光子和电子的区别

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光子和电子的区别范文第1篇

【关键词】光的散射 康普顿效应 光电效应 爱因斯坦光子说 狭义相对论 遵循相对论能量——动量守恒定律

1.康普顿效应

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（scattering of light）。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（Compton effect）。在原子物理学中，康普顿散射，或称康普顿效应，是指当X射线或伽马射线的光子跟物质相互作用，因失去能量而导致波长变长的现象。相应的还存在逆康普顿效应——光子获得能量引起波长变短，这一波长变化的幅度被称为康普顿偏移。

康普顿效应通常只指物质电子云与光子的相互作用，但还有物质原子核与光子的相互作用——核康普顿效应存在。

康普顿效应首先在1923年由美国华盛顿大学物理学家康普顿观察到，并在随后的几年间由他的研究生吴有训（1897-1977）进一步证实。康普顿因发现此效应而获得1927年的诺贝尔物理学奖。

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，这个现象称为光电效应（photoelectric effect）。

光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一面，前者表明光子具有能量，后者表明光子除了具有之外还有动量。

在引入光子概念之后，康普顿散射可以得到如下解释：电子与光子发生弹性碰撞，电子获得光子的一部分能量而反弹，失去部分能量的光子则从另一方向飞出，整个过程中总动量守恒。

康普顿散射可以在任何物质中发生.当光子从光子源发出，射入散射物质（一般指金属）时，主要是与电子发生作用。如果光子的能量相当低（与电子束缚能同数量级），则主要产生光电效应，原子吸收光子而产生电离.如果光子的能量相当大（远超过电子的束缚能）时，则我们可以认为光子对自由电子发生散射，而产生康普顿效应。如果光子能量极其大（>1.022兆电子伏特）则足以轰击原子核而生成一对粒子：电子和正电子，这个现象被称为成对产生。

2.康普顿频移公式

康普顿本人引用爱因斯坦光子说和狭义相对论来解释这一现象，并依据能量守恒定律和动量守恒定律推导得出散射光波长的变化值λ 的公式（康普顿频移公式）：

λ=λ-λ0=hmc（1-cosθ）=2hmcsin2θ2

其中λ为散射光波长的变换值，λ0为碰撞前光子波长，λ为碰撞后光子波长，h为普朗克常数， m为电子质量，c为光速，θ为光子散射角（碰撞前后的路径夹角）。

推导如下：电子与光子发生弹性碰撞，电子获得光子的一部分能量而反弹，失去部分能量的光子则从另一方向飞出（如图所示），整个过程中总能量守恒、总动量守恒。

这就是康普顿频移公式。

3.光电效应与康普顿效应区别

光电效应与康普顿效应的物理本质是相同的，都是个别光子与个别电子的相互用，但二者有明显差别。其一，入射光的波长不同。入射光若为可见光或紫外光，表现为光电效应；若入射光是X光，则表现为康普顿效应。其二，光子和电子相互作用的微观机制不同。在光电效应中，电子吸收光了的全部能量，从金属中射出，在这个过程中只满足能量守恒定律；而康普顿散射是光子与电子作弹性碰撞，遵循相对论能量——动量守恒定律。

一般说来，当光子的能量与电子的束缚能同数量级时，主要表现为光电效应；当光子能量远大于电子的束缚能量，主要表现为康普顿效应。用不同波长的光入射，光子与电子作用的微观机制不同正体现了事物的多样性，符合辩证唯物主义的“量变到质变”的哲学思想。

参考文献

光子和电子的区别范文第2篇

关键词： 光电效应 爱因斯坦量子理论 微粒说 波动说

灿烂的阳光照亮了地球，给地球带来了生命和活力，人们之所以能看到五彩缤纷、瞬息万变的世界，是因为眼睛接收到物体的发射，反射或散射得光。那么光到底是什么呢？即光的本性是什么？这一直是学者们注意和探讨的中心。到了17世纪，由于光学得到了一定的发展，因而关于光的本性问题引起人们越来越大的兴趣。

一、世纪中叶至19世纪：光的微粒说和波动说

鉴于17世纪的水平，人们只能把光与两种传递能量的机械运动相类比，分别提出了关于光本性的两种学说：微粒说和波动说。光的微粒说认为光是由光源发射的一束微粒流。由此很容易解释直线传播定律和反射定律以及光在折射率较大的媒质中传播速度较快的结论。然而微粒说对干涉、衍射、偏振等现象的解释相当勉强。而光的波动说认为，光是一种特殊媒质――“以太”的波动。通过与机械类比，波动说很容易定性地说明干涉和衍射现象，但不能定量地说明干涉和衍射现象，甚至不能圆满地解释直线传播规律。因此，多数科学家在17和18世纪倾向于微粒说。

19世纪初，英国的杨氏（T.Yong）完成了著名的“杨氏干涉实验”，提出“干涉原理”。1815年，法国的菲涅耳（A.JFresnel）使用数学工具对光做了定量论证，提出了“惠更斯―菲涅耳原理”。该原理用波动理论完满地解释了光的直线传播定律，定量地给出了圆孔的衍射图形的强度分布。随后阿喇戈（D.Arago）用实验证明了菲涅耳理论，给予强力支持。1817年，杨氏明确指出，光波是一种横波，1850年，法国的博科（J.B.L.Foucault）公布了他在实验室中测定的光速数据，肯定了光在水（折射率较大）中的传播速度小于在空气（折射率较小）中的速度。自此，波动说的优势明显体现。

二、光电效应

1.光电效应的发现

在19世纪末，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步，取得了巨大的成功。但是，就在这时候，又发现了用波动说无法解释的新现象――光电效应。

光电效应是指在光的照射下物体发射电子的现象。它是赫兹在1887年最早发现的。赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，无意中注意到如果接受电磁波的电极之一受到紫外线照射，火花放电就变得容易发生。1888年，霍尔瓦斯（1859―1922）证实了这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。电子发现后，1902年，德国物理学家勒纳德（1862―1947）证明了这一荷电体即为电子。

随着研究的深入，勒纳德用各种频率的光照射钠汞合金时，发现了金属在某些频率的光照射下会发射出电子来，就好像这些电子被光从金属表面打出来一样。他对这一现象进行了系统的实验研究，并总结出了如下两条经验规律。

（1）当光的频率高与某一定值时，才能从某一金属表面打出电子来，被打出的电子的能量（或速度）只与光的频率有关，而与光的强度无关，电子的能量随光的频率的增高而增大。

（2）被打出的电子的数目与光的强度有关而与光的频率无关。

勒纳德首先将这一现象称之为光电效应。这两条实验规律用经典物理学的理论是无论如何解释不了的。按照波动理论，光的能量是由光的强度决定的，而光的强度又是由光波的振幅决定的，跟频率无关。因此，不论光的频率如何，只要光的强度足够大或照射时间足够长，都应该有足够的能量产生光电效应，极限频率的存在变得无法理解。

2.光电效应实验及规律

1887年赫兹在进行著名的验证电磁波存在的实验时发现，如果接收线路中两个小铅球之一受到紫外线照射时，两小球间很容易有火花跳过。此后，其他科学家进一步研究表明，这种现象是由于光照射在小锌球上，锌球内的电子吸收了光的能量而逸出球表面，成为空中自由移动电荷所造成的。这种由于光照射是电子逸出金属表面的现象称为光电效应，所逸出的电子称为光电子。

上图是研究光电效应的实验原理图及伏安特性曲线图。在高真空玻璃管内装有阴极K，在两极之间加上电压，阴极K不受光照时，管中没有电流通过，说明K、A之间绝缘。当有适当频率的光通过窗口照射到阴极K上时，使得有光电子逸出，在电场力作用下光电子飞向阳极A形成电流，这种电流称为光电流。电路中有电压表和电流计分别测定两极间的电压和产生的光电流大小。实验结果表明，光电效应有以下规律。

（1）存在饱和电流。图8.2.1-2是用不同强度，而频率相同的光照射阴极k时，得到的光电流I随电压V变化的实验曲线（称伏安特性曲线）。由图中可以看出，光电流随电压的增大而增大。然而，当加速电压超过某一量值时，光电流达到饱和。这说明单位时间从阴极逸出的光电子数目n是一定的，当光电流达到饱和值Im时，显然有Im=ne。如果增大光的强度，实验表明，在相同的加速电压下，饱和电流也增加，并且与光强成正比。这说明n与光强成正比。

（2）存在反向截止电压。由上图可知，只有当V=-V时，光电流才降为零，这个反向电压称为反向截止电压。这说明光电子逸出金属后仍具有一定的初动能，光电子甚至能克服反向电压飞到阳极，除非反向电压达到一定的程度。当入射光强改变时，截至电压不变，这意味着光电子的最大初动能与入射光强无关。

（3）存在截止频率（红限）。如果用不同频率的光照射阴极K，发现截止电压V，随入射光的频率的增大而增高，两者呈线性关系，如图，即V=K（V-V）。对于不同的金属材料，具有不同的K和不同的V值。实验还发现，当入射光频率低于某一临界值时，不论光强多大，也不论照射多久，都不会发生光电效应。此临界频率称为光电效应的截止频率。

（4）弛豫时间极短，从光照射到阴极K上，到发射出光子所需要的时间称为光电效应的弛豫时间，实验表明，只要频率大于截止频率，无论光照如何微弱，几乎在照射到阴极K的同时就会产生光电子，弛豫时间不超过10s。通过实验看到，光的经典理论在此时遇到了重重困难。

3.爱因斯坦的光量子理论及其对光电效应现象的解释

1905年爱因斯坦发表了论文“关于光的产生和转化的一个启发式的一个启发性观点”，成功地解释了光电效应并确定了它的规律。他以勒纳利总结出的光电效应的性质作为光的微粒说的依据，并且和德国物理学家普朗克的量子假设结合起来，提出了量子假说：他认为光（电磁辐射）是由光量子组成，每个光量子的能量E与辐射频率υ的关系是E=hυ。1916年爱因斯坦的光量子假说被实验所证实。1923年康普顿（Compton）散射实验再次提供有力的验证。至此，爱因斯坦的光量子假说克服了经典理论遇到的困难，成功圆满地解释了光电效应中观察到的实验现象。

三、光的本性

按照爱因斯坦的量子理论，频率为υ的光子具有的能量E和动量P：

E=hυ

P=hυ/c=h/λ

在以上两式中，等号左边表示微粒的性质，即光子的能量和动量；等号的右边则表示波动的性质，即电磁波的频率和波长。这两种性质通过普朗克常数h定量的联系起来。爱因斯坦公式表明，光子同时具有波动和微粒两重性。所谓“波动性”是指光场满足叠加原理，能产生诸如干涉、衍射这类体现波动性的现象；而所谓“微粒性”则指光子作为整体行为所呈现的不可分割性。光子只能单个整体被吸收或发射，不存在“半个”或“几分之一”个光子。交换光子的能量或动量只能用爱因斯坦公式给出的单元进行。

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波粒二象性并非光子单独具有的性质。1923年德布洛意（L.deBroglie）受到普朗克和爱因斯坦关于光的微粒性理论取得成功的启发，提出了微观粒子也具有波粒二象性的假设。他提出，伴随着所有实物粒子，如电子、质子、中子等，都有一种物质波，其波长与粒子的动量成反比：λ=h/p，式中h为谱朗克常数，这种波现称为德布洛意波，由上式所决定的波长叫做德布洛意波长。在一定的场合下，微观粒子的这种波动性就会明显地表现出来。例如让电子束穿过细晶体粉末获薄金属片后正像X射线一样也产生衍射现象。电子显微镜就是利用电子衍射的原理制成的。

在人们所习惯的经典图像中，波是连续的非局域的且扩展于空间；而粒子是离散的，集中于一点，如何把这两种截然相反的属性赋予同一实体？初看起来，很难想象。下面我们用单电子干涉实验来回答这个问题。电子杨氏双缝干涉是最典型的实物粒子干涉实验。这个实验表明，当少量电子通过仪器落在屏上时，其分布看起来是离散的、毫无规律的，并不形成暗淡的干涉条纹，这显示了电子的“粒子性”。但大量电子通过仪器时，则在屏上形成清晰的干涉条纹，这又显示了电子的“波动性”。

那么有人可能会问，双缝干涉条纹的产生（即粒子的波动性）是否由于大量粒子之间相互作用的结果呢？1949年毕伯曼等人成功地做了单电子衍射实验，结果表明，衍射图样的产生绝非大量电子相互作用的结果。

单电子干涉，衍射实验表明，波动性是每个电子本身固有的属性，电子的干涉（密度的重新分布）是自身的干涉，而不是不同电子间的干涉，或者说波动性和粒子性一样，是每个电子的属性，而不是大量电子在一起时才有的属性。若采用单个光子来代替实验中的电子。结果也完全相同。

四、光的波粒二象性

光的波动性和粒子性既对立又统一，波粒二象性是粒子性和波动性的统一应从两方面去理解。

1.光子的能量公式：E=hυ，式中的E是光子能量，是不连续的，一份一份的，量子化的。这是光的粒子性的特性，式中的υ是光波频率，它表现的是波动性的特性。

2.波粒二象性中的粒子并不是宏观的粒子，波也不是宏观的波，而是指微观的光子物质波，微观世界有其自身的规律，不能简单套用宏观世界的结论。个别光子表现粒子性，而大量光子表现波动性；低频光子表现波动性，而高频光子表现粒子性。

光的本性一系列的假设，从微粒说到光子说，从波动说到电磁说，到最后统一为波粒二象性，经历了几百年漫长而曲折的认识过程，以牛顿为代表的微粒说既有古希腊人的光粒子学说的痕迹，但又有所不同；麦克斯韦的电磁说使惠更斯的波动说摆脱了机械波的束缚，是人类对光的本性认识的一大飞跃，同样爱因斯坦的光子说又与牛顿的机械微粒有着本质的区别，因为光子说已不是经典的机械微粒，光子说的提出又是一大飞跃。

参考文献：

［1］吴强.光学.科学出版社，2006.

［2］赵达尊，张怀玉.波动光学.宇航出版社.

［3］中学物理教学参考，2005，（4），34，4.

［4］物理教师，2005，4，26.

［5］曾心愉等.光的波粒二象性，［J］.大学物理，1993，12，（9）.

［6］赵凯华，钟锡华.光学.北京大学出版社，2000.

光子和电子的区别范文第3篇

1光电发射过程的表征和测量

光电发射主要由三个过程组成,即首先是阴极膜层吸收光子后电子从价带跃迁到导带,其次是跃迁电子向真空界面迁移,最后是电子克服逸出功进入真空形成光电流。根据光电阴极光电发射的模型,Na2KSb基层的作用是吸收光子而使价带电子发生跃迁,而Cs-Sb表面层的作用是降低表面电子亲和势使跃迁电子逸出光电阴极表面进入真空。光电阴极吸收光子之后电子从价带跃迁到导带的示意图见图1。图中Ev为价带顶能级,Ec为导带底能级,Ee表示电子的跃迁能级,E0为真空能级,Φ为逸出功。只有激发电子跃迁到的能级高于真空能级,激发电子才可能逸出光电阴极表面进入真空。根据光电发射的原理,要获得高的光电阴极灵敏度,首先是要有更多的电子跃迁,其次是这些电子要尽可能多的扩散到真空界面,最后是光电阴极的逸出功要尽量低。因此比较具有不同灵敏度的光电阴极,主要就是要比较其光电发射三个过程中的区别。对于逸出功的大小可以通过测量光电发射的光谱响应截止波长,通过式(1)进行计算而获得[2-6]。式中Φ为逸出功,单位为eV,λt为光谱响应的长波截止波长,单位为nm。光谱响应采用南京理工大学研制的PH-2000型自动光谱响应测试仪来测量,测量电压为200V,测量范围为350~1100nm,测量面积为Φ18mm。典型的超二代像增强器多碱阴极的光谱响应曲线见图2。Φ=1240/λt(1)对于光电发射电子跃迁几率可以通过测量光电阴极膜层的荧光强度来进行间接表征。光致荧光的原理是材料吸收光子,电子从价带(基态)跃迁至导带(激发态)。当电子从激发态回到基态时,多余的能量将以光能的形式发出,即以荧光的方式发出[7]。所以产生荧光的条件首先是材料吸收光子,然后激发价带电子跃迁。这一过程与光电发射的第一个过程(电子跃迁过程)相类似,因此可以通过测量阴极膜层荧光强度大小来反映了光电发射过程中电子跃迁几率的高低。采用英国雷尼绍公司(Renishaw)in-Via型号的显微拉曼光谱仪对超二代像增强器Na2KSb多碱阴极进行测量。激发光为波长为785nm的激光,对应光子的能量为1•57eV,大于Na2KSb膜层的禁带宽度,因此可以用来激发多碱阴极膜层发光。测量所用仪器显微物镜的放大倍率为5倍,激光输出功率为3mW,探测器CCD曝光时间为30s,累加次数为1次,测量范围为500~1000nm。图3是典型的超二代像增强器光电阴极荧光光谱曲线,光谱曲线的峰值强度大小反映了光电阴极膜层在吸收光能之后电子跃迁的几率大小。

2测试数据和分析

选取4只不同阴极灵敏度的超二代像增强器,测量其光谱响应的长波截止波长和荧光谱。通过分析不同像增强器光电阴极的灵敏度与其逸出功、荧光谱的关系,找出导致不同阴极灵敏度的原因。每一只像增强器光电阴极都是在同样条件下分别利用同样工艺制作出来的,但由于多碱阴极制作工艺是手工操作,因此制造工艺过程仍存在细微的差别,这就导致不同超二代像增强器光电阴极的结构、成分等不完全相同,因此阴极灵敏度也不相同。表1是4只像增强器所测得的阴极灵敏度、逸出功、荧光谱峰值波长、峰值强度和荧光谱半峰宽的一览表。从表1中看出,4只像增强器阴极灵敏度依次从小到大,从最低的182μA/lm到最高的917μA/lm。将4只像增强器的阴极灵敏度与其逸出功作对比,发现并非逸出功越低,阴极灵敏度越高。如1#像增强器的灵敏度最低,仅为182μA/lm,其逸出功为1•33eV,逸出功是最高的,这与光电发射的原理相一致。但在2#、3#和4#像增强器中,2#像增强器的逸出功最低,为1•29eV,但其阴极灵敏度却是3只像增强中最低的,仅为702μA/lm。说明逸出功低,并不意味着阴极灵敏度就一定高。事实上,2#、3#和4#像增强器光电阴极的逸出功基本相同,分别为1•29,1•31和1•30eV,但阴极灵敏度差别却很大,4#像增强器的阴极灵敏度为917μA/lm,而2#和3#像增强器的阴极灵敏度仅为702μA/lm和748μA/lm。这说明在现有制造技术的条件下,决定阴极灵敏度高低的因素除逸出功之外,还有其他因素,而且逸出功不是决定阴极灵敏度高低的主要原因或导致阴极灵敏度高低不一的主要原因。像增强器低。荧光强度低,说明电子跃迁几率也低。这与光电发射的原理相一致。反过来2#像增强器和3#像增强器的峰值强度也比1#像增强器的峰值强度低,但其灵敏度却又高于1#像增强器。说明像增强器的阴极灵敏度与荧光谱的峰值强度之间不存在相关的关系。也说明在现有工艺条件下,光电阴极光吸收以及电子跃迁数量也不是决定阴极灵敏度高低的主要原因。比较4只像增强器阴极灵敏度和其荧光谱峰值波长的测量值,也可得出像增强器阴极灵敏度与其荧光谱峰值波长不相关的结论。荧光谱的峰值波长反映的是材料的特性,之所以Na2KSb多碱阴极荧光谱的峰值波长会有所区别,主要原因是阴极膜层中碱金属Na、K和Sb的化学计量比不一样。由于阴极的灵敏度与阴极膜层荧光谱的峰值波长不相关,所以在现有制造技术的条件下,多碱阴极膜层中碱金属化学计量比的波动也不是影响光电阴极灵敏度高低的主要原因。再比较表1中像增强器阴极灵敏度与荧光谱半峰宽的测量数据,可以发现唯一与4只像增强器灵敏度相关的因素只有荧光谱的半峰宽。荧光谱的半峰宽越窄,阴极的灵敏度越高。半导体材料荧光谱的半峰宽越窄,材料晶格的完整性越好。为了证明荧光谱的半峰宽反映晶体的晶格完整性,对晶格结构较好的单晶硅(外延片)样品和晶格结构较差的多晶硅样品的荧光谱进行了比较,发现外延单晶硅样品荧光谱的半峰宽仅为5nm,而多晶硅样品的荧光谱半峰宽却为200nm。这充分证明了荧光谱半峰宽与晶格完好性的关系,即结晶度越好,荧光谱的半峰宽越窄。实测外延单晶硅样品的荧光谱见图4,测量所用激发光的波长为514•5nm。结晶度越好,阴极的灵敏度越高。说明Na2KSb膜层的晶格完整性是决定阴极灵敏度的主要因素。因为要获得高的阴极灵敏度,就需要使更多的电子扩散到真空界面。Na2KSb膜层是一种多晶半导体,与单晶半导体相比内部存在晶界。因此在电子的扩散过程中,电子会在晶界上损失(电子空穴的复合)。所以同样厚度的多碱阴极,如果在扩散过程中遇到的晶界少,扩散到真空界面上的电子数就更多。而电子在扩散过程中要遇到的晶界少,就要求Na2KSb多碱阴极膜层的晶粒更大。因此影响多碱阴极灵敏度高低的主要因素应该是Na2KSb膜层的本身结构,即晶粒的大小和完整度。而晶粒尺寸的大小,在荧光谱上就由谱线的半峰宽反映出来,晶粒越大,越完整,荧光谱的半峰宽也越窄,反之则越宽。所以对多碱光电阴极而言,在现有工艺条件下,阴极灵敏度的高低取决于Na2KSb膜层的生长质量,即Na2KSb晶粒生长的完整性以及晶粒的大小。这反过来也可解释阴极灵敏度与其荧光强度不成正相关的关系。因为多碱阴极是一种多晶半导体,电子在扩散过程中在晶界有损失,因此尽管电子跃迁的数量多,但由于多碱阴极的量子效率很低,仅为15%左右,因此其在晶界损失的因素大于电子跃迁的因素,致使阴极的灵敏度与荧光强度不相关。对使用GaAs单晶半导体的三代像增强器进行荧光测试[8],测试条件除激光入射功率比测试超二代像增强器时更低外,其他条件相同。表2是两只三代像增强器的阴极灵敏度和荧光谱的测量数据。从表2看出,1#像增强器的阴极灵敏度为1117μA/lm,半峰宽为44nm,峰强为25563。2#像增强器的阴极灵敏度为2145μA/lm,半峰宽为35nm,峰强48436。由此可见三代像增强器阴极灵敏度与GaAs外延层荧光的峰强正相关,与半峰宽负相关,即与峰强成正比,与半峰宽成反比。这也充分说明对三代像增强器而言,外延层的晶格完整性与荧光强度、半峰宽和光电阴极的灵敏度是相一致的[9]。GaAs外延层晶格的完整性越好,荧光越强,荧光谱的半峰越窄,阴极的灵敏度越高。

光子和电子的区别范文第4篇

关键字：纳米 特性

1963年，Uyeda 及其合作者发展了气体蒸发法制备纳米粒子，并对金属纳米微粒的形貌和晶体结构进行了电镀和电子衍射研究，使科学界对纳米技术的概念有了多方面的认识。1974年，Taniguchi 最早使用纳米科技（Nanotechnology）一词描述精细机械加工。1984 年，德国科学家 Gleiter 等人首次采用惰性气体凝聚法制备了具有清洁表面的纳米粒子，然后在真空室中原位加压成纳米固体，并提出纳米材料界面结构模型。到1989年， 纳米固体研究的种类已从由晶态微粒制成的纳米晶体材料（纳米导体、纳米绝缘 体、纳米半导体）发展到纳米非晶体材料，并成功地制造出一些性能异常的复合 纳米固体材料。1990 年7月，在美国巴尔地摩召开的首届国际纳米科学技术会 议（NST）上，正式把纳米材料科学做为材料科学学科的一个新的分支。从此，一个将微观基础理论研究与当代高科技紧密结合起来的新型学科――纳米材料 学正式诞生，并一跃进入当今材料科学的前沿领域。

纳米材料的组成及其分类

1、按照维数，纳米材料的结构单元可以分为三类

（1）零维指在空间有三维处于纳米尺度。如原子团簇、纳米微粒、量子点或人造原子等。原子团簇，是指几个至几百个原子的聚集体，粒径小于 1nm。它可以是由一元或多元原子以化学键结合起来的，也可以是由原子团簇与其它分子以 配位化学键构成的原子簇化合物，如 Fen,AgnSm 和 C60,C70 等。纳米颗粒，尺寸在1-100nm 之间，日本名古屋大学的上田良二先生给纳米微粒下的定义是用电子显微镜能看到的微粒。量子点或人造原子，是由一定数量的实际原子组成德聚集体，它们的尺寸小于 100nm。人造原子具有与单个原子相似的离散能及，电荷也是不连续的，电子以轨道的方式运动。不同的是电子间的交互作用要复杂得多，人造原子中电子是处于抛物线型的势阱中，由于库仑排斥作用，部分电子处于势阱上部，弱的结合使它们具有自由电子的特征。

（2）一维指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒和纳米管等；

（3）两维指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。目前，纳米材料的研究除涉及上述纳米材料的三类范围外，还涉及到无实体的纳 米空间材料，如纳米管、微孔和介孔材料，有序纳米结构及自组装体系等。纳米材料按照不同的组成和标准可以有不同的分类。

纳米材料按照组成可分为无机纳米材料、有机纳米材料、无机复合纳米材料、有机/无机复合纳米材料和生物纳米材料等。

纳米材料按照成键形式可以分为金属纳米材料、离子半导体纳米材料、半导体纳米材料以及陶瓷纳米材料等。

纳米材料按照物理性质可以分为半导体纳米材料、磁性纳米材料、导体纳米材料和超硬纳米材料等。按照物理效应可以分为压电纳米材料、热电纳米材料、铁电纳米材料、激光纳米材料、电光纳米材料、声光纳米材料和非线性纳米材料等。

纳米材料按照用途可分为光学纳米材料、感光纳米材料、光/电纳米材料等。

2、纳米材料的性质

纳米材料具有大的比表面积、表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加，小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等将导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同与常规粒子，另外，粒子集合体的形态（离散态、链状、网络状、聚合状）也迥然不同，这将导致粒子最终物理性能变化多端。

2.1磁力学性质

纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等使得它具有常规粗晶粒材料所不具有的磁特性，纳米微粒的磁特性主要有如下几点:

（l）超顺磁性在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态，不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相同的。

（2）矫顽力纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力 。

（3）磁化率纳米微粒的磁性和它所含的总电子数的奇偶性密切相关。每个微粒的电子可以看成一个体系，电子数的宇称可为奇或偶。

2.2光学性能

纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征量相差不多。与此同时，大的比表面使处于表面态的原子，电子与处于内部的原子、电子的行为有很大的区别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特征有很大的影响。甚至使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具有的新的光学特征。如宽频带强吸收、蓝移和红移现象、量子限域效应、纳米微粉的发光等。如纳米ZnO中量子限域引起载流空间局域化及通过特殊表面处理后，其发射光谱结构及发射强度会改善且产生紫外激光发射。

2.3 表面活性及敏感特性

随纳米微粒粒径减小，比表面积增大，表面原子数增多及表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等，这使得纳米微粒具有高的表面活性，同时还会提高反应的选择性。由于纳米微粒具有大的比表面积，高的表面活性，以及表面与气氛气体相互作用强等原因，纳米微粒对周围环境十分敏感，如光、温气氛、湿度等，可用于传感器。

2.4 光催化性能

光催化是纳米半导体的独特性能之一。当半导体氧化物纳米粒子受到大于禁 带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生了电子-空穴对，电子 具有还原性，空穴具有氧化性，空穴与氧化物半导体纳米粒子表面的 OH-反应生 成氧化性很高OH・自由基，活泼的自由基可以把许多难降解的有机物氧化为二氧化碳和水。目前广泛研究的半导体光催化剂大都属于宽带的 n 型半导体氧化物。

光子和电子的区别范文第5篇

1.让学生知道什么是原子核的人工转变，什么是核反应，如何用核反应方程表示核反应。

2.知道质量亏损的概念并会计算。理解爱因斯坦质能方程的物理意义，并能计算核。

3.培养学生的理解能力、推理能力及数学计算能力。

4.通过学习，让学生体验科学家进行探索实验、抽象概括、推理判断的基本方法。

5.培养学生尊重客观、热爱科学的精神。

6.使学生树立起实践是检验真理的标准、科学理论对实践有着指导和预见的作用的观点。

教学重点、难点分析

核反应方程是本节课的一个重点，教师要引导学生按照质量数守恒和电荷数守恒的规律以及有关原子核与粒子的书写规则正确的写出核反应方程。在这个知识点的教学中，应当引导学生感受查德威克是怎样发现中子的。质能方程是本节课的第二个重点，也是难点。教师可以让学生了解质量亏损的概念与计算方法，然后讨论质能方程的物理意义，教师对此应当作出正确的解释，帮助学生认识质能方程蕴含的物理思想，并通过阅读与训练，指导学生掌握计算核能的基本方法。其中物理单位也属于一个相对难点，应让学生记住、会用。

课时安排

1课时

课前准备

教师：制作如下幻灯片：

①卢瑟福发现质子的实验装置图及操作过程文字说明。

②查德威克发现中子的示意图。

③核反应方程N+HeO+HBe+HeC+n

④思考讨论题组<一>、<二>。

⑤质能联系方程

⑥核电站照片与数据。

⑦课堂练习题<一>、<二>。

⑧课堂小结。

学生：阅读有关核能方面的科普书籍，上网查询或下载一些有关核反应、核研究、核能的开发与利用的资料。

教具

教具：实物投影仪，多媒体课件。

教学过程

问题情景呈现，导入新课

师：播放投影1：大亚湾核电站外观图及核反应堆；数据：1kg铀235燃烧释放出的原子核能相当于2500吨优质煤燃烧时放出的热量，只需几千克铀235就足够上海市24小时的耗能供应。

播放投影2：卢瑟福在1919年，首先发现质子的实验装置图，第一次实现了原子核的人工转变。在原子核的转变中，遵守哪些规律？如此巨大的核能是从哪里来的呢？这是我们在本节课将要学习和探究的新问题。

师：播放课题名称：五、核反应核能

新课教学

师：请同学们阅读教材，然后回答以下问题。

师：板书〈一〉核反应，投影简答题组〈一〉

⑴什么是原子核的人工转变？

⑵什么是核反应？为什么说原子核的人工转变是核反应的一种？你还知道哪些核反应？

⑶如何用核反应方程表示核反应过程？在核反应中遵循哪些规律？

⑷试背写出卢瑟福发现质子的核反应方程，查德威克发现中子的核反应方程。

⑸试比较说明核反应与化学反应的本质区别。

生：阅读有关内容后，先独立思考，然后抽查学生回答问题，互相评价，教师倾听。点拔强调如下：

核反应是一种客观变化。它遵守电荷数与质量数守恒两条规律。核反应方程是对核反应过程的抽象表达。核反应是原子核的变化，结果是产生了新的元素，“点石问金”的梦想在核反应中得以实现；而化学反应且是原子的重组，原子外层电子的得失，结果是生成了新的分子，并无新元素的产生。

师；投影练习题组<二>。请同学们指出下列核反应方程的真伪，错误的加以纠正。

A.N+αO+质子

B.C+HeO+H

C.Be+HeC+γ（光子）

D.H+nH+γ（光子）

学生观察，相互讨论，指出真伪及错误所在。同时，请四位不同能力的学生上讲台改正并讲述理由。

师：质量数和电荷数守恒是判断核反应方程正确与否的必要条件。但是，人们是否可以用这两个条件来编写核反应方程呢？如果不可以的话，应该采用什么办法来确定核反应的产物，检验核反应的真伪呢？下面我们一起体验查德威克（英）在1832年是如何发现并确定“中子”的。（学生激起悬念，试目以待。）

师：投影幻灯片——中子是怎样发现的？

天然放射性元素Po放出α粒子，轰击铍（Be）原子核时，发出了一种未知射线，这种未知射线可以从石蜡（含碳）中打出质子（H）。那么我们如何确定这种未知射线的本质特征呢？即确定它是否带电？如果带电的话，带的是正电还是负电？电荷数如何？质量数如何？

学生分组讨论，提出初步的设想及根据，然后全班同学共同交流和比较，形成一个或几个科学而又可行的方案。最后，教师评价，肯定、鼓励同学们表现出的热情和智慧。对不足之处加以引导、点拨、纠正。

教师归纳同学的设计并板书如下内容：

这种未知射线：

①在空气中的速度小于光速c的1/10不是光子；

②在电场或磁场中不会偏转不带电；

③与碳核和氢核（或其它核）发生弹性正碰，一定符合动量守恒定律和能量守恒定律。

最终结论：未知射线是质量近似等于质子质量但不带电的基本粒子——“中子”。

刚才我们研究了核反应中生成新元素和粒子的确定方法及表达形式，下面，我们从能量的角度来分析核反应现象。教师板书：

<二>核能的释放及计算

师：朗读教材，板书：

1.核能——核反应中释放的能量。核能是从哪里来的？

学生阅读教材后，独立思考上述问题，教师倾听、询问、了解学生提出的各种疑问，然后启发讲解，投影如下内容：

爱因斯坦质能方程：E=mc2中，E表示物体的能量，m表示物体的质量，c表示真空中的光速。

①物体具有的能量与它的质量成正比，物体的能量增大了，质量也增大；能量减小了，质量也减小。

②任何质量为m的物体都具有大小相当于mc2的能量。由于c2非常大（9×1016m2/s2），所以对质量很小的物体所包含（或具有）的能量是非常巨大的。对此，爱因斯坦说过：“把任何惯性质量理解为能量的一种贮藏，看来要自然得多。”所以质量于能量实质上是相象的，它们只不过是同一事物的不同表示。

③在国际单位制中，E、m、c的单位分别取J、kg和m/s。

④由E=mc2得E=m•c2，其蕴含着怎样的意义？m表示物体的质量亏损，E表示与m相当的能量。如果物体的能量减小了E，即向外释放E的能量，它的质量就会亏损m=。理论和实验都表明，只有在核反应中，才可能发生质量亏损，因而伴随着巨大的能量向外辐射。例如，在中子和质子结合成氘核的过程中，由于发生了质量亏损，从而释放出了2.2MeV的核能。

生：仔细阅读教材及旁批内容。师生共同归纳计算核能的思路和步骤。

教师板书如下内容：

2.核能的计算步骤：

首先，写出正确的核反应方程。

其次，计算核反应前后的质量亏损m。

然后，根据质能方程E=m•c2，计算核能。

注意的几个问题：

①记住以下单位换算关系

1MeV=106eV

1eV=1.6022×10-19J

1u（原子质量单位）=1.6606×10-27kg

②1u相当于9351.5MeV的能量（自己证明），这是计算核能经常用导的关系。

③如果在某些核反应中，物体的能量增加了，说明核反应中物体的质量不是亏损，而是增加了。例如，把氘核分解成独立的中子和质子时，应从外界吸收2.2MeV的能量。即2.2MeV+Hn+H

④m实际是物体静止质量的亏损。在相对论中，当物体的运动速度接近光速时，物体的质量，将随着速度的变化而变化（增大了）。

【教学设计说明】

本节的内容比较抽象，核能及质量亏损的计算繁、难。但是，教学大纲要求较高，应予重视。在教学设计上真正体现以学生发展为主的教育理念。本节内容属于本章的中心内容，承上启下，地位重要。既要重视基本概念、规律的指导学习，又要通过中子发现等重要实验学习，培养学生的探究意识和人文精神。采用“问题驱动与探究”的模式可以实现较为满意的效果。