选修3-5-光的粒子性

1、光电效应光电效应 光子光子第第1课时课时 1672 T/年年 16901864 1905 1801 托马斯托马斯杨杨 双缝干涉双缝干涉 实验实验 1814 菲涅耳菲涅耳 衍射实验衍射实验 赫兹赫兹 电磁波实验电磁波实验 1888 赫兹赫兹 发现光电效应发现光电效应 牛顿微粒说牛顿微粒说 占主导地位占主导地位 波动说波动说 渐成真理渐成真理 . 光的本性历史回顾光的本性历史回顾 紫紫 靛靛 光的颜色光的颜色波长波长频率频率 红色红色约约625740纳米纳米约约480405兆赫兆赫 橙色橙色约约590625纳米纳米约约510480兆赫兆赫 黄色黄色约约565590纳米纳米约约530510兆赫兆赫

2、绿色绿色约约500565纳米纳米约约600530兆赫兆赫 青色青色约约485500纳米纳米约约620600兆赫兆赫 蓝色蓝色约约440485纳米纳米约约680620兆赫兆赫 紫色紫色约约380440纳米纳米约约790680兆赫兆赫 波长波长 频率频率 大大小小 低低高高 1.演示实验演示实验 （2）光电子：）光电子：在光电效应中在光电效应中逸出的电子称为逸出的电子称为 光电子光电子。 （3）光电流：光电流：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 2.几个概念几个概念 （1）光电效应：）光电效应：当光线照射在金属表面时，当光线照射在金属表面时， 金属中有电子逸出的现象

3、，称为金属中有电子逸出的现象，称为光电效应光电效应。 实验电路实验电路 疑问：光电子的发疑问：光电子的发 射与什么因素有关射与什么因素有关 呢？呢？ 光电效应实验有着光电效应实验有着 怎样的规律？怎样的规律？ 光照不变，光照不变， 增大增大UAK，G 表中电流增表中电流增 大到某一值大到某一值 后，即使再后，即使再 增大增大UAK，光，光 电流也不再电流也不再 增大，即达增大，即达 到饱和值。到饱和值。 饱和电流意义：饱和电流意义： 饱和电流饱和电流反映的是单位时间内发射的反映的是单位时间内发射的光电子光电子 数数。 饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数

4、 越多。越多。 饱和电流饱和电流光电子数光电子数 实验表明：实验表明： 同种颜色的入射光，同种颜色的入射光， 光越强，饱和电流越光越强，饱和电流越 大。大。 说明说明光越强光越强， 逸出的逸出的 光电子越多光电子越多 I I s UaOU 黄光（黄光（ 强）强） 黄光（黄光（ 弱）弱） 光电效应伏光电效应伏 安特性曲线安特性曲线 饱饱 和和 电电 流流 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 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

5、 1 eUvm ce c v速率最大的是 U=0时，时，I0， 因为电子有初速度因为电子有初速度 则所有光电子都无法到达则所有光电子都无法到达A极板，极板， 光电流光电流I=0，式中，式中UC为为遏止电压遏止电压 (2)存在存在遏止电压遏止电压 v E E U F KA 实验表明实验表明:对于对于 的光的光, 无论光的强弱如何无论光的强弱如何, . 光的频率光的频率 增大增大，遏止电压也遏止电压也增大增大。 光电效应伏光电效应伏 安特性曲线安特性曲线 I UaOU 黄光（黄光（ 强）强） 黄光（黄光（ 弱）弱） 遏遏 止止 电电 压压 蓝光蓝光 U b 遏止电压遏止电压光电子最大初动能光电子最

6、大初动能 经研究后发现：经研究后发现： (3)存在存在截止频率截止频率 温度不很高时，温度不很高时， 电子不能大量逸电子不能大量逸 出，是由于受到出，是由于受到 金属表面层的引金属表面层的引 力作用，电子要力作用，电子要 从金属中挣脱出从金属中挣脱出 来，必须克服这来，必须克服这 个引力做功。个引力做功。 使电子脱离某种金 属所做功的最小值， 叫做这种金属的 逸出功逸出功W0。 截止频率截止频率逸出功逸出功 实验结果：即使入射光的强度非常微弱，实验结果：即使入射光的强度非常微弱， ，电流表电流表 指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。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

7、电子发射所经过的时更精确的研究推知，光电子发射所经过的时 间不超过间不超过1010 9 9 秒 秒（这个现象一般称作（这个现象一般称作“光电光电 子的瞬时发射子的瞬时发射”）。）。 光电效应在极短的时间内完成 (4)具有瞬时性具有瞬时性 ： 以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所 以无法用经典的波动理论来解释光电效应。以无法用经典的波动理论来解释光电效应。 光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电 压压UC应与光的强弱有关。应与光的

8、强弱有关。 不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获 得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。 如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分 钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量， 这个时间远远大于这个时间远远大于10 S。 -9 实验表明实验表明:对于一定颜色对于一定颜色(频率频率)的光的光, 无论光的强弱如何无论光的强弱如何,遏止电压是一样的遏止电压是一样的. 经典理论认为光的强度反映光的能量，经典理论认为光的

9、强度反映光的能量， 光越强光越强光的光的能量越大能量越大 光本身就是由一个个不可分光本身就是由一个个不可分 割的能量子组成的，频率为割的能量子组成的，频率为 的光的能量子为的光的能量子为h。这些能。这些能 量子后来被称为量子后来被称为光子光子。 爱因斯坦的光子说爱因斯坦的光子说 hE 爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到 了启发，他提出：了启发，他提出： 2.爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程 ： 0 WEh k 0 WhEk或 光电子最大初动能光电子最大初动能 金属的逸出功金属的逸出功 W0 2 2 1 cek vmE 一个电子吸收一个光子的能量一个电子

10、吸收一个光子的能量h后，一部分能后，一部分能 量用来克服金属的逸出功量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸，剩下的表现为逸 出后电子的初动能出后电子的初动能Ek，即：，即： 2.2.爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 EkhW0 0 EK W0 0 截止频率截止频率 逸出功逸出功 3.3.光子说对光电效应的解释光子说对光电效应的解释 爱因斯坦方程表明，光电子的初动能爱因斯坦方程表明，光电子的初动能E Ek k与与 入射光的频率成线性关系，频率越大最大初入射光的频率成线性关系，频率越大最大初 动能越大，与光强无关。动能越大，与光强无关。 只有当只有当hh WW0 0时，才有光电子逸出，

11、时，才有光电子逸出， 就是光电效应的截止频率。就是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。 E光强 光强 = nh n：单位时间打到单位面积上的光子数：单位时间打到单位面积上的光子数 一个电子只能一个电子只能 吸收一个光子吸收一个光子 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

12、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。 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

13、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 。 放大器放大器 控制机构控制机构 K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K A 。 光电管光 电源 电流计 I A K 康普顿效应康普顿效应第第2课时课时 1.光的散射光的散射 光在介质中与物质

14、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 2.2.康普顿效应康普顿效应 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。 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

15、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！ 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， ，所以它所发射的，所以它所发射的 应等于应等于。 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关系。 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，

16、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。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

17、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，动量和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。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混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只；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。考虑能量守恒，后来才认识到还要

18、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。 康康 普普 顿顿 效效 应应 康康 普普 顿顿 效效 应应 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 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年年,参加了发现康普顿效应的研究工作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）