光的粒子性修改版

22－2光電效應(yīng)康普頓散射光的粒子性一、光電效應(yīng)光照射在金屬K上，其上飛出光電子，在電場(chǎng)作用下飛向陽(yáng)極A，成為光電流金屬中的自由電子在光的照射下，吸收光能而逸出金屬表面的現(xiàn)象光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律飽和電流強(qiáng)度12）光電子的初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)U=0時(shí)，乃至U<0時(shí)，即電場(chǎng)阻止電子飛向陽(yáng)極，但仍有電子飛向陽(yáng)極，說(shuō)明光電子有初動(dòng)能。當(dāng)反向電壓增至一定值時(shí)，光電流為零實(shí)驗(yàn)還表明：截止電壓與入射光頻率成線性關(guān)系2實(shí)驗(yàn)還表明：截止電壓與入射光頻率成線性關(guān)系4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa式中：U0--決定于金屬性質(zhì)k--與金屬性質(zhì)無(wú)關(guān)的普適恒量又稱為紅限頻率（3）只有當(dāng)入射光的頻率高于紅限頻率時(shí)才產(chǎn)生光電效應(yīng)。3注意：

每種金屬都有各自對(duì)應(yīng)的紅限頻率。紅限頻率對(duì)應(yīng)于光電子初動(dòng)能為零時(shí)的入射光頻率。小于紅限頻率的入射光都不能產(chǎn)生光電流。經(jīng)典物理解釋不了此規(guī)律(4)光照后，光電子可立即從金屬中逸出。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)光照射后，幾乎不要時(shí)間（10-9s）便有光電子從陰極逸出。按經(jīng)典物理，電子從光波場(chǎng)中吸取能量要有一定的時(shí)間積累，光強(qiáng)愈小，積累的時(shí)間越長(zhǎng)。對(duì)鉀金屬而言，用相距3m遠(yuǎn)的一瓦的光源，經(jīng)計(jì)算，要76分鐘才有光電子逸出采用頻率較小的光波，不會(huì)產(chǎn)生光電子4二、愛(ài)因斯坦方程光子理論光是一束以C運(yùn)動(dòng)著的粒子流，每一個(gè)光子所帶能量=h光電子的動(dòng)能與入射光的頻率之間呈線性關(guān)系。2）光電子的初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。對(duì)光電效應(yīng)的解釋:5（1）單位時(shí)間內(nèi)從陰極逸出的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)度成正比。按照光子理論，入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)打在金屬上的光子數(shù)目越多，從金屬內(nèi)擊出的光電子數(shù)目也越多，所以飽和電流與光強(qiáng)成正比。（3）只有當(dāng)入射光的頻率高于紅限頻率時(shí)才產(chǎn)生光電效應(yīng)。當(dāng)

＜A/h時(shí)，不發(fā)生光電效應(yīng)。電子一次吸收一個(gè)光子的能量，勿需能量的積累過(guò)程。(4)光照后，光電子可立即從金屬中逸出。6愛(ài)因斯坦理論圓滿地解釋了光電效應(yīng)。1912年獲諾貝爾獎(jiǎng)1916年密立根（Milikan）對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了精密測(cè)量也由此獲諾貝爾獎(jiǎng)（另一原因是他用油滴法精確地測(cè)定了電子電量）4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa7能量動(dòng)質(zhì)量靜質(zhì)量動(dòng)量光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性的雙重性質(zhì)稱為光的波粒二象性。8康普頓效應(yīng)（Comptoneffect）引言：愛(ài)因斯坦斷言：光是由光子組成，但真正證明光是由光子組成的還是康普頓實(shí)驗(yàn)。Compton實(shí)驗(yàn)是X射線散射的實(shí)驗(yàn)，按經(jīng)典理論是X射線的電場(chǎng)迫使散射物中的電子作強(qiáng)迫振蕩，而向周圍輻射同頻率的電磁波的過(guò)程。Compton實(shí)驗(yàn)否定了這一說(shuō)法。一）康普頓實(shí)驗(yàn)早在1904年伊夫（AS.Eve)發(fā)現(xiàn)射線被物質(zhì)散射后波長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象,康普頓相繼研究了射線及X射線的散射,他先確定了伊夫的發(fā)現(xiàn)又用自制的X射線分光計(jì),測(cè)定了X射線經(jīng)石墨沿不同方向的散射的定量關(guān)系,1923年發(fā)表論文作出了解釋.91)實(shí)驗(yàn)裝置2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:X光光欄石墨0.71?X射線分析儀2341原始=450=900=13500.700.75(?)強(qiáng)度散射線中有與入射線相同的散射線存在，也有波長(zhǎng)>0的散射線存在（Compton散射）。102341原始=450=900=13500.700.75(?)強(qiáng)度原子量較小的物質(zhì)散射較強(qiáng)。也增加一定，散射線波長(zhǎng)的增量與散射角有關(guān)（增加，也一定，與散射物質(zhì)無(wú)關(guān)）11三)康普頓散射的解釋1）Compton散射是光和自由電子的相互作用因X射線的頻率高，能量在104eV數(shù)量級(jí)，而石墨中的電子所受的束縛能量?jī)H有幾個(gè)電子伏特。相當(dāng)于是沒(méi)受束縛的自由電子。在獅子面前兔子沒(méi)有被束縛！好有一比！竹籠2）自由電子不會(huì)吸收光子，而只能以碰撞的形式進(jìn)行相互作用。12X康普頓的分析：m0eh0m0e碰撞前：碰撞后：碰撞前碰撞后電子光子反沖電子光子能量動(dòng)量0若過(guò)程滿足能量守恒及動(dòng)量守恒=++=+h0emVh13{m0em0e康普頓的分析：碰撞前：碰撞后：Xh0h0emVh14B）在微觀領(lǐng)域內(nèi)，同樣嚴(yán)格遵守動(dòng)量守恒和能量守恒。[A·H·Compton（1892~1952年）美國(guó)物理學(xué)家，1927年獲諾貝爾獎(jiǎng)]例：已知X光子的能量為0.60MeV，在康普頓散射后，波長(zhǎng)變化了20%，求反沖電子動(dòng)能。Compton實(shí)驗(yàn)的意義A）證實(shí)了光子理論的正確性，說(shuō)明了光子具有質(zhì)量、能量、動(dòng)量---光具有粒子性。15例：已知X光子的能量為0.60MeV，在康普頓散射后，波長(zhǎng)變化了20%，求反沖電子動(dòng)能。已知：E0=h0=0.6MeV=0.20求:Ee=?解：入射的X射線能量：反沖電子能量：m0eh0emVh16答：反沖電子能量為0.10Mev反沖電子能量：h0emVh17粒子性波動(dòng)性--它能在空間表現(xiàn)出干涉、衍射等波動(dòng)現(xiàn)象，具有一定的波長(zhǎng)、頻率。--是指它具有集中的不可分割的性質(zhì)。德布羅意認(rèn)為實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性德布羅意：“整個(gè)世紀(jì)以來(lái)，在光學(xué)上，比起波動(dòng)的研究方法來(lái)，是過(guò)于忽略了粒子的研究方法；在實(shí)物理論上，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們關(guān)于粒子的圖像想的太多，而過(guò)分地忽略了波的圖像呢？”愛(ài)因斯坦：“我相信這一假設(shè)的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單純的類比?！?8應(yīng)用：電子顯微鏡宏觀物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)很小，一般不考慮波動(dòng)。19GNi單晶電流計(jì)三）德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1）戴維遜--革末實(shí)驗(yàn)1923年ClntonDavisson發(fā)表了慢電子從鉑片反射的角分布實(shí)驗(yàn)情況，他發(fā)現(xiàn)彈性反射電子束強(qiáng)度在某些角度出現(xiàn)了極大值。玻恩（Born）認(rèn)為是一種干涉現(xiàn)象，可能與德布羅意波有關(guān)，這引起了戴維遜和革末（LesterGermer）繼續(xù)對(duì)慢電子在鎳單晶表面散射進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)裝置：UMBK發(fā)射電子陰級(jí)加速電極20電子通過(guò)金多晶薄膜的衍射實(shí)驗(yàn)（湯姆遜1927）213）電子雙縫實(shí)驗(yàn)1961年瓊森（ClausJ?nsson）將一束電子加速到50Kev，讓其通過(guò)一縫寬為a=0.510-6m，間隔為d=2.010-6m的雙縫,當(dāng)電子撞擊熒光屏?xí)r,發(fā)現(xiàn)了類似于雙縫衍射.大量電子一次性行為22電子雙縫實(shí)驗(yàn)--一個(gè)電子多次重復(fù)性行為波恩概率波觀察屏上光子最多的地方，恰好就是按波動(dòng)理論算出的光強(qiáng)最強(qiáng)的地方。光波的強(qiáng)度（光振幅的平方）決定了光子到達(dá)屏上各處的概率物質(zhì)波強(qiáng)度大的地方，粒子出現(xiàn)的概率大，反之小23對(duì)波粒二象性的總結(jié)：經(jīng)典粒子：具有集中的不可分割的性質(zhì)。如質(zhì)量，電量，能量具有一點(diǎn)的空間位置及確定的運(yùn)動(dòng)軌道。牛頓的決定論只要給出了初始條件，下一時(shí)刻粒子的軌跡是已知的，決定性的。經(jīng)典波：某種實(shí)在物理量的空間分布做周期性變化。呈現(xiàn)干涉、衍射等反映相干疊加的現(xiàn)象。(1)粒子性：(2)波動(dòng)性:“原子性”或“整體性”，不是經(jīng)典的粒子,拋棄了“軌道”概念不是經(jīng)典的波不代表實(shí)在的物理量的波動(dòng)2422-5不確定關(guān)系（測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系）量子力學(xué)：實(shí)物粒子具有波粒二象性，其在空間出現(xiàn)具有某種不確定性，有一定的概率。任一時(shí)刻粒子不具有確定的位置，與此對(duì)應(yīng)，其動(dòng)量也不確定。25x電子在單縫的何處通過(guò)是不確定的!只知是在寬為a的的縫中通過(guò).結(jié)論:電子在單縫處的位置不確定量為26海森伯不確定關(guān)系不確定關(guān)系是微觀粒子波粒二象性所決定的，不確定關(guān)系更確切、更準(zhǔn)確地反映了微觀粒子的本質(zhì)27例1）H原子的線度的數(shù)量級(jí)為10-10m，H原中電子的速度為V=106m/s，求其速度的不確定量。+MrnmV解：不確定量已達(dá)106m/s數(shù)量級(jí)，已不能用經(jīng)典物理中的速度來(lái)描述。28例2）一質(zhì)量為0.4kg的足球，以10m/s的速度飛來(lái)，如動(dòng)量的不確定量為10%，求其位置的不確定量。解：V%足球運(yùn)動(dòng)員完全不必?fù)?dān)心由于有波動(dòng)性而一腳踢空。29說(shuō)明下一頁(yè)上一頁(yè)返回本章目錄30玻爾互補(bǔ)原理（普遍形式）經(jīng)典物理互相排斥的性質(zhì)量子物理互相補(bǔ)充的側(cè)面思考測(cè)不準(zhǔn)原理及其它量子結(jié)論都可以從這里得到解釋量子論對(duì)哲學(xué)、自然科學(xué)的影響（1）量子論對(duì)經(jīng)典理論的嚴(yán)格的因果率（決定論）規(guī)定了限度（2）海森堡原理在物理宇宙的最基本層次上使自由意志的概念成為可能，自由意志的決策肯定是不可預(yù)言的（3）測(cè)不準(zhǔn)原理的解釋，證實(shí)了人類在物質(zhì)意義上的知識(shí)限度（4）測(cè)量存在根本局限思想，提示其他領(lǐng)域的研究者