17.2光的粒子性-(2)(详细)

17.2光的粒子性,丰县欢口中学高二物理组2010/5/24,第二节光的粒子性科学的转折,第十七章波粒二象性,17世纪明确形成了两大对立学说,牛顿,惠更斯,微粒说,波动说,19世纪初证明了波动说的正确性,由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得微粒说一直占上风,19世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在20世纪初提出了光子说：光具有粒子性,对光学的研究,从很早就开始了,光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波,用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。,一、光电效应现象,表明锌板在射线照射下失去电子而带正电,1.什么是光电效应,当光线（包括不可见光）照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。,2.光电效应的电路图,光电子在电场作用下形成光电流,将电源反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。,当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值Uc时，光电流恰为0。Uc称遏止电压。,3.光电效应的实验规律,(1)存在遏止电压和截止频率,+,一一一一一一,v,最大的初动能,a.遏止电压UC,U,K,A,I,Uc,O,U,光强较弱,光电效应伏安特性曲线,遏止电压,I,I,s,U,a,O,U,光强较强,光强较弱,光电效应伏安特性曲线,遏止电压,饱和电流,实验表明:对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.,光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。,I,I,s,U,a,O,U,光强较强,光强较弱,遏止电压,饱和电流,当入射光的频率减小到某一数值时，即使不施加反向电压也没有光电流，这表明已经没有光电子了，称为截止频率或是极限频率，这就是说，当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。实验表明：不同的金属的极限频率不同。,b.存在截止频率,（2）存在饱和电流,光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。,实验表明：入射光越强，饱和电流越大,实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。,更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过109秒（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。,光电效应在极短的时间内完成,(3)具有瞬时性,二.经典理论解释光电效应的疑难,1.经典认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。,2.光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。,3.光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。,1.光子：,光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为的光的能量子为h。这些能量子后来被称为光子。,爱因斯坦的光子说,爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：,三.爱因斯坦的光量子假设,2.爱因斯坦的光电效应方程,或,光电子最大初动能,金属的逸出功,W0,一个电子吸收一个光子的能量h后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：,三.爱因斯坦的光量子假设,逸出功W0,使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。书32页表格1几种金属的逸出功和极限频率,3.光子说对光电效应的解释,爱因斯坦方程表明，光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当hW0时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率。,电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。,光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。,三.爱因斯坦的光量子假设,3.从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系4.从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极极限频率：,爱因斯坦对光电效应的解释：1.光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。2.电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。,由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。,爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。,4.光电效应理论的验证,美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。,爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖,密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖,。,可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。,5.光电效应在近代技术中的应用,1.光控继电器,可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。,2.光电倍增管,应用,光电管,光,电源,电流计,I,A,K,(1892-1962)美国物理学家,第2课时,1.光的散射,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,2.康普顿效应,1918-1922年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。,康普顿实验装置示意图,调节A对R的方位，可使不同方向的散射线进入光谱仪。,康普顿实验指出,散射光中除了和入射光波长相同的射线之外，还出现一种波长大于的新的射线。,改变波长的散射,康普顿散射,康普顿效应,康普顿正在测晶体对X射线的散射,按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！,康普顿散射曲线的特点：,1.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长。,2.新波长随散射角的增大而增大。,散射中出现0的现象，称为康普顿散射。,波长的偏移为,遇到的困难,经典电磁理论在解释康普顿效应时,2.无法解释波长改变和散射角的关系。,射光频率应等于入射光频率。,其频率等于入射光频率，所以它所发射的散,过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，,1.根据经典电磁波理论，当电磁波通,光子理论对康普顿效应的解释,康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的,子能量几乎不变，波长不变。,小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光,光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远,2.若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，,是散射光的波长大于入射光的波长。,部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于,1.若光子和外层电子相碰撞，光子有一,结果，具体解释如下：,3.因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度,有关，所以波长改变和散射角有关。,光子理论对康普顿效应的解释,康普顿效应的定量分析,（1）碰撞前,（2）碰撞后,（3）动量守恒,光子在自由电子上的散射,由能量守恒:,由动量守恒:,最后得到：,康普顿散射公式,此式说明：波长改变与散射物质无关，仅决定于散射角；波长改变随散射角增大而增加。,电子的康普顿波长,其值为,三.康普顿散射实验的意义,（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；,（2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；,（3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。,康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。,康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。,19251926年，吴有训用银的X射线(0=5.62nm)为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质，,四、吴有训对研究康普顿效应的贡献,1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.,对证实康普顿效应作出了重要贡献。,在同一散射角()测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验。,光子的能量和动量,动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的,称为电子的Compton波长,只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。,波长的偏移只与散射角有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长0无关，,c=0.0241=2.4110-3nm（实验值）,注意几点:,.散射波长改变量的数量级为10-12m，对于可见光波长10-7m，所以观察不到康普顿效应,.散射光中有与入射光相同的波长的射线，是由于光子与原子碰撞，原子质量很大，光子碰撞后，能量不变，散射光频率不变。,.在重原子中，内层电子比轻原子多，而内层电子束缚很紧，所以原子量大的物质，康普顿效应比原子量小的弱。,.当=0时，