選修3-5第二章光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)(ppt)1

光的波粒二象性虢鎮(zhèn)中學(xué)付倉書光到底是什么？……………17世紀(jì)明確形成了兩大對立學(xué)說牛頓惠更斯微粒說波動說由于波動說沒有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得微粒說一直占上風(fēng)19世紀(jì)初證明了波動說的正確性這里的光子完全不同于牛頓所說的“微粒”19世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得愛因斯坦在20世紀(jì)初提出了光子說：光具有粒子性光的微粒說：光是沿直線高速傳播的粒子流。

牛頓支持微粒說。人們都認(rèn)為牛頓是微粒說的代表。牛頓于1675年曾提出：“光是一群難以想象的細微而迅速運動的大小不同的粒子”，這些粒子被發(fā)光體“一個接一個地發(fā)射出來”。

易解釋：光的直進性、影的形成、光的反射和折射等現(xiàn)象。

難解釋：（1）一束光入射到兩種介質(zhì)界面時，既有反射，又有折射。何種情況發(fā)生反射，何種情況下又發(fā)生折射呢?微粒說在解釋這一點時遇到了很大的困難。（2）兩束光相遇后，為何仍能沿原方向傳播這一常見的現(xiàn)象，微粒說則完全無能為力了。光的波動說：某種振動，以波的形式向四周圍傳播。代表人物：是荷蘭的物理學(xué)家惠更斯。易解釋：（1）光的反射、折射、光的反射和折射可以同時發(fā)生。（2）兩束光相遇后，為何仍能沿原方向傳播這一常見的現(xiàn)象。難解釋：光的直進性和影的形成。一、人類對光的本性認(rèn)識的歷史進程：微粒說：認(rèn)為光是一種粒子代表人物：牛頓

波動說：認(rèn)為光是一種波代表人物：惠更斯光的電磁說：光是電磁波提出者：麥克斯韋1.用弧光燈照射鋅板驗電器指針張開，說明什么？2.用絲綢摩擦過的玻璃棒靠近鋅板，指針張角增大，說明什么？光電效應(yīng)現(xiàn)象：二、光電效應(yīng)與光電流：

物體在光的照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫光電子。

光電管就是利用光電效應(yīng)制成的一種光學(xué)元件，它的作用是把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?/p>

由于光電效應(yīng)在電路中形成的電流叫光電流。三、光電效應(yīng)的規(guī)律：④光電效應(yīng)發(fā)生時間非常短暫，幾乎不需要時間①只有當(dāng)入射光的頻率高于某一頻率v0時才能發(fā)生光電效應(yīng)，把這一頻率v0叫極限頻率

②單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目跟入射光的強度成正比③光電子的最大初動能只跟入射光的強度無關(guān)，它隨入射光的頻率增大而增大四、波動理論對光電效應(yīng)的解釋的困難：波動理論光電效應(yīng)實驗結(jié)果困難1光能由振幅決定，與光頻率無關(guān)，只要光強足夠大（不論入射光的頻率多），總可以使電子獲得足夠的能量從而發(fā)生光電效應(yīng)如果ν﹤ν0，無論光強有多大，都不能發(fā)生光電效應(yīng)，光能應(yīng)由光頻率來決定困難2光強越大，電子可獲得更多能量，光電子的最大初動能也應(yīng)該越大，遏止電壓也應(yīng)越大。即出射電子的最大初動能應(yīng)該由光強來決定光電子的最大初動能、遏止電壓都與光強無關(guān)，而與頻率有關(guān)困難3光強大時，電子能量積累的時間就短，光強小時，能量積累的時間就長當(dāng)入射光照射到光電管陰極時，無論光強怎樣，幾乎瞬間就產(chǎn)生了光電子五、量子假說光子：普朗克的量子假說：

在微觀世界里，物理量的取值很多時候是不連續(xù)的，只能取一些分立的值，這稱為量子化現(xiàn)象。愛因斯坦的光子假說：

在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光量子，簡稱光子，光子的能量E跟光的頻率ν成正比。光子的能量E＝hν

其中h是一個常量，叫普朗克常量：

h=6.63×10－34J.s六、光電方程光子說對光電效應(yīng)的解釋：

在光電效應(yīng)中，入射光的能量等于出射的光電子的最大初動能與逸出功之和：即：或這叫愛因斯坦光電效應(yīng)方程，簡稱光電方程

使金屬表面的電子能掙脫原子核的引力而逸出成為光電子所需做的功叫逸出功閱讀：P32“對光電效應(yīng)的解釋”部分

金屬

銫

鈉

鋅

銀

鉑

波長（μm）0.66000.50000.37200.26000.1962

頻率（Hz）4.545×10146.000×10148.065×10141.153×10141.529×1014部分金屬的極限頻率和波長幾種金屬的逸出功銫鈣鎂鈹鈦逸出功W/eV1.92.73.73.94.1要點深化1、入射光強度決定每秒鐘光源發(fā)射的光子數(shù)決定金屬每秒逸出的光子數(shù)決定光電流的強度。2、入射光頻率決定光子能量決定光電子初動能。特別提醒(1)光電效應(yīng)中的光包括不可見光．如：紫外線等．(2)光電效應(yīng)的實質(zhì):光現(xiàn)象→電現(xiàn)象．Ekm－ν曲線(3)直線(如圖2－1)(4)由圖象可以得到的物理量①極限頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標(biāo)ν0.②逸出功：圖線與Ekm軸交點的縱坐標(biāo)的值W0＝E.③普朗克常量：圖線的斜率k＝h.圖2－11、___________________________的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫____________

。物體在光的照射下發(fā)射電子光電子鞏固練習(xí)：2、光電管的作用是把_______信號轉(zhuǎn)變?yōu)開_____信號。由于光電管發(fā)生光電效應(yīng)而在電路中形成的電流叫_________。光電光電流3、在演示光電效應(yīng)的實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧光燈照射鋅板時，驗電器指針張開一個角度，如圖所示，這時()A．鋅板帶正電，指針帶負電B．鋅板帶正電，指針帶正電C．鋅板帶負電，指針帶正電 D．鋅板帶負電，指針帶負電B鞏固練習(xí)：5、已知銫的極限頻率為4.545×1014Hz，鈉為6.0×1014Hz，銀為1.153×1015Hz，鉑為1.529×1015Hz，當(dāng)用波長為375nm的光照射它們時，可發(fā)生光電效應(yīng)的是__________________。（光速c=3.0×108m/s，光速與波長、頻率的關(guān)系：c=λf）銫和鈉4、若用綠光照射某種金屬板不能發(fā)生光電效應(yīng)，則下列哪一種方法可能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)（）A.增大入射光的強度B.增加光的照射時間C.改用黃光照射D.改用紫光照射D6、某種頻率的光射到金屬表面上時，金屬表面有電子逸出，若光的頻率不變而強度減弱，那么下述結(jié)論中正確的是A．光的強度減弱到某一數(shù)值時，就沒有電子逸出B．逸出的電子數(shù)一定減少C．逸出的電子數(shù)有可能增加D．逸出的電子數(shù)有可能不變B7、下列關(guān)于光電效應(yīng)的說法正確的是（

）

A．光電子的動能隨照射光頻率的增大而增大

B．光電子的初速度與照射光的頻率成正比

C．光電子的最大初動能與照射光的頻率成正比

D．光電子的最大初動能隨照射光頻率的增大而增大8、用綠光照射一光電管能產(chǎn)生光電效應(yīng)，欲使光電子從陰極逸出時的最大初動能增大應(yīng)（）A．改用紅光照射B．增大綠光的強度C．增大光電管上的加速電壓D．改用紫光照射DD鞏固練習(xí)：9、已知某單色光的波長為λ，在真空中的傳播速度為c，普朗克常量為h，則該電磁波輻射的能量子的值為()A．hc/λB．hλ/cC．h/λD．hcλ10、某激光器能發(fā)射波長為λ的激光，發(fā)射功率為P，真空中光速為c，普朗克常量為h，則該激光器每秒發(fā)射的光量子數(shù)為()A.λP/hcB.hP/λcC.λcP/hD.hλP/cAA11、三種不同的入射光線甲、乙、丙分別照射在三種不同的金屬a、b、c上，均恰能使金屬中逸出光電子。已知三種光線的波長λ甲>λ乙>λ丙，則：A、用三種入射光照射金屬a，均可發(fā)生光電效應(yīng)B、用三種入射光照射金屬c

，均可發(fā)生光電效應(yīng)C、用入射光甲和乙同時照射金屬c，可能發(fā)生光電效應(yīng)D、用入射光甲照射金屬b，可能發(fā)生光電效應(yīng)A

12、用波長為λ的單色光照射某金屬逸出光電子的最大初動能為用波長為2λ的單色光照射該金屬逸出電子的最大初動能的n倍,則能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)的最大波長是多少?13、波長為λ＝0.17μm的紫外線照射至金屬筒上能使其發(fā)射光電子，光電子在磁感強度為B的勻強磁場中，做最大半徑為r的勻速圓周運動時，已知r·B=5.6×10-6T·m，光電子質(zhì)量m=9.1×10-31Kg，電量e=1.6×10-19C，求：

(1)每個光電子的最大初動能；

(2)金屬筒的逸出功．(1)4.41×10-19J(2)7.3×10-19J解：由題意：

得13.一細束平行光經(jīng)玻璃三棱鏡折射后分解為互相分離的三束光,分別照射到相同的金屬板a、b、c上,如圖所示,已知金屬板b有光電子放出,則A.板a一定不放出光電子B.板a一定放出光電子C.板c一定不放出光電子D.板c一定放出光電子

【D】D21光與物質(zhì)相互作用的基本形式:光電效應(yīng)——光子論的提出康普頓效應(yīng)電子偶效應(yīng)光子論的應(yīng)用和檢驗

愛因斯坦光子理論（續(xù)）（1）光是以光速運動的光子流（2）每個光子能量和動量（3）光強即光的能流密度N:單位時間通過垂直于單位面積的光子個數(shù)愛因斯坦光子理論22實驗裝置示意圖:X光被石墨散射X

射線管石墨體X射線譜儀晶體1.實驗規(guī)律二.康普頓效應(yīng)美國物理學(xué)家1892-1962獲1927年諾貝爾物理獎一.康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：晶體

光闌X射線管探測器X射線譜儀

石墨體(散射物質(zhì))j0散射波長（相對強度）（波長）康普頓效應(yīng):在X射線通過物質(zhì)散射時，散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線。其波長的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長0和散射物質(zhì)都無關(guān)?？灯疹D散射曲線的特點：1.除原波長0外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長。2.新波長隨散射角的增大而增大。

散射中出現(xiàn)≠0的現(xiàn)象，稱為康普頓散射。波長的偏移為=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj................................................................................o（A）0.7000.750λ波長.......026

實驗規(guī)律：1)散射光2)波長改變量3)原子量越小的物質(zhì)，康普頓效應(yīng)越顯著稱為電子的Compton波長只有當(dāng)入射波長0與c可比擬時，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。波長的偏移只與散射角有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類及入射的X射線的波長0無關(guān)，c=0.0241?=2.4110-3nm（實驗值）康普頓正在測晶體對X射線的散射

按經(jīng)典電磁理論：

如果入射X光是某種波長的電磁波，散射光的波長是不會改變的！292.經(jīng)典物理遇到的困難經(jīng)典物理無法解釋康普頓效應(yīng).

根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過物質(zhì)時，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率:3.用光子論解釋康普頓效應(yīng)(1)基本思想X射線（光子流）與散射物質(zhì)相互作用情況與散射物質(zhì)種類無關(guān)光子電子相互作用光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋

康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的結(jié)果，具體解釋如下：2.若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。光子散射物電子反沖速度很大，需用相對論力學(xué)來處理.（1）物理模型

入射光子（X射線或射線）能量大

.固體表面電子束縛較弱，可視為近自由電子.四量子解釋電子光子

電子熱運動能量，可近似為靜止電子.范圍為：X-ray1.光子與點陣離子的碰撞

由于離子質(zhì)量比光子的質(zhì)量大得多，碰撞后光子的能量基本不變。所以散射光的波長是不變的，這就是散射光中與入射線同波長的射線；（2）理論解釋

X射線視為一些=h的光子，與自由電子發(fā)生完全彈性碰撞，電子獲得一部分能量，散射的光子能量減小，頻率減小，波長變長。2.光子與自由電子的碰撞

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完全非彈性碰撞：光子被電子吸收，電子能量增加,當(dāng)電子能量足夠大時，成為光電子逸出。即光電效應(yīng)*光子、電子均視為“點粒子”，所以不考慮一般非彈性碰撞典型情況完全非彈性碰撞彈性碰撞非彈性碰撞34彈性碰撞束縛強光子原子m<<M光子能量不變?nèi)鹄⑸涔庾觾?nèi)層電子光子外層電子束縛弱光子自由電子光子能量減少電子反沖康普頓散射原子量越小物質(zhì)發(fā)生第二種碰撞概率越大，康普頓效應(yīng)顯著康普頓散射實驗的意義（1）有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)；（2）首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設(shè)；（3）證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的?？灯疹D的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進來了某種熒光輻射”；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認(rèn)識到還要用動量守恒?？灯疹D于1927年獲諾貝爾物理獎。36(2)定量計算*光子能量>>自由電子熱運動能量光子靜止自由電子彈性碰撞能量守恒動量守恒37光子電子撞前撞后*自行列方程38動量守恒：由能量守恒：質(zhì)速關(guān)系：建立方程余弦定理：39求解得：令電子的康普頓波長

證明了愛因斯坦光子理論的正確性

證明了能量守恒、動量守恒定律的普適性

證明相對論效應(yīng)在宏觀、微觀均存在獲1927年諾貝爾物理獎。理論結(jié)果與實驗相符40練習(xí)解：

波長改變量相同對紫光入射光能量較低時，康普頓效應(yīng)不顯著，將主要觀察到光電效應(yīng)三、光的波粒二象性1．干涉、衍射和偏振以無可辯駁的事實表明光是一種波； 光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)又用無可辯駁的事實表明光是一種粒子，因此現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：光具有波粒二象性．2．正確理解波粒二象性：波粒二象性中所說的波是一種概率波，對大量光子才有意義．波粒二象性中所說的粒子，是指其不連續(xù)性，是一份能量．個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性．2．有關(guān)光的本性的說法正確的是(

) A．關(guān)于光的本性，牛頓提出了“微粒說”，惠更斯提出了“波動說”，愛因斯坦提出了“光子說”，它們都圓滿地說明了光的本性

B．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成宏觀概念上的粒子

C．光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應(yīng)說明光具有粒子性

D．在光的雙縫干涉實驗中，如果光通過雙縫時顯出波動性，如果光只通過一個縫時顯出粒子性解析：牛頓主張的微粒說中的微粒與實物粒子一樣，惠更斯主張的波動說中的波動與宏觀機械波等同，這兩種觀點是相互對立的，都不能說明光的本性，所以A、B錯，C正確．在雙縫干涉實驗中，雙縫干涉出現(xiàn)明暗均勻的條紋，單縫出現(xiàn)中央亮而寬，周圍暗而窄的條紋，都說明光的波動性．當(dāng)讓光子一個一個地通過單縫時，曝光時間短時表現(xiàn)出粒子性，曝光時間長時顯出波動性，因此D錯誤．答案：C【例1】紫光的波長為4000?，金屬鈉的逸出功為3.5×10－19J，求：(1)每個紫光光子的能量為多大？(2)若用該紫光照射金屬鈉時，產(chǎn)生的光電子的最大初動能是多大？

解析：(1)因E＝hν，而ν＝，所以E＝ J＝5.0×10－19J.(2)由愛因斯坦的光電效應(yīng)方程得：hν＝W＋Ekmax，所以Ekmax＝hν－W＝5.0×10－19J－3.5×10－19J＝1.5×10－19J.答案：(1)5.0×10－19J

(2)1.5×10－19J.【例2】關(guān)于物質(zhì)的波粒二象性，下列說法中不正確的是(

)A．不僅光子具有波粒二象性，一切運動的微粒都具有波粒二象性B．運動的微觀粒子與光子一樣，當(dāng)它們通過一個小孔時，都沒有特定的運動軌道C．波動性和粒子性，在宏觀現(xiàn)象中是矛盾的、對立的，但在微觀高速運動的現(xiàn)象中是統(tǒng)一的D．實物的運動有特定的軌道，所以實物不具有波粒二象性D解析：光具有波粒二象性是微觀世界具有的特殊規(guī)律，大量光子運動的規(guī)律表現(xiàn)出光的波動性，而單個光子的運動表現(xiàn)出光的粒子性．光的波長越長，波動性越明顯，光的頻率越高，粒子性越明顯．而宏觀物體的德布羅意波的波長太小，實際很難觀察到波動性，不是不具有波粒二象性．D項合題意．答案：D

(2010·江蘇單科)(1)研究光電效應(yīng)電路如圖所示，用頻率相同、強度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板(陰極K)，鈉極板發(fā)射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流．下列光電流I與A/K之間的電壓UAK的關(guān)系圖象中，正確的是(

)C(2)鈉金屬中的電子吸收光子的能量，從金屬表面逸出，這就是光電子．光電子從金屬表面逸出的過程中，其動量的大小________(填“增大”“減小”或“不變”)，原因是________．(3)已知氫原子處在第一、第二激發(fā)態(tài)的能級分別為－3.4eV和－1.51eV，金屬鈉的截止頻率為5.53×1014Hz，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s.請通過計算判斷，氫原子從第二激發(fā)態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)過程中發(fā)出的光照射金屬鈉板，能否發(fā)生光電效應(yīng)．減小光電子受到金屬表面層中力的阻礙作用(或需要克服逸出功）（3）氫原子放出的光子能量E＝E3－E2，代入數(shù)據(jù)得E＝1.89eV，金屬鈉的逸出功W0＝hνc，代入數(shù)據(jù)得W0＝2.3eV.因為E<W0，所以不能發(fā)生光電效應(yīng)．跟蹤訓(xùn)練1鋁的逸出功是4.2eV，現(xiàn)在將波長為200nm的光照射鋁的表面．(1)求電子的最大初動能；(2)求鋁的極限頻率．答案：(1)3.225×10－19J

(2)1.014×1015Hz解析：(1)根據(jù)光電效應(yīng)方程，有3．(2010·課標(biāo)全國)用頻率為ν0的光照射大量處于基態(tài)的氫原子，在所發(fā)射的光譜中僅能觀測到頻率分別為ν1、ν2、ν3的三條譜線，且ν3>ν2>ν1，則(

)答案：B解析：大量氫原子躍遷時，只有三個頻率的光譜，這說明是從n＝3能級向低能級躍遷，根據(jù)能量守恒有，hν3＝hν2＋hν1，解得：ν3＝ν2＋ν1，選項B正確．6．(2010·四川理綜)用波長為2.0×10－7m的紫外線照射鎢的表面，釋放出來的光電子中最大的動能是4.7×10－19J．由此可知，鎢的極限頻率是(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3.0×108m/s，結(jié)果取兩位有效數(shù)字)(

)A．5.5×1014Hz B．7.9×1014HzC．9.8×1014Hz D．1.2×1015Hz答案：B（2011上海）．用一束紫外線照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的措施是

(A)改用頻率更小的紫外線照射

(B)改用X射線照射

(C)改用強度更大的原紫外線照射

(D)延長原紫外線的照射時間

答案：B【2013上海高考】．當(dāng)用一束紫外線照射鋅板時，產(chǎn)生了光電效應(yīng)，這時(A)鋅板帶負電 (B)有正離子從鋅板逸出(C)有電子從鋅板逸出 (D)鋅板會吸附空氣中的正離子答案：C【2013上海高考】．某半導(dǎo)體激光器發(fā)射波長為1.5×10-6m，功率為5.0×10-3W的連續(xù)激光。已知可見光波長的數(shù)量級為10-7m，普朗克常量h