第十七章第二節(jié)光的粒子性課件

第十七章第二節(jié)光的粒子性課件第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一物理難題：1888年，霍瓦(Hallwachs)發(fā)現(xiàn)一充負(fù)電的金屬板被紫外光照射會放電。近10年以后，因?yàn)?897年，J.Thomson才發(fā)現(xiàn)電子，此時，人們認(rèn)識到那就是從金屬表面射出的電子，后來，這些電子被稱作光電子(photoelectron)，相應(yīng)的效應(yīng)叫做光電效應(yīng)。人們本著對光的完美理論（光的波動性、電磁理論）進(jìn)行解釋會出現(xiàn)什么結(jié)果？第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電器張角增大到約為30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會變大。。一、光電效應(yīng)現(xiàn)象表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電器張角增大到約為30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會變大。。表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一1.什么是光電效應(yīng)

當(dāng)光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電子定向移動形成的電流叫光電流第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律（1）存在飽和電流光照不變，增大UAK，G表中電流達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值。因?yàn)楣庹諚l件一定時，K發(fā)射的電子數(shù)目一定。實(shí)驗(yàn)表明：入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。陽極陰極第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一：使光電流減小到零的反向電壓－++++++

一一一一一一v加反向電壓，如右圖所示：光電子所受電場力方向與光電子速度方向相反，光電子作減速運(yùn)動。若最大的初動能U=0時，I≠0，因?yàn)殡娮佑谐跛俣葎tI=0，式中UC為遏止電壓一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(2)存在遏止電壓和截止頻率a.存在遏止電壓UCEEUFKA第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)表明:對于一定顏色(頻率)的光,無論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓是一樣的.光的頻率

改變是，遏止電壓也會改變。一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(2)存在遏止電壓和截止頻率a.存在遏止電壓UC光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)。陽極陰極第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一IIsUaOU黃光（強(qiáng)）黃光（弱）光電效應(yīng)伏安特性曲線遏止電壓飽和電流一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律蘭光Ub(2)存在遏止電壓和截止頻率陽極陰極第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)：一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律b.存在截止頻率c對于每種金屬，都相應(yīng)確定的截止頻率c。

當(dāng)入射光頻率

>c

時，電子才能逸出金屬表面；當(dāng)入射光頻率

<c時，無論光強(qiáng)多大也無電子逸出金屬表面。(2)存在遏止電壓和截止頻率陽極陰極第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的極限頻率，電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn)。更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過的時間不超過10－9秒（這個現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時發(fā)射”）。光電效應(yīng)在極短的時間內(nèi)完成一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(3)具有瞬時性陽極陰極第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一勒納德等人通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：①對于任何一種金屬，都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；②當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大；③光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；④入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不超過10-9秒.

一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一

以上三個結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾的，所以無法用經(jīng)典的波動理論來解釋光電效應(yīng)。逸出功W0使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。①光越強(qiáng)，光電子的初動能應(yīng)該越大，所以遏止電壓UC應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。②不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率。③如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需的能量，這個時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10S。-9√實(shí)驗(yàn)表明:對于一定顏色(頻率)的光,無論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓是一樣的.溫度不很高時，電子不能大量逸出，是由于受到金屬表面層的引力作用，電子要從金屬中掙脫出來，必須克服這個引力做功。二.光電效應(yīng)解釋中的疑難第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一1.光子：光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν。這些能量子后來被稱為光子。愛因斯坦的光子說愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：三.愛因斯坦的光量子假設(shè)第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)每個光子只能被一個電子吸收（一個光子不能被多個電子分開吸收）；每個電子每次只能吸收一個光子（一個電子不能同時吸收多個光子）。入射光照到金屬上，有些光子被電子吸收，有些沒有被電子吸收；吸收了光子的電子（a、b、c、e、g）動能增大，將向各個方向運(yùn)動；有些電子射出金屬表面成為光電子（b、c、g），有些沒射出（a、e）；射出金屬表面的電子克服金屬中正電荷引力做的功也不相同；只有從金屬表面直接飛出的光電子克服正電荷引力做的功最少（g），飛出時動能最大。光電效應(yīng)的物理過程：第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一2.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程1.光子：或——光電子最大初動能

——金屬的逸出功

W0一個電子吸收一個光子的能量hν后，一部分能量用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek，即：三.愛因斯坦的光量子假設(shè)第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一3.光子說對光電效應(yīng)的解釋①愛因斯坦方程表明，光電子的初動能Ek與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。只有當(dāng)hν>W0時，才有光電子逸出，就是光電效應(yīng)的截止頻率。②電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時發(fā)生的。③光強(qiáng)較大時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。三.愛因斯坦的光量子假設(shè)第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎。

愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動理論。4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證

美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。三.愛因斯坦的光量子假設(shè)第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的理論解釋和對理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎。第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一思考與討論？課本P36第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一飽和電壓、遏止電壓和截止頻率、瞬時性不應(yīng)存在截止頻率、遏止電壓應(yīng)與光強(qiáng)有關(guān)、光弱時電子逸出應(yīng)需很長時間光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)規(guī)律

用經(jīng)典光的電磁理論解釋實(shí)驗(yàn)規(guī)律（只有少部分能解釋）

愛因斯坦光量子假設(shè)（以普朗克能量子假說為基礎(chǔ)）

光的電磁理論的困難數(shù)學(xué)推理--愛因斯坦光電效應(yīng)方程密立根的精密測量直接證實(shí)這個方程思路小結(jié)：第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一思考與討論

給出了光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν的關(guān)系。但是，很難直接測量光電子的動能，容易測量的是遏止電壓Uc。怎樣改寫此式以得到Uc與ν、W0的關(guān)系？例題：密立根……測量金屬的遏止電壓Uc與入射光頻率ν，由此算出普朗克常數(shù)h……下表是某金屬的Uc和ν的幾組數(shù)據(jù)。Uc/V0.5410.6370.7140.8090.878ν/1014Hz5.6445.8886.0986.3036.501試作出Uc-ν圖象并通過圖象求出：（1）這種金屬的截止頻率；（2）普朗克常量。第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一解題的核心是由光電效應(yīng)方程結(jié)合動能與靜電力做功的關(guān)系Ek=eUc寫出學(xué)生熟悉的形式Uc=ν?

（藍(lán)字――兩個變量）由圖象求參數(shù)的方法：

電源電動勢和內(nèi)阻（直接求參數(shù)）用單擺測重力加速度（用圖象求平均值）……第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一放大器控制機(jī)構(gòu)

可以用于自動控制，自動計(jì)數(shù)、自動報(bào)警、自動跟蹤等。四.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用1.光控繼電器可對微弱光線進(jìn)行放大，可使光電流放大105~108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。2.光電倍增管第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)用光電管光電源電流計(jì)IAK第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一

康普頓效應(yīng)第2課時17.1科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一1.光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射2.康普頓效應(yīng)

1923年康普頓在做X射線通過物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)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

和散射物質(zhì)都無關(guān)。一.康普頓效應(yīng)第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一3.康普頓散射的實(shí)驗(yàn)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散射波長一.康普頓效應(yīng)第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一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！一.康普頓效應(yīng)第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一康普頓散射曲線的特點(diǎn)：a.除原波長0外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長。b.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.......0一.康普頓效應(yīng)第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一稱為電子的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(shí)驗(yàn)值）一.康普頓效應(yīng)第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一1.經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時遇到的困難二.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難①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。②無法解釋波長改變和散射角關(guān)系。第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一2.光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋二.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難①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。

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(yuǎn)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。

③因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一1.有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)；2.首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動量”的假設(shè)；3.證實(shí)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。康普頓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(jìn)來了某種熒光輻射”；在計(jì)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。三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(1892-1962)美國物理學(xué)家1927第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一1925—1926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(0=5.62nm)為入射線,以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，4.吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。在同一散射角()測量各種波長的散射光強(qiáng)度，作了大量X射線散射實(shí)驗(yàn)。（1897-1977）吳有訓(xùn)三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一四.光子的動量第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一動量能量是描述粒子的,頻率和波長則是用來描述波的第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一光的粒子性一、光電效應(yīng)的基本規(guī)律小結(jié)1.光電效應(yīng)現(xiàn)象2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律①對于任何一種金屬，都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；②當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時，光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比；③光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；④入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不超過10-9秒.

第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一（3）光子說對光電效應(yīng)的解釋（2）愛因斯坦的光電效應(yīng)方程三、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程（1）光子：二、光電效應(yīng)解釋中的疑難第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一1.在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連，用弧光燈照射鋅板時，驗(yàn)電器的指針就張開一個角度，如圖所示，這時()A.鋅板帶正電，指針帶負(fù)電B.鋅板帶正電，指針帶正電C.鋅板帶負(fù)電，指針帶正電D.鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電B練習(xí)第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一2.一束黃光照射某金屬表面時，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則下列措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是()A.延長光照時間B.增大光束的強(qiáng)度C.換用紅光照射D.換用紫光照射D練習(xí)第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一3.關(guān)于光子說的基本內(nèi)容有以下幾點(diǎn)，不正確的是()A.在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫一個光子B.光是具有質(zhì)量、能量和體積的物質(zhì)微粒子C.光子的能量跟它的頻率成正比D.光子客觀并不存在，而是人為假設(shè)的練習(xí)B第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一4.能引起人的視覺感應(yīng)的最小能量為10-18J，已知可見光的平均波長約為0.6m，則進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為

個，恰能引起人眼的感覺.練習(xí)3第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一5.關(guān)于光電效應(yīng)下述說法中正確的是()A.光電子的最大初動能隨著入射光的強(qiáng)度增大而增大B.只要入射光的強(qiáng)度足夠強(qiáng)，照射時間足夠長，就一定能產(chǎn)生光電效應(yīng)C.在光電效應(yīng)中，飽和光電流的大小與入射光的頻率無關(guān)D.任何一種金屬都有一個極限頻率，低于這個頻率的光不能發(fā)生光電效應(yīng)練習(xí)D第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一練習(xí)課本P391、在可見光范圍內(nèi)，哪種顏色光的光子能量最大？想想看，這種光是否一定最亮？為什么？在可見光范圍內(nèi)，紫光的光子能量最大，因?yàn)槠漕l率最高。紫光不是最亮的。一為光強(qiáng)，因?yàn)楣獾牧炼扔蓛蓚€因素決定，二為人眼的視覺靈敏度。在光強(qiáng)相同的前提下，由于人眼對可見光中心部位的黃綠色光感覺最靈敏，因此黃綠色光應(yīng)最亮。第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期一練習(xí)課本P392、在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中 （1）如果入射光強(qiáng)度增加，將產(chǎn)生什么結(jié)果？（2）如果入射光頻率增加，將產(chǎn)生什么結(jié)果？（1）當(dāng)入射光頻率高于截止