高二物理光的粒子性

1、17.2光的粒子性,T/年,波动性,粒子性,1801,托马斯杨 双缝干涉 实验,1814,菲涅耳 衍射实验,赫兹 电磁波实验,赫兹 发现光电效应,牛顿微粒说占主导地位,波动说 渐成真理,.,光的本性历史回顾,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，用紫外线灯照射锌板，验电器指针夹角变小。这说明了什么？,一、光电效应现象,表明锌板在射线照射下失去电子而带正电,1.什么是光电效应,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。,一.光电效应的实验规律,光电子定向移动形成的电流叫光电流,一.光电效应的实验规律,2.光电效应实验规律,（1）存在饱

2、和电流,光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。,说明在一定的光照条件下，单位时间内K发射的电子数目一定。,在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大 实验表明： 对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多,光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。,说明在一定的光照条件下，单位时间内K发射的电子数目一定。,在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大 实验表明： 对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多,：使光电流减小到零的反向电压,+ + + + + +,一 一 一 一 一 一,v,加反向电压

3、，如右图所示：,光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子作减速运动。若,最大的初动能,U=0时，I0，,因为电子有初速度,则I=0，式中UC为遏止电压,一.光电效应的实验规律,(2)存在遏止电压和截止频率,a.存在遏止电压UC,U,K,A,I,I,s,U,a,O,U,黄光（ 强）,黄光（ 弱）,光电效应伏安特性曲线,遏 止 电 压,饱 和 电 流,一.光电效应的实验规律,蓝光,U,b,(2)存在遏止电压和截止频率,实验表明: a）. 对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的. 光的频率 改变是，遏止电压也会改变。,一.光电效应的实验规律,(2)存在遏止电压和截止频

4、率,a.存在遏止电压UC,b）.光电子的能量只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。,一.光电效应的实验规律,b.存在截止频率（极限频率）c:不施加反向电压时也没有光电子射出时所对应的频率,1）不同的金属截止频率c 不同。,2）当入射光频率 c 时，电子才能逸出金属表面；,3）当入射光频率 c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。,(2)存在遏止电压和截止频率,实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表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，光电子发射所经过的时间不超过109 秒（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。,表明：光电效应

5、在极短的时间内完成,一.光电效应的实验规律,(3)具有瞬时性,勒纳德等人通过实验得出以下结论：,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； 当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大； 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； 入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9秒.,一.光电效应的实验规律,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。,逸出功W0,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。,光越强，逸出的

6、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，所以遏止电压UC应与光的强弱有关。,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。,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，这个时间远远大于10 S。,-9,实验表明:对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.,温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣脱出来，必须克服这个引力做功。,二.光电效应解释中的疑难,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

7、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,1.光子：,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,3.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Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当hW0时，才有光电子逸出， 就是光电效应的截止频率。,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生的。,光强较大时，包含的

8、光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。,三.爱因斯坦的光量子假设,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。,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波动理论。,4.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“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。,三.爱因斯坦的光量子假设,光电效应显示了光的粒子性,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

9、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,。,光电管,光,电源,电流计,I,A,K,四.光电效应在近代技术中的应用,可以用于自动控制，自动计数、自动报警、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,思考与讨论,？,课本P33,练习,课本例题P36,分析,由上面讨论结果,可得：,对于一定金属，逸出功W0是确定的，电子电荷e和普朗克常量h都是常量。,所以遏止电压UC与光的频率之间是线性关系,即：Uc图象是一 条斜率为

10、 的直线,练习,课本例题P33,分析,遏止电压Uc与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,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,练习,课本P36,1、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想想看，这种光是否一定最亮？为什么？,在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高。,紫光不是最亮的。,一为光强，,因为光的亮度由两个因素决定，,二为人眼的视觉灵敏度。,在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感

11、觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。,练习,课本P36,2、在光电效应实验中 （1）如果入射光强度增加，将产生什么结果？（2）如果入射光频率增加，将产生什么结果？,（1）当入射光频率高于截止频率时，光强增加，发射的光电子数增多；,当入射光频率低于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光电子发射出来。,（2）入射光的频率增加，发射的光电子最大初动能增加。,练习,课本P36,5、根据图17.2-2所示研究光电效应的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进行实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。,分析：阳极与电源负极相

12、接,阴极与电源正极相接,测出两种不同频率1、2光的遏止电压U1、U2,代入公式：,实验步骤：,（1）将图17.2-2电路图电源正负对调，滑动变阻器滑动触头滑至最左边，用频率为1 的光照射，此时电流表中有电流。,将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑，,同时观察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。,记下伏特表的示数U1。,（2）用频率为2的光照射，重复（1）的操作，记下伏特表的示数U2。,（3）应用 计算h。,（4）多次测量取平均值。,当入射光频率分别为1、2时，测出遏止电压U1、U2，由爱因斯坦光电效应方程可得,联立上两式，解得,其中e为电子的电量，测出U1与U2就可测出普朗克常量,1.光的散射,光在

13、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,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,康普顿散射曲线的特点：,a.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长 。,b.新波长

14、随散射角的增大而增大。,散射中出现 0 的现象，称为康普顿散射。,波长的偏移为,一.康普顿效应,称为电子的Compton波长,只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。,波长的偏移只与散射角 有关，而与散射物质 种类及入射的X射线的波长0 无关，,c = 0.0241=2.4110-3nm（实验值）,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

15、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，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。,1.有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；,2.首次在实验上证实了“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

16、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,康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖,(1892-1962)美国物理学家,1927,19251926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,1.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，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，,这时( ) A.锌板带正电，指针带负电 B.锌板带正电，指针带正电 C.锌板带负电，