高中物理 第17章 第2节 光的粒子性同步辅导与检测课件 新人教版选修35.ppt

第2节光的粒子性 波粒二象性 密立根与光子说爱因斯坦提出光子说后 尽管他的论证清晰简明 但当时科学界的反应十分冷淡 量子论的创始人普朗克也责怪爱因斯坦的光子说 走得太远 美国实验物理学家密立根将自己视为光的波动理论的捍卫者 并定下了工作目标 对爱因斯坦的光电效应方程进行彻底检验 以扼制这种 不可思议的 大胆的 和 轻率的 光子说 密立根对光电效应进行了长期研究 在1916年发表的论文中 他公布了实验结果 光电子的最大动能与入射光频率的关系曲线 确实是一条直线 由直线斜率还精确测定了h的值 他写道 尽管有时我认为我掌握了与该方程不相符合的证据 但我发现 研究的时间越长 误差消除得越干净 方程预见的结果就越发符合我观察到的结果 但他仍然认为 引出该方程的物理理论似乎是完全站不住脚的 从中我们可以见到 虽然密立根对光子说采取排斥态度 但他毕竟是一位科学家 具有实事求是的科学精神 密立根的实验结果促成爱因斯坦 因在数学物理方面的成就 尤其是发现了光电效应的规律 而荣获1921年的诺贝尔物理学奖 密立根也 因基本电荷及光电效应方面的工作 而荣获1923年的诺贝尔物理学奖 1 光电效应的实验规律 1 光电效应 照射到金属表面的光 能使金属中的 从表面 这种现象被称为光电效应 这种电子叫 答案 电子逸出光电子 2 光电效应的实验规律用如右图所示的电路研究光电效应中光电流与光照强度 光的频率等物理量的关系 阴极k和阳极a在密封的真空玻璃内 阴极k在受到光照时会发射光电子 阳极a吸收光电子而形成光电流 实验结果表明 存在饱和电流 如上图所示实验中 在光照条件不变情况下 阳极a与阴极k间电压增大 光电流趋于一个 值 即使再增大电压 电流 入射光越强 越大 这表明入射光越强 阴极k在单位时间内发出的光电子数目 存在遏止电压 如上图所示实验中 若a接负极 k接正极 在光电管两极间形成使光电子 的电场 这时 使光电流减小到零的反向电压uc称为 根据动能定理有 存在截止频率 当入射光的频率小到某一数值 c时 遏止电压uc减小到零时 也没有光电流 即没有 产生 即没有发生光电效应 c称为 或 这就是说 当入射光的频率 时 不论光多么强 光电效应都不会发生 饱和 不会增大饱和电流 越多 减速 遏止电压 euc 截止频率极限频率 光电子 c 光电效应具有瞬时性 从光照射到金属表面到其表面逸出光电子的时间一般不超过 s 即光电效应几乎是瞬时的 2 光电效应解释中的疑难 1 逸出功 使电子脱离某种金属所做功的 叫做这种金属的逸出功 用字母 表示 不同金属的逸出功是 的 2 光电效应中 经典电磁理论无法解释的有 光电子初动能与光强弱 遏止电压uc与光强弱 发生光电效应时 入射光的频率存在一个 发生光电效应的时间只需 s 遏止电压uc与入射光的频率 的关系 10 9 最小值 w0 不同 无关无关 极限频率 10 9 3 爱因斯坦光电效应方程 1 光子 光本身就是由一个个不可分割的 组成的 频率为 的光的能量子为 这些能量子被称为光子 2 爱因斯坦光电效应方程 在光电效应中 金属表面中的电子吸收一个光子获得的能量是 这些能量的一部分用来 剩下的表现为 即h 或ek 3 用爱因斯坦光电效应方程解释光电效应的实验规律 方程ek h w0表明 光电子的初动能与入射光的频率 成 关系 与光强 只有当 时 才有光电子逸出 c 是光电效应的截止频率 答案 3 1 能量子h 2 h 克服金属的逸出功w0逸出后电子的初动能ekek w0h w0 3 线性无关h w0 电子一次性吸收光子的 能量 积累能量的时间 光电流自然是瞬时发生的 光强较大时 包含的光子数 照射金属时产生的光电子 因而饱和电流 所以饱和电流与光强成正比 4 康普顿效应 1 光的散射 光在介质中与物质微粒的 使光的传播方向发生 这种现象叫做光的散射 答案 全部不需要 较多多大4 1 相互作用改变 2 康普顿效应 在光的散射时 除有与入射波长 的光 还有波长比入射波长 的光 这种现象称为康普顿效应 康普顿的学生 中国留学生 证实了康普顿效应的普遍性 光电效应表明光子具有 康普顿效应表明光子还具有 两种效应深入地揭示了光的 性的一面 5 光子的动量光子的动量p 在康普顿效应中 由于入射光子与物质微粒的碰撞 光子的动量 因此波长 答案 2 相同大吴有训能量动量粒子5 变小变大 一 光电效应1 光电效应现象如右图所示 用弧光灯照射锌板 与锌板相连的验电器就带正电 即锌板也带正电 这说明锌板在光的照射下发射出了电子 1 定义 在光的照射下物体发射出电子的现象 叫做光电效应 发射出来的电子叫做光电子 2 研究光电效应的实验装置 如右图所示 阴极k和阳极a是密封在真空玻璃管中的两个电极 k在受到光照时能够发射光电子 电源加在k与a之间的电压大小可以调整 正负极也可以对调 研究光电效应的电路图 2 光电效应的规律 1 光电效应的实验结果首先在入射光的强度与频率不变的情况下 i u的实验曲线如上图所示 曲线表明 当加速电压u增加到一定值时 光电流达到饱和值im 这是因为单位时间内从阴极k射出的光电子全部到达阳极a 若单位时间内从阴极k上逸出的光电子数目为n 则饱和电流im ne 式中e为电子电荷量 另一方面 当电压u减小到零 并开始反向时 光电流并没降为零 这就表明从阴极k逸出的光电子具有初动能 所以尽管有电场阻碍它运动 仍有部分光电子到达阳极a 但是当反向电压等于uc时 就能阻止所有的光电子飞向阳极a 使光电流降为零 这个电压叫遏止电压 它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极a 如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差 那么我们就能根据遏止电压uc来确定电子的最大速度vm和最大动能 即mvm2 euc 在用相同频率不同强度的光去照射阴极k时 得到的i u曲线如图甲所示 它显示出对于不同强度的光 uc是相同的 这说明同频率 不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的 此外 用不同频率的光去照射阴极k时 实验结果是 频率愈高 uc愈大 如图乙所示 并且 与uc成线性关系 如图丙所示 频率低于 c的光 不论强度多大 都不能产生光电子 因此 c称为截止频率 对于不同的材料 截止频率不同 2 光电效应的实验规律 饱和电流im的大小与入射光的强度成正比 也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比 见图甲 光电子的最大初动能 或遏止电压 与入射光线的强度无关 见图甲 图中io1 io2 io3表示入射光强度 而只与入射光的频率有关 频率越高 光电子的初动能就越大 见图乙 频率低于 c的入射光 无论光的强度多大 照射时间多长 都不能使光电子逸出 光的照射和光电子的逸出几乎是同时的 在测量的精度范围内 10 9s 观察不出这两者间存在滞后现象 入射光照射到某金属表面上发生光电效应 若入射光的强度减弱 而频率保持不变 那么 a 从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加b 逸出的光电子的最大初动能将减小c 单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减小d 有可能不发生光电效应解析 根据光电效应的实验规律知 从光照至金属表面到光电子发射的时间间隔极短 这与光的强度无关 故a错误 实验规律还指出 逸出光电子的最大初动能与入射光频率有关 光电流与入射光强度成正比 由此可知 b d错误 c正确 答案 c 变式迁移 1 双选 一束绿光照射某金属发生了光电效应 则下列说法中正确的是 a 若增加绿光的照射强度 则逸出的光电子数增加b 若增加绿光的照射强度 则逸出的光电子最大初动能增加c 若改用紫光照射 则可能不会发生光电效应d 若改用紫光照射 则逸出的光电子的最大初动能增加解析 光电效应的规律表明 入射光的频率决定着是否发生光电效应以及发生光电效应时产生的光电子的最大初动能的大小 当入射光频率增加后 产生的光电子最大初动能也增加 而照射光的强度增加 会使单位时间内逸出的光电子数增加 紫光频率高于绿光 故上述选项正确的有a d 答案 ad 二 爱因斯坦的光电效应方程1 光电效应解释中的疑难 1 逸出功 使电子脱离某种金属所做功的最小值 用w0表示 不同金属的逸出功不同 2 光电效应与光的电磁理论的矛盾矛盾之一 光的能量与频率有关 而不像波动理论中应由振幅决定 按光的波动理论 不论光的频率如何 只要照射时间足够长或光的强度足够大就可以产生光电效应 但实验结果表明 产生光电效应的条件却是入射光频率大于某一极限频率 且光电效应的最大初动能与入射光频率成线性关系 均与光的强度无关 根据能量的观点 电子要从物体中飞出 必须使之具有一定的能量 而这一能量只能来源于照射光 为什么实验表明发射电子的能量与照射光的强度无关 而与光的频率有关 这个问题曾使物理界大为困惑 使经典的光的波动理论面临挑战 矛盾之二 光电效应产生的时间极短 电子吸收光的能量是瞬时完成的 而不像波动理论所预计的那样可能逐渐积累 当一束很细的光照射到物体上时 它的能量将分布到大量的原子上 怎么可能在极短时间内把足够的能量集中到电子上而使之从物体中飞出 2 爱因斯坦的光电效应方程 1 光子说 爱因斯坦于1905年提出 在空间传播的光是不连续的 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 即e h 式中h叫普朗克常量 h 6 63 10 34j s 2 光电效应方程 ekm h w 其中ekm mevm2为光电子的最大初动能 w为金属的逸出功 注意要正确理解光电效应方程 式中ekm是光电子的最大初动能 就某个光电子而言 其离开金属时的动能大小可以是0 ekm范围内的任何数值 光电效应方程表明 光电子的最大初动能与入射光的频率 呈线性关系 注意不是正比关系 与光强无关 光电效应方程包含了产生光电效应的条件 即ekm h w 0 亦即h w c 而 c 就是金属的极限频率 光电效应方程实质上是能量守恒方程 逸出功w 电子从金属中逸出所需要的克服束缚而消耗的能量的最小值 叫做金属的逸出功 光电效应中 从金属表面逸出的电子消耗能量最少 3 光子说对光电效应规律的解释 1 由于光的能量是一份一份的 那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量 而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为 如果光的频率低于极限频率 则光子提供给电子的能量不足以克服原来的束缚 就不能发生光电效应 2 而当光的频率高于极限频率时 能量传递给电子以后 电子摆脱束缚要消耗一部分能量 剩余的能量以光电子的动能形式存在 这样光电子的最大初动能ekm mvm2 h w 其中w为金属的逸出功 因此光的频率越高 电子的初动能越大 3 电子接收能量的过程极其短暂 接收能量后的瞬间即挣脱束缚 所以光电效应的发生也几乎是瞬间的 4 发生光电效应时 单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比 光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多 那么逸出的光电子数目也就越多 光电效应实验的装置如下图所示 则下面说法中正确的是 a 用紫外光照射锌板 验电器指针会发生偏转b 用红外光照射锌板 验电器指针会发生偏转c 锌板带的是负电荷d 使验电器指针发生偏转的是正电荷解析 用紫外线照射连接灵敏验电器的锌板 验电器的指针就张开一个角度 进一步验证知道锌板带的是正电 这是由于在紫外线照射下 锌板中有一部分自由电子从表面飞出去 锌板缺少电子 于是带正电 验电器与锌板相连 验电器也带正电 所以选项a d正确 答案 ad 变式迁移 2 双选 如右下图所示的光电管的实验中 发现用一定频率的a单色光照射光电管时 电流表指针会发生偏转 而用另一频率的b单色光照射时不发生光电效应 那么 a a光的频率大于b光的频率b b光的频率大于a光的频率c 用a光照射光电管时流过电流表g的电流方向是a流向bd 用a光照射光电管时流过电流表g的电流方向是b流向a解析 根据光电效应的条件可知 a光的频率高于极限频率 c b光的频率小于极限频率 c 故a光的频率大于b光的频率 a项正确 光电管工作时光电子从阴极 右侧 飞向阳极 左侧 由此可知 电路中的电流为a b 即c正确 答案 ac 三 康普顿效应1 光的散射光在介质中与物质微粒相互作用 光的传播方向发生改变的现象叫做光的散射 2 康普顿效应在散射线中 除有与入射波长相同的射线外 还有波长比入射线波长更长的射线 人们把这种波长变化的现象叫做康普顿效应 comptoneffect 3 光子说对康普顿效应的解释假定x射线光子与电子发生完全弹性碰撞 这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似 按照爱因斯坦的光子说 一个x射线光子不仅具有能量e h 而且还有动量 如下图所示 这个光子与静止的电子发生弹性斜碰 光子把部分能量转移给了电子 能量由h 减小为h 因此频率减小 波长增大 同时 光子还使电子获得一定的动量 这样就圆满地解释了康普