光的粒子性——新课用4课时

1、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,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 ,一、光的波动性 光是电磁波 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，发现电磁波的速度和光速相同。 其它实验证据： 1、光的干涉：托马斯杨 2、光的衍射：菲涅尔 3、光的偏振：马吕斯,二、光电效应现象 用弧光灯照射擦得很

2、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30度。 再用与丝绸磨擦过的橡胶棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。 结论：锌板在射线照射下失去电子而带正电。,光电效应： 当光线照射在金属表面时，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。 光电子定向移动形成的电流叫光电流。,三、实验研究光电效应的规律 1、存在饱和电流 当A接正极，K接负极 时，控制入射光的强度一 定，使UAK从0开始增大， 观察到电流表的示数一开 始增大，到某一数值后就 不再增大。 这个最大电流就叫做 饱和电流。,对存在饱和电流的解释： K板逸出的电子向各 个方向运动，如果不加电 压，很多

3、电子无法到达A 板，无法形成较大电流。 加上电压后，越来越 多的电子到达A板，电流 越来越大。 但是，如果所有电子 都达到了A板，继续增大 电压，就无法再增大电流。,思考1：如果AK之间不加电压，电流是否为0？ 思考2：如何才能使电流为0？,2、存在遏止电压Uc （反向截止电压） 当A接负极，K接正极 时，控制入射光的强度一 定，使UKA从0开始增大， 观察到电流表的示数逐渐 减小到0。 电流刚减小到0时对应 的UKA叫做遏止电压Uc。,对存在遏止电压的解释： 加上反向电压后，电 子受到的电场力方向与运 动方向相反，电子减速。 如果反向电压足够大， 电子将无法达到A板。临界 的电压值即为遏止电

4、压Uc。 其中，vc是所有光电子的最大初速度， 是光电子的最大初动能。,+ + + + + +,一 一 一 一 一 一,3、存在截止频率c 当入射光的频率减小 到某一数值c时，无论光 的强度多大，加上怎样的 电压，都不会有光电流。 这个临界频率叫做截 止频率c。,4、光电效应的瞬时性 当入射光的频率超过截止频率时，无论光如何微弱，几乎在瞬间就会产生光电流。时间间隔不超过10-9s。,经典的理论无法解释光电效应中的一些现象： 推论1：光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压Uc应与光的强弱有关。 实验结果：遏止电压只与光的频率有关。对于一定颜色（频率）的光, 无论光的强弱如何，遏止电压是一样

5、的。 推论2：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。 实验结果：对于不同的物体，都有相应的截止频率。 推论3：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。 实验结果：时间小于10-9s,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,四、爱因斯坦的光电效应方程 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。 2、电子从金属中逃

6、逸，需要克服阻力做功。使电子脱离金属所要做的最小的功，叫做金属的逸出功。 不同金属的逸出功是不同的。 3、一个电子一瞬间吸收一个光子的能量，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最大初动能Ek，即： 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，则逸出后电子的初动能小于最大初动能。,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，饱和电流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，即只与金属的种类有关。 3、遏制电压与入射光频率和逸出功有关。,思考1：同种频率的光射到同种金属上，增强入射光时，饱和电流、

7、遏止电压分别如何变化？ 答案：饱和电流增大，遏止电压不变。 思考2：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，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。,五、光电效应方程的图像： 1、外加电压和光电流的关系（同种金属） 光的强弱影响饱和电流 光的频率影响遏制电压,2、遏止电压-入射光频率：Uc-图像 思考1：截距和斜率的物理意义分别是什么？ 思考2：如果将两种不同金属的Uc-曲线画在同一张图像中，会是怎样的？,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

8、辐射得出的h相比较。 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。 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。 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,应 用,光电管,光,电源,电流计,I,A,K,七、康普顿效应 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 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波长相同的射线外，还有比入射波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关

9、，而与入射波长和散射物质都无关。,3、康普顿散射实验的装置,晶体,光阑,探 测 器,0,散射波长,4、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。 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。 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，即光的波长增大。 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。,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，因此光的频率减小。 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。,5.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

10、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。,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,光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。,光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。,光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。,关于光的本性问题，我们不应该在微粒说和波动说之间进行取

11、舍，而应该把它们看作是光的本性的两种不同侧面的描述。,例1、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效应的是( ) A、延长光照时间 B、增大光束的强度 C、换用红光照射 D、换用紫光照射 答案：D,例2、关于光子说的基本内容有以下几点，正确的是( ) A、在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子 B、光是具有质量、能量和体积的物质微粒子 C、光子的能量跟它的频率成正比 D、光子客观并不存在，而是人为假设的 答案：ACD,例3、关于光电效应下述说法中正确的是( ) A、光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大 B、只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一定能产生光电效应 C、在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关 D、任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率