17.2光的粒子性---陈刚课件

1、2、光的粒子性,第一课时,把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用弧光灯照射锌板，观察验电器指针的变化。,讨论：这个现象说明了什么问题？,1.光电效应现象,一.光电效应的实验规律,石英窗,光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出-光电子。,光电子在电场作用下形成光电流。,2.光电效应的实验规律,1. 光电效应实验,讨论：1、怎样才能增大电流呢？ 2、随着电压的增大，电路中的电流会怎么变化呢？会无限增大吗？,.饱和光电流与光强的关系,饱和光电流强度与入射光强度成正比。,2.光电效应的实验规律,遏止电压,+ + + + + +,一 一 一 一 一 一,最大的初动能,讨论3：如果A、

2、K两极加的电压为0，电路中的电流为0吗？怎样才能使电路中的电流为0呢？,式中UC为遏止电压,光强：单位时间内垂直于光的传播方向上的单位面积所通过的能量I= nh,.截止频率c -极限频率,对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率c 。,当入射光频率 c 时，电子才能逸出金属表面；,当入射光频率 c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。,光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间10-9s。,2.光电效应的实验规律,归纳,每个光子的能量=h,是否发生光电效应,照射光强度,单位时间照到单位面积上的光子数,饱和光电流强度,单位时间内发射的光电子数,决定着,决定着,决定着,决定着,照射光频率

3、,1、逸出功W0,二.光电效应解释中的疑难,2、光电效应与光的电磁理论的矛盾,【例1】入射光照射到某金属表面上发生了光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，则下列说法中正确的是 ( ) A从光照射到金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加 B逸出的光电子的最大初动能将减小 C单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少 D有可能不发生光电效应,C,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

4、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：,3.光子说对光电效应的解释,4.光电效应理论的验证,三.爱因斯坦的光量子假设,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,。,【例2】铝的逸出功是4.2 eV，现在将波长200 nm的光照射铝的表面。 (1)求光电子的最大初动能； (2)求遏止电压； (3)求铝的截止频率。,可以用于自动控制，自动计数、自动报

5、警、自动跟踪等。,四.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,*对应训练* 1光电效应实验的装置如图1723所示，则下面说法中正确的是( ),图1723,A用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转 B用绿色光照射锌板，验电器指针会发生偏转 C锌板带的是负电荷 D使验电器指针发生偏转的是正电荷,A D,*对应训练* 2下列对光电效应的解释正确的是( ) A金属内的每个电子能吸收一个或一个以上的光子，当它积累的能量足够大时，就能逸出金属 B如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原

6、子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应 C发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大,D由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属发生光电效应的入射光的最低频率也不同,B、D,第二课时,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,1923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。,一.康普顿效应,3.康普顿散射的实验装置与规律：,晶体,光阑,探 测 器,0

7、,散射波长,一.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！,一.康普顿效应,1.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难,二.康普顿效应解释中的疑难,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，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。,无法解释波长改变和散射角关系。,2.光子理论对康普顿效应的解释,二.康普顿效应解释中的疑难,若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。,若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞

8、，光子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， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。,因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。,(3)光子说对康普顿效应的解释 假定X射线光子与电子发生完全弹性碰撞，这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似。按照爱因斯坦的光子说，一个X射线光子不仅具有能量Eh，而且还有动量。如图1724所示。这个光子与静止的电子发生弹性斜碰，光子把部分能量转移给了电子，能量由h减小为h，因此频率减小，波长增大。同时，光子还使电子获得一定的动量。这样就圆满地解释了康普顿效应。,1.有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；,2.首次在实验上证

9、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。,三.康普顿散射实验的意义,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，,4.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

10、光强度，作 了大量 X 射线散射实验。,三.康普顿散射实验的意义,四.光子的动量,动量能量是描述粒子的, 频率和波长则是用来描述波的,【例1】假如一个光子与一个静止的电子碰撞，光子并没有被吸收，只是被电子反弹回来，则散射光子的频率与原来光子的频率相比哪个大？ 【答案】原来光子的频率大,1.对光电效应的理解,(2)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量时间，光电流自然几乎是瞬时产生的。 (3)光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流大，所以饱和电流与光强成正比。,2光电效应中各相关物理量间的关系,(课本例题P34),分析,由上面讨论结果,可得：,遏止电压Uc与

11、光电子的最大初动能Ek有关,Ek越大， Uc越高；Uc为零，Ek为零，即没有光电子,所以与遏止电压Uc=0对应的频率应该是截止频率c,【例3】,由以上分析可知：,根据数据作Uc图象即可求得,遏止电压Uc=0对应的频率就是截止频率c,Uc图象是一条斜率为 的直线,对光电效应的理解 (1)光电效应是单个光子和单个电子之间的相互作用产生的。金属中的某个电子只能吸收一个光子的能量，只有当吸收的能量足够克服原子核的引力而逸出时，才能产生光电效应，而光子的能量与光的频率有关，由此可解释光电效应的瞬时性和存在极限频率的原因。,(2)“光电子的动能”可以介于0Ekm的任意值，只有从金属表面逸出的光电子才具有最

12、大初动能，且随入射光频率增大而增大。 (3)“入射光强度”，指的是单位时间内入射到金属表面单位面积上的光子的总能量，在入射光频率不变时，光强正比于单位时间内照到金属表面单位面积上的光子数，但若入射光频率不同，即使光强相同，单位时间内照到金属表面单位面积上的光子数也不相同，因而从金属表面逸出的光电子数也不相同(形成的光电流也不相同)。,(4)光电流，即光电子形成的电流。只有当光电子从阴极跑到阳极时才会形成电流，而到达阳极的光电子数除了与阴极发射的电子数目的多少有关外(即入射光的强度)，还与光电管的阴阳两极间的电压有关。若两极间电压达一定程度，阳极把所有光电子都吸收过来时，光电流达到最大，我们称之为“饱和光电流”。饱和光电流的大小决定于光电子的数目，而光电子的数目又决定入射光子的数目，在光的频率一定的前提下，光子的数目又由入射光的强度决定。因此在入射光的频率一定时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比。,光的粒子性,一、光电效应的基本规律,小结,1.光电效应现象,2.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； 当入射光的频率