微观粒子包括电子和光都具有波粒二象性

微观粒子波粒二象性的物理本质

——剖析光子的静止质量与不等于零的实验结果

（作者：夏烆光， 江 欣）

【提 要】：本文从普朗克长度和普朗克时间的定义出发，用《广义时空相对论》给出的光子静止质量计算公式，并结合多位物理学家的实验结果，系统地讨论了光子的静止质量，以及静止质量不等于零的物理意义；进而指出了量子力学波函数的叠加原理与微观粒子波粒二象性的物理本质。坦率地说，这些学术观点对于正确认识狭义相对论、量子力学态的叠加原理与波粒二象性的物理本质，具有重要的学术价值。

【关键词】：普朗克长度 普朗克时间 波粒二象性 广义时空相对论 狭义相对论 光子的静止质量 质量单

元 康普顿波长 机率波动频率 态的叠加原理

引 言

普朗克质量的意义，大约是一个“史瓦西半径”等同于“康普顿波长”的“黑洞”所包含的质量。这个黑洞的半径就是一个普朗克长度。透过思想实验指出（请注意，思想实验是建立在传播速度为无穷大的绝对主义时空观念之上！）：想像要测量一个物体的位置，需要用投射到该物体之上的反射光。如果要求提高位置的测量精度，必须使用更短波长的光子。这就意味着光子的能量要更高。如果光子的能量高到一定程度，它们撞到物体时会产生黑洞。这个黑洞可以“吞噬”光子而导致

德布罗意波 实物粒子的二象性

15 - 6 德布罗意波

实物粒子的二象性

第十五章 量子物理

法国物理学家德布罗意 (Louis Victor de Broglie 1892 – 1987 ) 思想方法 自然界在许多方 面都是明显地对称的，他采用类 比的方法提出物质波的假设 . “整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的研 究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法； 在实物 理论上，是否发生了相反的错误呢 ？ 是不是我们关 于‘粒子’的图象想得太多 ，而过分地忽略了波的 图象呢？”

德布罗意波 实物粒子的二象性

15 - 6 德布罗意波

实物粒子的二象性

第十五章 量子物理

一

德布罗意假设(1924 年 ) 德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性 .

E h 德布罗意公式 注意 h p

p h

h

E h mc h2

mv

1)若 v c 则 m m 0 若 v c 则 m m 0

2)宏观物体的德布罗意波长小到实验难以测 量的程度，因此宏观物体仅表现出粒子性 .

德布罗意波 实物粒子的二象性

15 - 6 德布罗意波

实物粒子的二象性

第十五章 量子物理

例 在一束电子中，电子的动能为 200 eV , 求此电子的德布罗意波长 ? 解 v

德布罗意波 实物粒子的二象性

15 - 6 德布罗意波

实物粒子的二象性

第十五章 量子物理

法国物理学家德布罗意 (Louis Victor de Broglie 1892 – 1987 ) 思想方法 自然界在许多方 面都是明显地对称的，他采用类 比的方法提出物质波的假设 . “整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的研 究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法； 在实物 理论上，是否发生了相反的错误呢 ？ 是不是我们关 于‘粒子’的图象想得太多 ，而过分地忽略了波的 图象呢？”

德布罗意波 实物粒子的二象性

15 - 6 德布罗意波

实物粒子的二象性

第十五章 量子物理

一

德布罗意假设(1924 年 ) 德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性 .

E h 德布罗意公式 注意 h p

p h

h

E h mc h2

mv

1)若 v c 则 m m 0 若 v c 则 m m 0

2)宏观物体的德布罗意波长小到实验难以测 量的程度，因此宏观物体仅表现出粒子性 .

德布罗意波 实物粒子的二象性

15 - 6 德布罗意波

实物粒子的二象性

第十五章 量子物理

例 在一束电子中，电子的动能为 200 eV , 求此电子的德布罗意波长 ? 解 v

专题16 波粒二象性 原子结构和原子核（选修3-5）

【2015年高考命题预测】

本考点由于点多面广，考题难度不是很大，属必得部分，因而要求复习过程要扫清盲点，不留死角，同时由于各部分内容体现的能力与思想不同，考点出现的几率也不同，复习时应有所侧重，侧重点要与历年考试频率联系，应与体现能力相联系，还应与科技动向联系（探月卫星、氦3，射线、红外摄象、太阳风等），更应与近代物理发展趋势联系。对于光电效应、原子结构的认知过程以及原子核结构、核反应方程的书写等是本考点的重要知识点也是命题的重点。考察形式多以选择题和填空题出现，多要求定性分析，少见定量计算。因此理解知识的基础上就要求见多识广，所以在复习中要特别注意课本的重要性。课本是知识之源，对这部分内容一定要做到熟读、精读，并且要间隔一段时间就要简要复习一遍，绝不能留任何的死角，包括课后的阅读材料、小实验、小资料、相对论简介等，因为很多的信息题都是从这里取材的。“回归课本”“不回避陈题”是本部分的复习特点。不仅如此，搞清某一现象产生的本质，构建知识结构体系，根据已知的知识和物理事实、条件，对物理进行逻辑推理和论证，得出正确的结论或作出正确的判断，并能把推理过程正确地表达出来，以求触类傍通。

波粒二象

3-5-2波粒二象性 原子结构与原子核

一、选择题

1．(2011·天津)下列能揭示原子具有核式结构的实验是( ) A．光电效应实验 C．α粒子散射实验 [答案] C

[解析] ①光电效应实验揭示了光具有粒子性，故A错误； ②伦琴射线是原子内层电子能级跃迁产生，故B错误；

③α粒子散射实验揭示了原子具有核式结构．因为绝大部分α粒子不偏转，极少数α粒子发生了大角度散射．故C正确；

④氢原子光谱的发现揭示了氢原子能量分布是不连续的．故D错误． 2．(2011·北京)表示放射性元素碘131(131 53I)β衰变的方程是( )

1274A.131 53I→ 51Sb＋2He 1301C.131 53I→ 53I＋0n

131 0

B.131 53I→ 54Xe＋－1e 1301D.131 53I→ 52Te＋1H

B．伦琴射线的发现 D．氢原子光谱的发现

[答案] B

[解析] β衰变释放的是电子 －01e，A、C、D错误，B正确．

3．(2011·重庆)核电站核泄漏的污染物中含有碘131和铯137.碘131的半衰期约为8天，会释放β射线；铯137是铯133的同位素，半衰期约为30年，发生衰变时会辐射γ射线．下列说法正确的

3-5-2波粒二象性 原子结构与原子核

一、选择题

1．(2011·天津)下列能揭示原子具有核式结构的实验是( ) A．光电效应实验 C．α粒子散射实验 [答案] C

[解析] ①光电效应实验揭示了光具有粒子性，故A错误； ②伦琴射线是原子内层电子能级跃迁产生，故B错误；

③α粒子散射实验揭示了原子具有核式结构．因为绝大部分α粒子不偏转，极少数α粒子发生了大角度散射．故C正确；

④氢原子光谱的发现揭示了氢原子能量分布是不连续的．故D错误． 2．(2011·北京)表示放射性元素碘131(131 53I)β衰变的方程是( )

1274A.131 53I→ 51Sb＋2He 1301C.131 53I→ 53I＋0n

131 0

B.131 53I→ 54Xe＋－1e 1301D.131 53I→ 52Te＋1H

B．伦琴射线的发现 D．氢原子光谱的发现

[答案] B

[解析] β衰变释放的是电子 －01e，A、C、D错误，B正确．

3．(2011·重庆)核电站核泄漏的污染物中含有碘131和铯137.碘131的半衰期约为8天，会释放β射线；铯137是铯133的同位素，半衰期约为30年，发生衰变时会辐射γ射线．下列说法正确的

光电效应 波粒二象性

[基础训练]

1．下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图象中，符合黑体辐射规律的是( )

2．下列有关光的波粒二象性的说法正确的是( ) A．有的光是波，有的光是粒子 B．光子与电子是同样的一种粒子

C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著 D．大量光子的行为往往显示出粒子性

3．(多选)光电效应实验的装置如图所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是( )

A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转 B．用绿光照射锌板，验电器指针会发生偏转 C．锌板带的是负电荷

D．使验电器指针发生偏转的是正电荷

4．对于爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，下面的理解中正确的是( )

A．只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有相同的初动能Ek

B．式中的W0表示每个光电子从金属中逸出过程中克服金属中正电荷引力所做的功 C．逸出功W0和极限频率νc之间应满足关系式W0＝hνc D．光电子的最大初动能和入射光的频率成正比

1

5．关于光电效应，下列说法正确的是( ) A．极限频率越大的金属，其逸出功越大

B．只要光照射的时间足够长，任何

预习导学 第三节 康普顿效应及其解释 高中物理 · 选修3-5· 粤教版

第四节

光的波粒二象性

第三节 康普顿效应及其解释 第四节 光的波粒二象性

预习导学

课堂讲义

预习导学

第三节 康普顿效应及其解释

第四节

光的波粒二象性

[目标定位]

1.了解康普顿效应及其意义.了解光子理论对康

普顿效应的理解.2.知道光的波粒二象性，知道波和粒子的对

立统一的关系.3.了解什么是概率波，知道光也是一种概率波.

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课堂讲义

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第三节 康普顿效应及其解释

第四节

光的波粒二象性

一、康普顿效应及其解释 1.康普顿效应 (1)光的散射：光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的 发生改变 的光现象. 传播方向__________

变长， (2)康普顿效应：在光的散射中，部分散射光的波长____波长的改变与散射角有关.h hν ,光子的动量为p=_____ λ . (3)光子的能量为ε=____

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第三节 康普顿效应及其解释

第四节

光的波粒二象性

2.康普顿对散射光波长变化的解释 电子发生碰 (1)散射光波长的变化，是入射光子与物质中的_____ 撞的结果. 入射光子的能量 小很多，电子可以 (2)物质中电子的动能比________________

光电效应与光的波粒二象性

说明：本试卷分为第Ⅰ、Ⅱ卷两部分，请将第Ⅰ卷选择题的答案填入题后括号内，第Ⅱ卷可在各题后直接作答.共100分，考试时间90分钟. 第Ⅰ卷（选择题共40分）

一、本题共10小题，每小题4分，共40分.在每小题给出的四个选项中，有的小题只有一个选项正确，有的小题有多个选项正确.全部选对的得4分，选不全的得2分，有选错或不答的得0分.

1.下列关于光电效应的说法正确的是 （ ）

A.若某材料的逸出功是W，则它的极限频率

v0?Wh

B.光电子的初速度和照射光的频率成正比 C.光电子的最大初动能和照射光的频率成正比

D.光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大

WEEv解析：由光电效应方程k=hv-W知，B、C错误，D正确.若k=0，得极限频率0=h,故A

正确. 答案AD

2.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 解析：本题考查光的性质.

干涉、衍射、偏振都是光的波动性的表现

1．关于光电效应，有如下几种陈述，其中正确的是（ ）A．金属电子的逸出功与入射光的频率成正比

B．光电流的强度与入射光的强度无关C．用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的初动能要大

D．对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应

2．（1）已知金属铯的逸出功为1.9eV，在光电效应实验中，要使铯表面发出的光电子的最大功能为1.0eV，入射光的波长应为__________m（2）如图所示，电路中所有元件完好，光照射到阴极上时，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是（ ）

A. 入射光太弱； B. 入射光波长太长； C. 光照时间短； D. 电源正负极接反。

3.红光和紫光相比（ ）A. 红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较大

B. 红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较大C. 红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较小

D. 红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较小

4．对爱因斯坦光电效应方程，下面的理解正确的有（ ）

A. 只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所