高中物理选修3-5：17.2-光的粒子性-LI

1、第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性17.1 能量量子化 我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，称为热辐射。所辐射电磁波的特征仅与温度有关。固体在温度升高时颜色的变化特性：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同。黑体与黑体辐射1. 热辐射现象800K 暗红1000K赤红1200K橘红1400K黄白热辐射强度按波长(频率)的分布和温度有关， 低温物体发出的是红外光，炽热物体发出的是可见光，高温物体发出的是紫外光。 温度 短波长的电磁波的比例 。任何物体（气、液、固）在任何温度下，都会有热辐射。热辐射波谱是连续谱，各种波长(频率)都有，但是强度不同。fC 2.黑体

2、及黑体辐射黑体及黑体辐射 如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是不发生反射，这种物体就是 “绝对黑体绝对黑体”，简称，简称“黑体黑体”。 它是在任何温度下都能它是在任何温度下都能全部吸收全部吸收落在它上面的落在它上面的一切辐射一切辐射的理想物体。的理想物体。黑体辐射特点：黑体辐射特点： 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度温度有关有关。在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个小孔（而非空腔壁）就成了

3、一个黑体空腔上的小孔空腔上的小孔炼钢炉上的小洞炼钢炉上的小洞向远处观察打开向远处观察打开的窗子的窗子近似黑体近似黑体 各种温度下黑体辐射强度按波长分布情况的实验曲线1）温度一定时，黑体的辐射强度每一条曲线都有一个极大值,对应的波长为m。2）随着温度的升高，黑体的总辐射强度迅速增大，并且曲线的极大值点逐渐向波长较短的方向移动。3.黑体辐射的规律 ctkTT。15.273为热力学温标辐射强度 （3）瑞利金斯公式：在长波部分与实验结果比较吻合。但在短波区与实验严重不符，且当波长趋于0时，紫外区竟算得单色辐出度为无穷大所谓的“紫外灾难”。 利用经典理论无法解释黑体辐射现象。正如1900年开尔文指出的晴

4、朗的物理学理论大厦上空，飞来“两朵乌云”之一，它动摇了经典物理的基础。（2）维恩公式解释：在短波部分与实验结果吻合得很好，但长波却不行。4.黑体辐射实验规律的理论解释（1）物体中存在大量不停运动的带电微粒，带电微粒的振动产生变化的电磁场，向外辐射电磁波瑞利-金斯维恩理论值实验T=1646k辐射强度 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言: “科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。” -开尔文-也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！ 但开尔文毕竟是一位

5、重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到： “但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，-”（1900年）一朵与黑体辐射有关另一朵与迈克尔逊实验有关不到一年量子论1905年相对论 普朗克于普朗克于19001900年底，提出大胆假设：振动着的带电微年底，提出大胆假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值粒的能量只能是某一最小能量值 的整数倍的整数倍即：即：, , 2 2, 3, 3, . , . n n. . n n为正整数，称为为正整数，称为量子数。量子数。这这一最小能量一最小能量称为称为能量子能量子。对于频率为对于频率为的电磁波，最小能量为的电磁波，最小能量为

6、能量能量微观微观量子量子宏观宏观经典经典h能量量子化假说能量量子化假说ch其中h=6.6310-34Js，后人称之为普朗克常量(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克实验值实验值),(0Te 黑体辐射公式（不要求）黑体辐射公式（不要求）1900.10.19 普朗克在德国普朗克在德国物理学会会议上提出一个物理学会会议上提出一个黑体辐射公式黑体辐射公式12)(/32kThechTMsJ1055. 634hM.Planck 德国人德国人 18581947 本节课的主要知识本节课的主要知识: : 微观粒子的运动微观粒子的运动是不连续的是不连续的, , 在发射和吸收能量的时候，在发射和吸收能量的

7、时候，不是连续的，而是一份一份的。能量是不是连续的，而是一份一份的。能量是h 的整数倍。的整数倍。 每份能量为每份能量为:sJh3410626. 6hch17.2 光的粒子性第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性一、光的波动性一、光的波动性 光是电磁波光是电磁波理论证明：麦克斯韦的经典电磁场理论理论证明：麦克斯韦的经典电磁场理论实验验证：赫兹的电火花实验，发现电磁波的实验验证：赫兹的电火花实验，发现电磁波的速度和光速相同。速度和光速相同。其它实验证据：其它实验证据：1、光的干涉：托马斯、光的干涉：托马斯杨杨 2、光的衍射：菲涅尔、光的衍射：菲涅尔3、光的偏振：马吕斯、光的偏振：马吕斯演示演示二

8、、光电效应现象二、光电效应现象 用弧光灯照射擦得很亮的锌板，用导线与不带用弧光灯照射擦得很亮的锌板，用导线与不带电的验电器相连，使验电器张角增大到约为电的验电器相连，使验电器张角增大到约为30度。度。 再用与丝绸磨擦过的玻璃去靠近锌板，则验电再用与丝绸磨擦过的玻璃去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。器的指针张角会变大。结论：结论：锌板在射线照射下失去电子而带正电锌板在射线照射下失去电子而带正电。光电效应：光电效应： 当光线照射在金属表面时，金属中有电当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为子逸出的现象，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

9、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。三、实验研究光电效应的规律三、实验研究光电效应的规律1、存在饱和电流存在饱和电流 当当A接正极，接正极，K接负极接负极时，控制入射光的强度一时，控制入射光的强度一定，使定，使UAK从从0开始增大，开始增大，观察到电流表的示数一开观察到电流表的示数一开始增大，到某一数值后就始增大，到某一数值后就不再增大。不再增大。 这个最大电流就叫做这个最大电流就叫做饱和电流饱和电流。VGAAK阳极阳极阴极阴极 + - 对存在饱和电流的解释：对存在饱和电流的解释： K板逸出的电子向各板逸出的电子向各个方向运动，如果不加电个方向运动，如果不加电压，很多电子无

10、法到达压，很多电子无法到达A板，无法形成较大电流。板，无法形成较大电流。 加上电压后，越来越加上电压后，越来越多的电子到达多的电子到达A板，电流板，电流越来越大。越来越大。 但是，如果所有电子但是，如果所有电子都达到了都达到了A板，继续增大板，继续增大电压，就无法再增大电流。电压，就无法再增大电流。VGAAK阳极阳极阴极阴极 + - VGAAK阳极阳极阴极阴极 + - 思考思考1：如果：如果AK之间不之间不加电压，电流是否为加电压，电流是否为0？思考思考2：如何才能使电流：如何才能使电流为为0？2、存在遏止电压存在遏止电压Uc （反向截止电压）（反向截止电压） 当当A接负极，接负极，K接正极接

11、正极时，控制入射光的强度一时，控制入射光的强度一定，使定，使UKA从从0开始增大，开始增大，观察到电流表的示数逐渐观察到电流表的示数逐渐减小到减小到0。 电流刚减小到电流刚减小到0时对应时对应的的UKA叫做遏止电压叫做遏止电压Uc。VGAAK阳极阳极阴极阴极 - + 对存在遏止电压的解释：对存在遏止电压的解释： 加上反向电压后，电加上反向电压后，电子受到的电场力方向与运子受到的电场力方向与运动方向相反，电子减速。动方向相反，电子减速。 如果反向电压足够大，如果反向电压足够大，电子将无法达到电子将无法达到A板。临界板。临界的电压值即为遏止电压的电压值即为遏止电压Uc。 其中，其中，vc是所有光电

12、子的最大初速度，是所有光电子的最大初速度， 是光电子的最大初动能。是光电子的最大初动能。+ + + + + + 一一 一一 一一 一一 一一 一一EEFvUKAc221eUvmcec221eUvmce IUc2OU黄光（黄光（ 强）强）黄光（黄光（ 弱）弱）实验测得的光电效应曲线实验测得的光电效应曲线蓝光蓝光Uc1遏遏止止电电压压饱和电流饱和电流Is3、存在截止频率存在截止频率c 当入射光的频率减小当入射光的频率减小到某一数值到某一数值c时，无论光时，无论光的强度多大，加上怎样的的强度多大，加上怎样的电压，都不会有光电流。电压，都不会有光电流。 这个临界频率叫做截这个临界频率叫做截止频率止频率

13、c。VGAAK阳极阳极阴极阴极 - + VGAAK阳极阳极阴极阴极 - + 4、光电效应的瞬时性光电效应的瞬时性 当入射光的频率超过当入射光的频率超过截止频率时，无论光如截止频率时，无论光如何微弱，几乎在瞬间就何微弱，几乎在瞬间就会产生光电流。时间间会产生光电流。时间间隔不超过隔不超过10-9s。经典的理论无法解释光电效应中的一些现象：经典的理论无法解释光电效应中的一些现象：推论推论1：光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压止电压Uc应与光的强弱有关。应与光的强弱有关。实验结果：遏止电压只与光的频率有关。对于一定颜实验结果：遏止电压只与光的频率有关。

14、对于一定颜色（频率）的光色（频率）的光, 无论光的强弱如何，遏止电压是无论光的强弱如何，遏止电压是一样的。一样的。推论推论2：不管光的频率如何，只要光足够强，电子都：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。可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。实验结果：对于不同的物体，都有相应的截止频率。实验结果：对于不同的物体，都有相应的截止频率。推论推论3：如果光很弱，电子需要很长时间才能获得逸：如果光很弱，电子需要很长时间才能获得逸出表面需要的能量。出表面需要的能量。实验结果：时间小于实验结果：时间小于10-9s四、爱因斯坦的光电效应方程四、爱因斯坦的

15、光电效应方程1、光子、光子：光本身就是由一个个不可分割的能量子组：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为成的，频率为的光的能量子为的光的能量子为h。这些能量子后。这些能量子后来被称为光子。来被称为光子。2、电子从金属中逃逸，需要克服阻力做功、电子从金属中逃逸，需要克服阻力做功。使电子。使电子脱离金属所要做的脱离金属所要做的最小最小的功，叫做金属的的功，叫做金属的逸出功逸出功。 不同金属的逸出功是不同的。不同金属的逸出功是不同的。3、一个一个电子电子一瞬间一瞬间吸收吸收一个一个光子的能量，一部分能光子的能量，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，剩下的表现为逸出，剩

16、下的表现为逸出后电子的最大初动能后电子的最大初动能Ek，即：，即： 上式即为爱因斯坦的光电效应方程。上式即为爱因斯坦的光电效应方程。 如果电子克服阻力做功大于逸出功，则逸出后如果电子克服阻力做功大于逸出功，则逸出后电子的初动能小于最大初动能。电子的初动能小于最大初动能。0kEhW影响饱和电流、遏制电压、截止频率的因素影响饱和电流、遏制电压、截止频率的因素1、只要入射光频率超过截止频率，只要入射光频率超过截止频率，饱和电流饱和电流的大小只与单位时间内的光子数有关。的大小只与单位时间内的光子数有关。2、截止频率只与金属的逸出功有关，即只与、截止频率只与金属的逸出功有关，即只与金属的种类有关。金属的

17、种类有关。3、遏制电压与入射光频率和逸出功有关。、遏制电压与入射光频率和逸出功有关。0cWh0chWUe思考思考1：同种频率的光射到同种金属上，增强：同种频率的光射到同种金属上，增强入射光时，饱和电流、遏止电压分别如何变入射光时，饱和电流、遏止电压分别如何变化？化？答案：饱和电流增大，遏止电压不变。答案：饱和电流增大，遏止电压不变。思考思考2：相同强度（单位时间内的能量）的单：相同强度（单位时间内的能量）的单色光射到同种金属上，增加入射光的频率时，色光射到同种金属上，增加入射光的频率时，饱和电流、遏止电压分别如何变化？饱和电流、遏止电压分别如何变化？答案：饱和电流减小，遏止电压增大。答案：饱和

18、电流减小，遏止电压增大。五、光电效应方程的图像：五、光电效应方程的图像：1、外加电压和光电流的关系外加电压和光电流的关系（同种金属）（同种金属） 光的强弱影响光的强弱影响饱和饱和电流电流 光的频率影响遏制电压光的频率影响遏制电压IUc2OU黄光（强）黄光（强）黄光（弱）黄光（弱）蓝光蓝光Uc12、遏止电压遏止电压-入射光频率入射光频率：Uc-图像图像思考思考1：截距和斜率的物理意义分别是什么？：截距和斜率的物理意义分别是什么？思考思考2：如果将两种不同金属的：如果将两种不同金属的Uc-曲线画在曲线画在同一张图像中，会是怎样的？同一张图像中，会是怎样的？Uc-W0/ec0cWhUee六、光电效应

19、方程的验证六、光电效应方程的验证 密立根设计实验，测量金属的遏止电压与入射密立根设计实验，测量金属的遏止电压与入射光频率的关系曲线，根据曲线斜率算出普朗克常数光频率的关系曲线，根据曲线斜率算出普朗克常数h，进而与普朗克从黑体辐射得出的，进而与普朗克从黑体辐射得出的h相比较。相比较。实验结论：两种方法计算出的普朗克常数几乎一样，实验结论：两种方法计算出的普朗克常数几乎一样，从而证明了光子假说的正确性。从而证明了光子假说的正确性。 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光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，荣获电效应的实验规律，荣获1921年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。

20、 密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是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年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖七、康普顿效应七、康普顿效应1、光的散射光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用，因而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。传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。2、康普顿效应康普顿效应 康普顿在做康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射波长相同的射时，发现散射线中除有与入射波长相同的射线外，还有比入射波长

21、更长的射线，其波长线外，还有比入射波长更长的射线，其波长的改变量与散射角的改变量与散射角有关，而与入射波长和散有关，而与入射波长和散射物质都无关。射物质都无关。3、康普顿散射实验的装置康普顿散射实验的装置 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 4、康普顿效应的解释康普顿效应的解释 经典理论：光的散射不会改变光的波长和频率。经典理论：光的散射不会改变光的波长和频率。 光子模型解释：根据动量守恒定律，发生碰撞光子模型解释：根据动量守恒定律，发生碰撞后光子的动量会发生变化。后光子的动量会发生变化。 光子的动量与波长

22、存在一定的关系：光子的动量与波长存在一定的关系： 发生碰撞后，光子的动量减小，即光的波长增发生碰撞后，光子的动量减小，即光的波长增大。大。 散射角不同，说明碰撞后光子的动量也不同，散射角不同，说明碰撞后光子的动量也不同，光的波长也不同。光的波长也不同。pmc2hmchhpc也可以从光子能量的角度解释康普顿效应：也可以从光子能量的角度解释康普顿效应： 发生碰撞后，光子能量减小，因此光的发生碰撞后，光子能量减小，因此光的频率减小。频率减小。 碰撞的角度不同时，光子能量的减小也碰撞的角度不同时，光子能量的减小也不同，频率的减小也不同。不同，频率的减小也不同。5、康普顿效应的意义康普顿效应的意义(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)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”的假的假设设(3)证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量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。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早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于改变是由于“混进来了某种荧光辐射混进来了某种荧光辐射”。 康普顿于康普顿于1927年获诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物理学奖。例例