人教版高中物理选修3-5第十七章 波粒二象性17-2光的粒子性

物理选修3-5第十七章

波粒二象性2光的粒子性

吴有训

光是什么？光是一种电磁波，有波长和频率c=λν不同颜色的光频率不同,光的颜色（频率）由光源来决定，在不同介质中传播时波速会变，但频率不变。不同颜色的光在真空中传播速度都等于c。不同颜色的光在同一种介质中传播速度不相同，频率大的速度小背景知识

光的干涉、衍射现象说明光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。19世纪60年代，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。然而，出人意料的是，正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候，又发现了用波动说无法解释的新现象——光电效应现象。对这一现象及其他相关问题的研究，使得人们对光的又一本质性认识得到了发展。课本P3017世纪明确形成了两大对立学说牛顿惠更斯微粒说波动说19世纪初证明了波动说的正确性由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得微粒说一直占上风19世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在20世纪初提出了光子说：光具有粒子性对光学的研究从很早就开始了……光的发展过程1672牛顿微粒说T/年惠更斯波动说1690麦克斯韦电磁说18641905爱因斯坦光子说波动性粒子性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1888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………实验装置一、光电效应现象一、光电效应现象

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。光电子：逸出的电子称为光电子。光电流：光电子定向移动形成的电流。

光电效应的实质：光现象电现象光包括不可见光，使锌板发射出电子的光是弧光灯发出的紫外线。新课讲授阅读课本P31第一段二、光电效应的实验规律电流表：测光电流的大小电压表：测两极之间的电压大小滑动变阻器：改变两极之间的电压大小光电管新课讲授阅读课本P31第二段实验表明：保持光频率、光强不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后

，即达到

值。保持光频率不变，增大光强，饱和电流

。IOUAKIs黄光（强）黄光（弱）不再增大饱和增大1.存在饱和电流二、光电效应的实验规律新课讲授Is实验结论：存在饱和电流，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越

。饱和电流越

，大多新课讲授二、光电效应的实验规律IsI0UAKIs黄光（强）黄光（弱）UAK=0时，Is=0吗？怎样才能让电流减小为0？新课讲授二、光电效应的实验规律阳极阴极阳极阴极反向电压的获取使光电流减小到零的反向电压.－++++++

一一一一一一vC当加反向电压时，如右图所示：光电子作减速运动。设其中速率最大的是Vc；最大的初动能U=0时，I≠0，因为电子有初速度；则I=0，式中UC为遏止电压2.存在遏止电压UC：EEUFKA理论推导二、光电效应的实验规律实验表明：对于一定颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压

的。II黄光（强）黄光（弱）遏止电压蓝光U2U1光的频率ν改变时，遏止电压是否会改变？都是一样也会改变2.存在遏止电压新课讲授二、光电效应的实验规律实验结论：光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。遏止电压与光的频率有关，与入射光的强弱无关，光的频率v越高，遏止电压越

。大新课讲授二、光电效应的实验规律2.存在遏止电压经研究后发现：3.存在截止频率νc对于每种金属，都相应确定的截止频率νc。

当入射光频率ν

νc

时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率ν

νc时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。><新课讲授二、光电效应的实验规律△当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流。△精确测量表明产生电流的时间不超过10-9秒，即光电效应几乎是瞬时的。4.具有瞬时性新课讲授结论：光电效应几乎是瞬时发生的。实验结论：

当入射光的频率大于极限频率时，入射光强度越强，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；对于任何一种金属，都有一个截止频率νc

，入射光的频率必须大于这个截止频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；

光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9s.

1.存在饱和电流2.存在遏止电压4.具有瞬时性3.存在截止频率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，验电器指针张开一个角度，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，指针带正电 D．锌板带负电，指针带负电B巩固练习2、若用绿光照射某种金属板不能发生光电效应，则下列哪一种方法可能使该金属发生光电效应（）A.增大入射光的强度B.增加光的照射时间C.改用黄光照射D.改用紫光照射D巩固练习3、在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示．则可判断出()

A．甲光的频率大于乙光的频率B．乙光的波长大于丙光的波长C．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能B巩固练习4、三种不同的入射光线甲、乙、丙分别照射在三种不同的金属a、b、c上，均恰能使金属中逸出光电子。已知三种光线的波长λ甲>λ乙>λ丙，则（）A用三种入射光照射金属a，均可发生光电效应B用三种入射光照射金属c

，均可发生光电效应C用入射光甲和乙同时照射金属c，可能发生光电效应D用入射光甲照射金属b，可能发生光电效应巩固练习A5、用绿光照射一光电管能产生光电效应，欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大应（）A、改用红光照射B、增大绿光的强度C、增大光电管上的加速电压D、改用紫光照射巩固练习D

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。实验结论经典电磁理论入射光的越强，饱和电流越大强度越大，逸出的光电子数越多，光电流越大遏止电压只与频率有关，而与强度无关。遏止电压应与入射光的强度有关。如果光较弱，只要积累足够长时间，电子获得足够能量就会形成光电子存在截止频率νc当入射光频率低于截止频率，不能发生光电效应光电效应具有瞬时性能量的可以随时间积累对比吻合不符不符不符

为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。光电效应解释中的疑难1.光子说(爱因斯坦于1905年提出)三.爱因斯坦的光电效应方程阅读课本28页”能量子”和课本32页最后一段，回答以下问题：（1）在空间传播的光是连续还是是一份一份的？（2）光子的能量与什么有关系？（3）光子的能量如何表示？在空间传播的光不是连续的而是一份一份的，每一份叫做一个光子.光子的能量跟它的频率成正比E＝hνν表示光的频率h叫普朗克常量，h＝6.63×10-34焦耳．秒2.光电效应方程

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.Ek＝hν－W0阅读课本32-33页，回答以下问题：①逸出功：有：W0=hν0不同金属，其逸出功

同。不②光电效应方程：一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的

，剩下的表现为逸出后电子的

，即：

。逸出功W0初动能Ek或三.爱因斯坦的光电效应方程三.爱因斯坦的光电效应方程3.用图象表示光电效应方程(2)由曲线可以得到的物理量①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标ν0。②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0＝E。③普朗克常量：图线的斜率k＝h。(1)最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线如图

4.对光电效应的实验现象解释：⑤光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。

①任何一种金属都存在极限频率，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；②当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比；③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；④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。三.爱因斯坦的光电效应方程影响饱和电流、截止频率、遏止电压的因素1、只要入射光频率超过截止频率，饱和电流的大小只与单位时间内的光子数有关。2、截止频率只与金属的逸出功有关，即只与金属的种类有关。3、遏止电压与入射光频率和逸出功有关。归纳总结

爱因斯坦提出光子说解释光电效应的时候，实验测量尚不精确，加上这种观点与当时的理论大相径庭，因此并未被物理学家们广泛承认，甚至被说成是“在思辨中迷失目标”的“冒昧的假设”。光电效应理论的实验证据

美国物理学家密立根，花了十年时间做光电效应实验，测量金属的遏止电压与入射光的频率，由此算出普朗克常量h

，并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，在1915年证实了爱因斯坦的光电效应方程，两种方法得到的普朗克常量h在0.5%的误差范围内一致，又一次证明了“光量子假说”理论的正确。

光电效应显示了光的粒子性。光子不但具有能量，也具有动量。三.爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦由于对光电效应的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.例题：由密立根实验(Uc和v的关系)计算普朗克常量Ek＝hν－W0放大器控制机构

可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。5.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105~108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。2.光电倍增管应用光电管光电源电流计IAK

光在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λ0相同的射线外，还有波长比λ0更大的成分。四.康普顿效应康普顿正在测晶体对X射线的散射1.光的散射新课讲授3.康普顿散射的实验装置：晶体光阑X射线管探测器X射线谱仪石墨体(散射物质)j0散射波长四.康普顿效应经典电磁理论在解释康普顿效应的困难

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。即：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光也应该是X光！不会出现波长更长的波。新课讲授四.康普顿效应新课讲授四.康普顿效应光子理论对康普顿效应的解释①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。

②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，相当于光子与整个原子碰撞，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。新课讲授四.康普顿效应4.康普顿散射实验的意义（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。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。

康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，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。新课讲授四.康普顿效应5.吴有训对研究康普顿效应的贡献

吴有训1923年,参加