人教版选修3-5 172 光的粒子性201703

1、课程标准：课程标准： 1 1、了解、了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和 微观粒子的能量变化特点。体会量子论的建立深化微观粒子的能量变化特点。体会量子论的建立深化 了人们对于物质世界的认识。了人们对于物质世界的认识。 2 2、通过、通过实验了解光电效应。知道爱因斯坦光电效应实验了解光电效应。知道爱因斯坦光电效应 方程以及意义。方程以及意义。 3 3、了解、了解康普顿效应。康普顿效应。 4 4、根据、根据实验说明光的波粒二象性。知道光是一种概实验说明光的波粒二象性。知道光是一种概 率波。率波。 5 5、知道、知道实物粒子具有波动性。知道电子云。初步了实

2、物粒子具有波动性。知道电子云。初步了 解不确定性关系。解不确定性关系。 6 6、通过、通过典型事例了解人类直接经验的局限性。体会典型事例了解人类直接经验的局限性。体会 人类对世界的探究是不断深入的。人类对世界的探究是不断深入的。 学习目标：学习目标： 了解黑体和黑体辐射的实验规律，知道普朗克提出了解黑体和黑体辐射的实验规律，知道普朗克提出 的能量子的假说的能量子的假说 了解光电效应和光电效应的实验规律，以及光电效了解光电效应和光电效应的实验规律，以及光电效 应与电磁理论的矛盾应与电磁理论的矛盾 知道知道爱因斯坦光电效应方程及其意义，并会用来解爱因斯坦光电效应方程及其意义，并会用来解 决简单的问

3、题决简单的问题 了解康普顿效应及其意义，了解光子的动量了解康普顿效应及其意义，了解光子的动量 第十七章 波粒二象性 第2节 光的粒子性 问题：问题：回顾前面的学习，总结人类对回顾前面的学习，总结人类对 光的本性的认识的发展过程？光的本性的认识的发展过程？ 用弧光灯照射擦得很亮的锌板，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带注意用导线与不带 电的验电器相连），电的验电器相连），使验电使验电 器张角增大到约为器张角增大到约为 30度时，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。针张角会变大。 表明锌板在射线照射下失

4、去电子而带正电表明锌板在射线照射下失去电子而带正电 一、光电效应的实验规一、光电效应的实验规 律律 当光线照射在金属表面时，金属中有电子当光线照射在金属表面时，金属中有电子 逸出的现象，称为逸出的现象，称为光电效应光电效应。逸出的电子称为逸出的电子称为 光电子。光电子。 光电子定向移动形成的电流叫光电子定向移动形成的电流叫光电流光电流 1、什么是光电效应、什么是光电效应 2 2、光电效应实验、光电效应实验规律规律 （1 1）存在饱和电流）存在饱和电流 光照不变，增大光照不变，增大UAK，G表中电流表中电流 达到某一值后不再增大，即达到达到某一值后不再增大，即达到 饱和值。饱和值。 因为光照条件

5、一定时，因为光照条件一定时，K发射的发射的 电子数目一定。电子数目一定。 实验表明：实验表明： 入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光 电子数越多。电子数越多。 V G AK 阳极阳极 阴极阴极 ：使光电流减小到零的反向电压：使光电流减小到零的反向电压 v 加反向电压，如右图所示：加反向电压，如右图所示： 光电子所受电场力方向与光电子光电子所受电场力方向与光电子 速度方向相反，光电子作减速运速度方向相反，光电子作减速运 动。若动。若 c 2 2 1 eUvm ce c v速率最大的是 最大的初动能最大的初动能 U=0时，时，I0， 因为电子有初

6、速度因为电子有初速度 则则I=0，式中，式中UC为为遏止电压遏止电压 (2) 存在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率 a.存在存在遏止电压遏止电压UC E E U F KA I I s UaOU 黄光（黄光（ 强）强） 黄光（黄光（ 弱）弱） 光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线 遏遏 止止 电电 压压 饱饱 和和 电电 流流 兰光兰光 U b (2) 存在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率 V G AK 阳极阳极 阴极阴极 实验表明实验表明:对于一定对于一定颜色颜色(频率频率) 的光的光, 无论光的强弱如何无论光的强弱如何,遏止遏止 电压是一样的电压是一样的. 光的频率光的频

7、率 改变改变 是，是，遏止电压也会改变。遏止电压也会改变。 (2) 存在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率 c 2 2 1 eUvm ce a.存在存在遏止电压遏止电压 光电子的光电子的最大初动能最大初动能只与只与入射光的频率入射光的频率有关，有关， 与入射光的强弱无关。与入射光的强弱无关。 V G AK 阳极阳极 阴极阴极 经研究后发现：经研究后发现： b. 存在存在截止频率截止频率 c 对于每种金属，都相应确定的截止频率对于每种金属，都相应确定的截止频率 c c 。 当入射光频率当入射光频率 c c 时，电子才能逸出金时，电子才能逸出金 属表面；属表面； 当入射光频率当入射光频率 W

8、W0 0时，才有光电子逸出，时，才有光电子逸出， 就是就是 光电效应的截止频率。光电效应的截止频率。 h W c 0 电子一次性吸收光子的全部能量，不需要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积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发 生的。生的。 光强较大时，包含的光子数较多，照射金光强较大时，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。属时产生的光电子多，因而饱和电流大。 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电 效应的实验规律效应的实验规律, ,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔

9、物理学奖。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时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。波动理论。 4 4、光电效应理论的验证、光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效光电效 应应”实验，结果在实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的的 值与理论值完全一致，又一次证明了值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子”理论理论 的正确。的正确。 爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效 应应的理

10、论解释和对的理论解释和对理论理论 物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921 年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和 光电效应光电效应，特别是通过著名，特别是通过著名 的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验，证明电荷有最 小单位。小单位。获得获得19231923年诺贝年诺贝 尔物理学奖尔物理学奖 思考与讨论思考与讨论 c eUWh 0 cceK eUvm：E 2 2 1 因为 可得代入 0 WhEk 放大器放大器 控制机构控制机构 可以用于自动控可以用于自动控 制，自动计数、自动制，自动计数、自动 报警、自动跟踪等。报警、自动跟踪等。 1 1、光控继电器、

11、光控继电器 K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K A 可对微弱光线进行放大，可对微弱光线进行放大， 可使光电流放大可使光电流放大10105 510108 8 倍，灵敏度高，用在工倍，灵敏度高，用在工 程、天文、科研、军事程、天文、科研、军事 等方面等方面。 2 2、光电倍增管、光电倍增管 四、光电效应在近代技术中的应用四、光电效应在近代技术中的应用 1、光的散射、光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方因而传播方 向发生改变向发生改变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射 19231923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射的射线通过物

12、质散射的 实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同实验时，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波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长有关，而与入射线波长 和散射物质都无关和散射物质都无关。 四、康普顿效应四、康普顿效应 2、康普顿效应、康普顿效应 3 3、康普顿散射的实验装置与规律：、康普顿散射的实验装置与规律： 晶体晶体 光阑光阑 X 射线管射线管 探探 测测 器器 X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体 (散射物质散射物质) j 0 散射波长散射波长 按经典电磁理论：按经典电磁理论： 如果入射

13、如果入射X光是某光是某 种波长的电磁波，种波长的电磁波， 散射光的波长是散射光的波长是 不会改变的！不会改变的！ 康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点： a. 除原波长除原波长 0外出现了移向外出现了移向 长波方向的新的散射波长长波方向的新的散射波长 。 b. 新波长新波长 随散射角的增大随散射角的增大 而增大。而增大。 散射中出现散射中出现 0 的现象，的现象， 称为称为康普顿散射。康普顿散射。 波长的偏移为波长的偏移为 0 =0 O j =45 O j =90 O j =135 O j . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o （A） 0.7000.750 波长波长 . . . . . 0 称为电子的称为电子的Compton波长波长 )cos1 (j j c 只有当入射波长只有当入射波长 0与与 c可比拟时，康普顿效应才显可比拟时，康普顿效应才显 著，著，因此要用因此要用X射线才能观察到射线才能观察到康普顿散射，用可康普顿散射，用可 见光观察不到康普顿散射。见光观察不到康普顿散射。 波长的偏移只与散射角波长的偏移只与散射角j j

15、有关，有关，而与散射物质种类及而与散射物质种类及 入射的入射的X X射线的波长射线的波长 0 0 无关， 无关， 0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（实验值）（实验值） 1 1、经典电磁理论在解释康普顿效应时、经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难遇到的困难 根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质 时，物质中带电粒子将作受迫振动，时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率其频率 等于入射光频率等于入射光频率，所以它所发射的，所以它所发射的散射光频散射光频 率率应等于应等于入射光频率入射光频率。 无法解释波长改变和散射角关系。无法解释波长改变和散射角

16、关系。 五、康普顿效应解释中疑难五、康普顿效应解释中疑难 2 2、光子理论对康普顿效应的解释、光子理论对康普顿效应的解释 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能 量传给电子，量传给电子，散射光子散射光子的能量减少，于是的能量减少，于是散射散射 光光的波长大于的波长大于入射光入射光的波长。的波长。 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子 将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于 原子质量，根据碰撞理论，原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量碰撞前后光子能量 几乎不变，波长不变。

17、几乎不变，波长不变。 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，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。所以波长改变和散射角有关。 1 1、有力地支持了爱因斯坦、有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； 2 2、首次在实验上证实了、首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量”的假设；的假设； 3 3、证实了、证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量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。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篇

18、论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进混进 来了某种荧光辐射来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，；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。后来才认识到还要用动量守恒。 康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。 六、康普顿散射实验的意义六、康普顿散射实验的意义 康普顿康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖 (1892-1962)美国物理学家美国物理学家 康普顿效应康普顿效应 19251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线( 0 =5.62nm) 为入射线为入射线, 以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重

19、不同的元素为散射物质， 4、吴有训对研究康普顿效应的贡献、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对证实康普顿效应作出了 重要贡献。重要贡献。 在同一散射角在同一散射角( )测量测量 各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，作 了大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。 0 120 j j （1897-19771897-1977） 吴有训吴有训 2 mcE h c h c c h mcP 2 hE 2 c h m 七、光子的动量七、光子的动量 hE h P 动量能量是描述粒子的动量能量是描述粒

20、子的, 频率和波长则是用来描述波的频率和波长则是用来描述波的 光的粒子性光的粒子性 一、光电效应的基本规律一、光电效应的基本规律 1.光电效应现象光电效应现象 2.光电效应实验规律光电效应实验规律 对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的 频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低 于这个频率就不能发生光电效应；于这个频率就不能发生光电效应； 当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与 入射光的强度成正比；入射光的强度成正比； 光电子的最大初动能与入射

21、光的强度无关，只随着光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着 入射光的频率增大而增大；入射光的频率增大而增大； 入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的， 一般不超过一般不超过10-9秒秒. （3 3）光子说对光电效应的解释）光子说对光电效应的解释 （2）爱因斯坦的光电效应方程）爱因斯坦的光电效应方程 三、爱因斯坦的光电效应方程三、爱因斯坦的光电效应方程 （1 1）光子：）光子： 二、光电效应解释中的疑难二、光电效应解释中的疑难 1 1、在演示光电效应的实验中，原来不带电的在演示光电效应的实验中，原来不带电的 一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌 板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所 示，示， 这时这时( )( ) A.A.锌板带正电，指针带负电锌板带正电，指针带负电 B.B.锌板带正电，指针带正电锌板带正电，指针带正电 C.C.锌板带负电，指针带正电锌板带负电，指针带正电 D.D.锌板带负电，指针带负电锌板带负电，指针带负电 B 课堂练习课堂练习 2 2、一束黄光照射某金属表面时，不能产生光一束黄光照射某金属表面时，不能产生光 电效应，则下列措施中可能使该金属产生光电电效应，则下列措施中可能使该金属产生光电 效应的是效应的