就是光電效應的截止頻率課件

無錫市第一中學19世紀末，牛頓定律在各個領域里都取得了很大的成功：在機械運動方面獲得巨大成就。在熱學方面，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內能。在電磁學方面，建立了能推斷一切電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程。另外還找到了力、電、光、聲----等都遵循的規(guī)律：能量轉化與守恒定律。當時許多物理學家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認為物理學已經發(fā)展到頭了。材料鑒賞:

1900年，在英國皇家學會的新年慶祝會上,著名物理學家開爾文勛爵作了展望新世紀的發(fā)言:

“科學的大廈已經基本完成，后輩的物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了?！?/p>

--開爾文--也就是說：物理學已經沒有什么新東西了，后一輩科學家只要把做過的實驗再精確一下，在實驗數(shù)據的小數(shù)點后面再加幾位罷了！

但開爾文畢竟是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學家，就在上面提到的文章中他還講到：

“但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云，----”這兩朵烏云是指什么呢？黑體輻射實驗光的速度后來的事實證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。普朗克量子力學的誕生相對論問世這兩朵烏云到底是什么回事呢？經典力學量子力學相對論微觀領域高速領域能量量子化物理學的新紀元第一節(jié)：思考與討論1，在爐火旁邊有什么感覺？2，投在爐中的鐵塊一開始是什么顏色？過一會兒又是什么顏色？800K1000K1200K1400K固體在溫度升高時顏色的變化：熱輻射現(xiàn)象：一切物體在任何溫度下都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關，所以叫做熱輻射。輻射規(guī)律：1.輻射的電磁波中包含各種波長的電磁波，不同波長，輻射強度不同。2.溫度升高，輻射強度增大，同時輻射電磁波的頻率和波長也在變化。問題：如何研究物體的熱輻射規(guī)律？注意：除了熱輻射外，物體表面還會吸收和反射外界射來的電磁波，例如：常溫下我們看到的物體顏色就是物體反射了該頻率的電磁波，吸收了其他頻率的電磁波。一些物體看起來很黑，其實是它吸收所有電磁波，反射的電磁波很弱。那么：在研究物體熱輻射中，應如何避免反射電磁波的影響？一，黑體及黑體輻射

理想的熱輻射體是“絕對黑體”，簡稱“黑體”。它在任何溫度下都能全部吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射。

在空腔壁上開一個很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔中會發(fā)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出。這個小孔就可以看成一個絕對黑體。德國物理學家基爾霍夫首先提出了絕對黑體的模型。說明：①黑體是個理想化的模型。例：開孔的空腔，遠處的窗口等可近似看作黑體。②實驗表明：對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關，而黑體輻射電磁波的規(guī)律只與黑體的溫度有關，因而可以反映某種具有普通意義的客觀規(guī)律。于是，在研究熱輻射的規(guī)律時．人們特別注意對黑體輻射的研究。0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K二：黑體輻射的實驗規(guī)律隨著溫度的升高：1，各種波長的輻射強度都有增加；2，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。你能由圖找到黑體輻射的實驗規(guī)律嗎？

瑞利公式在長波部分與實驗結果比較吻合。但在紫外區(qū)(波長范圍在紫外線附近)竟算得輻射強度為無窮大，這個荒謬的結論被認為是物理學理論的災難，當時稱為“紫外災難”。瑞利理論值維恩理論值實驗T=1646k維恩公式在短波部分與實驗結果吻合得很好，但長波卻不行。三、能量子超越牛頓的發(fā)現(xiàn)

微觀世界的某些規(guī)律，在我們宏觀世弄看來可能非常奇怪。普朗克能量子理論*微觀粒子的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，E=nε（n=1,2,…），這個不可再分的最小能量值ε叫能量子，簡稱量子。n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。*帶電微粒吸收和輻射能量時，也是以這個最小能量值為單位一份一份地輻射和吸收的。

h=6.62610-34

J*S----普朗克常數(shù)

*能量子的能量：ε=h（是輻射吸收的電磁波的頻率）λ(μm)123568947普朗克理論實驗值理論與實驗符合的讓人擊掌叫絕1800K能量量子化：宏觀世界中：能量可以是任意值，可以連續(xù)變化。例如：物體的重力勢能，彈簧振子的彈性勢能。微觀世界中：微觀粒子的能量只能是一個一個的特定值，不能連續(xù)變化。（能量量子化），例如：物體的帶電量，電子繞原子核運動的軌道半徑。量子化：只能取一系列分立值，不能連續(xù)變化你能舉出生活中“量子化”例子嗎？普朗克的量子化理論改變了人們對世界的根本認識。1900年不僅成為新世紀的開始，也成為物理學的一個新紀元。18年后，普朗克為此獲得了諾貝爾物理學獎。結論：1.在宏觀尺度內研究物體的能量變化時我們可以認為：物體的運動是連續(xù)的,能量變化是連續(xù)的,不必考慮量子化。（因為每個能量子的能量很小，宏觀物體的能量不連續(xù)變化非常不明顯，可以忽略不計。）2.在研究微觀粒子時必需考慮能量量子化意義：

普朗克拋棄了經典物理中的能量可連續(xù)變化、物體輻射或吸收的能量可以為任意值的舊觀點，提出了能量量子化、物體輻射或吸收能量只能一份一份地按不連續(xù)的方式進行的新觀點。這不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開創(chuàng)物理學研究新局面，標志著人類對自然規(guī)律的認識已經從從宏觀領域進入微觀領域，為量子力學的誕生奠定了基礎。

本節(jié)課的主要知識:

微觀粒子的運動是不連續(xù)的,在發(fā)射和吸收能量的時候，不是連續(xù)的，而是一份一份的。能量是h的整數(shù)倍。每份能量為:E=hν第十七章波粒二象性第二節(jié)光的粒子性一、光電效應現(xiàn)象點擊演示：光電效應實驗：用紫外線照射鋅板可清楚看到：靈敏驗電器指針張開金屬在光（包括不可見光）的照射下，從表面逸出電子的現(xiàn)象叫

光電效應發(fā)射出來的電子叫光電子光電子定向移動形成的電流叫光電流在紫外線的照射下，有電子從鋅板飛出，鋅板帶了正電。2、存在著遏止電壓和截止頻率下面我們來繼續(xù)探討二、光電效應的基本規(guī)律3、效應具有瞬時性1、存在著飽和電流1、存在著飽和電流實驗表明：入射光越強，飽和電流越大；入射光越強，單位時間內發(fā)射的光電子數(shù)越多。光照不變，增大UAK，G表中電流達到某一值后不再增大，即達到飽和值。因為光照條件一定時，K發(fā)射的電子數(shù)目一定。單色光陽極GVAKR陰極2、存在著遏止電壓和截止頻率(1)存在遏止電壓U:c使光電流減小到零的反向電壓－U++++++

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，光電子作減速運動。若最大的初動能U=0時，I≠0，因為電子有初速度則I=0，式中UC為遏止電壓我們來看如圖所示的實驗：GVAKR單色光實驗表明:對于一定顏色(頻率)的光,無論光的強弱如何,遏止電壓是一樣的.當圖中電流表G的讀數(shù)為0時，伏特表V的讀數(shù)就是下式中的“Uc”。陽極陰極2、存在著遏止電壓和截止頻率科學家曾做過類似于左圖的實驗，他們用不同的單色光照射某種金屬，看看哪些頻率的光照射時能產生光電效應。再用不同的單色光照射別的金屬，又看看哪種頻率的光照射時產生光電效應。任何一種金屬，都有一個截止頻率，入射光的頻率必須大于這個截止頻率才能產生光電效應，低于這個頻率的光，無論光強怎樣大，也不能產生光電效應。不同金屬的截止頻率不同。(2)存在截止頻率ν:c經研究后發(fā)現(xiàn)：3、效應具有瞬時性GVAKR單色光實驗結果：即使入射光的強度非常微弱，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。更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經過的時間不超過10－9秒（這個現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時發(fā)射”）。光電效應在極短的時間內完成

以上三個結論都與實驗結果相矛盾的，所以無法用經典的波動理論來解釋光電效應。三、光電效應解釋中的疑難逸出功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。①光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電壓UC應與光的強弱有關。②不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應存在截止頻率。③如果光很弱，按經典電磁理論估算，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，這個時間遠遠大于10S。-9實驗表明:對于一定顏色(頻率)的光,無論光的強弱如何,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。四、愛因斯坦的光電效應方程（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：（2）愛因斯坦的光電效應方程四、愛因斯坦的光電效應方程（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：（3）光子說對光電效應的解釋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系，與光強無關。只有當hν>W0時，才有光電子逸出，就是光電效應的截止頻率。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光強較大時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產生的光電子多，因而飽和電流大。思考與討論？課本P33練習課本例題P36分析由上面討論結果可得：

對于一定金屬，逸出功W0是確定的，電子電荷e和普朗克常量h都是常量。所以遏止電壓UC與光的頻率ν之間是線性關系即：Uc—ν圖象是一條斜率為的直線練習課本例題P36分析由上面討論結果可得：遏止電壓Uc與光電子的最大初動能Ek有關Ek越大，Uc越高；Uc為零，Ek為零，即沒有光電子所以與遏止電壓Uc=0對應的頻率應該是截止頻率νc由以上分析可知：根據數(shù)據作Uc—ν圖象即可求得遏止電壓Uc=0對應的頻率就是截止頻率νcUc—ν圖象是一條斜率為的直線1.光的散射光在介質中與物質微粒相互作用,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

1923年康普頓在做X射線通過物質散射的實驗時，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，而與入射線波長

和散射物質都無關。五、康普頓效應3、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)j0散射波長康普頓正在測晶體對X射線的散射

按經典電磁理論：

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！4.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；（2）首次在實驗上證實了“光子具有動量”

的假設；（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順的，在他早期的幾篇論文中，一直認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，后來才認識到還要用動量守恒。康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎。康普頓效應康普頓效應康普頓,1927年獲諾貝爾物理學獎(1892-1962)美國物理學家1925—1926年，吳有訓用銀的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，吳有訓對研究康普頓效應的貢獻1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應的研究工作.對證實康普頓效應作出了重要貢獻。在同一散射角()測量各種波長的散射光強度，作了大量X射線散射實驗。