高中物理鲁科版 (2019)必修 第三册第4节 初识光量子与量子世界学案

第4节   初识光量子及量子世界

1.初步了解普朗克“量子假说”的背景，体会经典力学的局限性。知道普朗克“量子假说”的主要内容。

2.初步了解爱因斯坦“光量子说”的含义，了解光的微粒说与波动说之争，知道光具有波粒二象性。

【重点】初步建立量子化的概念。

一、光的量子化

1.光的本性认识史

（1）17世纪牛顿的微粒说：光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播.能解释光的反射等现象，不能解释光的互不干扰、同时发生的反射和折射、在介质中v<c等问题.

（2）17世纪惠更斯的波动说：光是在空间传播的某种波.能解释光的互不干扰、同时发生的反射和折射，但不能解释影子的形成、传播不需要介质等问题.

（3）19世纪60年代麦克斯韦的电磁说：光是一种电磁波，具电磁本性.使波动理论发展到了相当完美的地步.根据有：电磁波速等于光速；传播不需要介质；不能完美地解释光电效应

（4）20世纪初爱因斯坦的光子说：光是不连续的，是一份一份的，每一份叫一个光子，E=hν.注意，这完全不同于牛顿的“微粒”.爱因斯坦吸收了普朗克的量子思想，很好地解释了光电效应，又保留了电磁波的特征.

（5）20世纪前期德布罗意的波粒二象性：光是一种波，同时也是一种粒子，即光具有波粒二象性.

2.两种不同的光波理论

两种观点的争论焦点是：光波传播是否需要介质？（1）寻找这种介质“以太”的彻底失败（本来无一物，何来自寻烦）.（2）电磁波本身就是物质，自身携带能量，无须借助介质传播.（3）但还有另一个主要问题还未解决，光波是否就是电磁波？麦克斯韦的电磁场理论证明了电磁场的速度等于光速，并由此看到了两者间的联系.赫兹又从实验得到了证实，光的行为与电磁波的行为一致.从而在理论和实验上证明了光确实是一种电磁波.它揭露出光现象的电磁本质，把光、电、磁统一起来，加深了我们对物质世界的联系的认识.光的电磁说是对光的波动说的扬弃，保留了波的特质，抛弃了它机械振动、传播连续的成分.

3.爱因斯坦抛弃了牛顿微粒说中机械运动的成分，吸收了（对方——波动说）电磁辐射量子化的研究成果，把电磁辐射量子化转变、发展成为光行为的量子化，即光子说，重新恢复了光的粒子性的权威.但是，光子的物质性、不连续性并非牛顿微粒说意义下的实物粒子，光子没有静止质量，就个别光子而言，它与宏观质点的运动不同，没有一定的轨道，因而无法对个别光子的行为作出“科学的”预测，它的行为不服从牛顿经典力学.光子说使光的粒子性有了新的内容.

4.在对光本性的认识过程中，惠更斯的波动说和牛顿的微粒说是相互排斥、相互对立的.后来发展成为光的电磁说和光子说.人们发现，这两种相互对立的学说彼此都含有对方的成分，无法划清界线，更无法绝对独立，谁都不能说自己就是客观真理.光学说发展到此，已无法逃避辩证的综合.中国有句古话，叫做两极相通.人们终于明白，光的波动性的粒子性，不过是光这一客观事物矛盾对立的两个方面，它们共存于光这个统一体中，是矛盾的对立统一，彼此以对方存在为前提，这就是光的波粒二象性.它排除了非此即彼的形而上学观念（这正是形式逻辑的重大特征！），建立了亦此亦彼的辩证观念，即在一定条件下承认非此即彼，在另一条件下又承认亦此亦彼.对光来说，一定条件下（大量光子、传播过程、低频率光）波动性上升为矛盾主要方面，则波动性显著；而在另一条件下（个别光子、光与物质作用、同频率光子）粒子性上升为矛盾主要方面，则粒子性显著.所谓彼一时也，此一时也，在微观世界里也存在着.在宏观物体来说不可思议的波粒二象性，在微观世界里却是真实的图景.矛盾啊！然而是事实.只有辩证思维才可以把握.一切都依时间、地点、条件为转移，所以要对具体问题作具体分析，才能准确把握对象的情况，作出正确的认识.

5.光子说并没有否定电磁说.光子有能量E=hν=hc/λ，光子有动量p=hν/c=h/λ，E、p是粒子特征，ν、λ是波的特征.它们共同揭示了光的波粒二象性，在这两个公式中，光的波粒二象性被很好地统一起来.彼此含有对方的成分，无法分开.

6.总之，要理解多种频率的电磁波（或者说各种频率的光子），就必须综合运用波动观点和粒子观点，这是由于二者是光不可分割的的属性，即波粒二象性.至此，我们终于认识到微观世界具有的特殊规律.

二、初识量子世界

1、不连续的能量

德国物理学家普朗克用了六年的时间，在用经典理论无论如何都解释不了实验结果的情况下，他不得已提出了新的假说.这就是非常著名的量子假说，成功地解决了“紫外灾难”.

普朗克的量子假说认为，物质辐射（或吸收）的能量是一份一份的，就像物质是由一个个原子组成的一样.将这样的一份份能量称为量子.而且他还给出了量子的能量与波长成反比，与频率成正比.即，公式中h是普朗克常量，h=6.626

，是微观现象量子特性的表征.物质辐射（或吸收）的能量只能是ɛ的整数倍即：E=nɛ(n=1，2，3，)

量子化与连续性的相对性我们可以这样去理解，在宏观世界里能量体现的是连续的，在微观世界里量子化或不连续性是显著的.量子化假说的提出，使人类对世界的认识由宏观转向了微观世界，极大地开拓了我们的眼界.

既然我们已经掌握了探究微观世界的有力武器——量子，下面我们就来更深入地研究微观世界的物质体现的特性，看看和我们再熟悉不过的宏观世界有哪些不同的地方.

2、物质的波粒二象性

人类历史上对光的本质有两种不同的认识，其实不管是牛顿的微粒说还是惠更斯的波动说都是为了解释某一特定的现象才引入的.所以它们都有各自的弊端.一些问题的难以解决又将人们带入了对光的本质的重新认识.

关键时刻又是爱因斯坦带来了新鲜的血液.他将普朗克的量子化理论用在了解释光的本质上.

法国物理学家德布罗意进一步提出了物质波的理论（获1929年诺贝尔物理学奖），根据这一理论，每个物质粒子都伴随着一种波，即物质波，又称为概率波.这个理论揭示了物质的统一性.

总之，物质具有波粒二象性，我们要注意粒子性的本质在于不连续；波动性的实质在于对微观物体状态及运动描述的不确定性，不能把物质波理解为经典的机械波和电磁波.

3、物质波粒二象性的实践应用

光学显微镜和电子显微镜的设计与制造原理，就是充分利用物质的波动性.当今技术可以制造出观察原子的扫描隧道显微镜.

【例1】.在下列各组所说的两个现象中，都表现出光具有粒子性的是（   ）

A.光的折射现象、偏振现象

B.光的反射现象、干涉现象

C.光的衍射现象、色散现象

D.光电效应现象、康普顿效应

【例2】．为了验证光具有波动性，某同学采用下列做法，其中可行的是(　　)

A．让一束光照射到一个轻小物体上，观察轻小物体是否会振动

B．让一束光通过一狭缝，观察是否发生衍射现象

C．让一束光通过一圆孔，观察是否发生小孔成像

D．以上做法均不可行

1.(多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是（   ）

A.大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性

B.光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子

C.高频光是粒子，低频光是波

D.波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著

2．(多选)对于带电微粒辐射和吸收能量时的特点下列说法正确的有(　　)

A．以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收的

B．辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍

C．吸收的能量可以是连续的

D．辐射和吸收的能量是量子化的

参考答案

【例1】解析：干涉、衍射、偏振都是光的波动性的表现，只有光电效应现象和康普顿效应都是光的粒子性的表现，D正确.

答案：D

【例2】解析：光波是一种概率波，不能理解为质点参与的振动，故A不可行；经过狭缝的光在屏上能产生明暗相间的衍射条纹，故B可行；光通过小孔成像，说明了光的直线传播，故C不可行．

答案：B

1.解析：根据光的波粒二象性知，A、D正确，B、C错误.

答案：AD

2．解析：根据普朗克的量子理论 ，能量是不连续的，其辐射和吸收的能量只能是某一最小能量单位的整数倍，故A、B、D均正确而C错误．

【答案】　ABD