符合这些能量的任

6、何中间状态.因而物质在吸引或发射能量时也只能是E的整数倍.6.光电效应(i)光电效应在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子.(ii)实验规律．每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率（或称截止频率），即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长（或称红限波长）。当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使电子逸出。　　．光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。　　．光电效应的瞬时性。实验发现，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论

7、强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，即几乎在照到金属时立即产生光电流。响应时间不超过十的负九次方秒（1ns）。④.入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的光电子数目。在光颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，即一定颜色的光，入射光越强，一定时间内发射的电子数目越多。(iii)光子说1905年，爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广。他指出：不仅黑体和辐射场的能量交换是量子化的，而且辐射场本身就是由不连续的光量子组成，每一个光量子的与辐射场频率之间满足E=hν，即它的能量只与光

8、量子的频率有关，而与强度（振幅）无关。　　(iv)爱因斯坦光电效应方程　　根据爱因斯坦的光量子理论，射向金属表面的光，实质上就是具有能量E=hν的光子流。如果照射光的频率过低，即光子流中每个光子能量较小，当他照射到金属表面时，电子吸收了这一光子，它所增加的E=hν的能量仍然小于电子脱离金属表面所需要的逸出功，电子就不能脱离开金属表面，因而不能产生光电效应。如果照射光的频率高到能使电子吸收后其能量足以克服逸出功而脱