光的粒子性新人教选修PPT课件.ppt

问题 回顾前面的学习 总结人类对光的本性的认识的发展过程 2019 12 27 1 光的本性 T 年 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 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 2 3 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 逸出的电子称为光电子 光电子定向移动形成的电流叫光电流 2019 12 27 4 一 光电效应的实验规律 实验装置 2019 12 27 5 观察 2019 12 27 6 实验发现以下规律 存在着饱和电流 实验表明 入射光越强 单位时间内发射的光电子数越多 入射光越强 饱和光电流越大 2019 12 27 7 同一频率光照射 不管光强如何 遏止电压都相同 光照频率越高 遏止电压越高 存在着遏止电压和截止频率 光电子的能量只与入射光的频率有关 入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应 2019 12 27 8 光电效应具有瞬时性 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 2019 12 27 9 二 光电效应解释中的疑难 按照光的电磁理论 应得出以下结论 光越强 光电子的初动能应该越大 所以遏止电压UC应与光的强弱有关 不管光的频率如何 只要光足够强 电子都可获得足够能量从而逸出表面 不应存在截止频率 如果光很弱 按经典电磁理论估算 电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量 这个时间远远大于10 9S 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 2019 12 27 10 1 光子说 爱因斯坦于1905年提出 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 即 E h 表示光的频率 h叫普朗克常量 h 6 63 10 34焦耳 秒 三 爱因斯坦的光电效应方程 2019 12 27 11 2 光电效应方程 逸出功 金属表面上的电子逸出时要克服金属原子核的引力所做功的最小值 不同金属 其逸出功不同 有 W0 h 0 光电效应方程 Ek h W0 三 爱因斯坦的光电效应方程 2019 12 27 12 3 爱因斯坦光电效应方程对实验结论的解释 Ek h W0 解释截止频率 解释饱和光电流 解释瞬时性 2019 12 27 13 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律 荣获1921年诺贝尔物理学奖 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应 但当时并未被物理学家们广泛承认 因为它完全违背了光的波动理论 4 光电效应理论的验证 美国物理学家密立根 花了十年时间做了 光电效应 实验 结果在1915年证实了爱因斯坦方程 h的值与理论值完全一致 又一次证明了 光量子 理论的正确 三 爱因斯坦的光电效应方程 2019 12 27 14 爱因斯坦由于对光电效应的理论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 2019 12 27 15 例题 由密立根实验 Uc和v的关系 计算普朗克常量 很难测Ek 怎样改成Uc与v W0关系 提示 Ek eUc 2019 12 27 16 由图象求参数的方法 电源电动势和内阻 直接求参数 用单摆测重力加速度 用图象求平均值 2019 12 27 17 利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性 可以制造光电转换器 实现光信号与电信号之间的相互转换 这些光电转换器如光电管 photoelement 等 广泛应用于光功率测量 光信号记录 电影 电视和自动控制等诸多方面 光电效应在近代技术中的应用 2019 12 27 18 2019 12 27 19 光电倍增管 photomultiplier 是把光信号变为电信号的常用器件 当光照射到阴极k使它发射光电子 这光电子在电压作用下加速轰击第一阴极k1 使之又发射次级光电子 这些次级光电子再被加速轰击第二阴极k2 如此继续下去 利用10 15个次阴极 可将光电流放大几百万倍 即一束微弱的入射光 将转变成放大了的光电流 可以通过电流计显示出来 2019 12 27 20 1 光的散射 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相同的射线外 还有比入射线波长更长的射线 其波长的改变量与散射角有关 而与入射线波长和散射物质都无关 四 康普顿效应 2019 12 27 21 3 康普顿散射的实验装置与规律 晶体 光阑 探测器 0 散射波长 2019 12 27 22 康普顿正在测晶体对X射线的散射 按经典电磁理论 如果入射X光是某种波长的电磁波 散射光的波长是不会改变的 2019 12 27 23 康普顿散射曲线的特点 a 除原波长 0外出现了移向长波方向的新的散射波长 b 新波长 随散射角的增大而增大 散射中出现 0的现象 称为康普顿散射 波长的偏移为 2019 12 27 24 称为电子的Compton波长 只有当入射波长 0与 c可比拟时 康普顿效应才显著 因此要用X射线才能观察到康普顿散射 用可见光观察不到康普顿散射 波长的偏移只与散射角 有关 而与散射物质种类及入射的X射线的波长 0无关 c 0 0241 2 41 10 3nm 实验值 2019 12 27 25 A 经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难 4 康普顿效应解释中的疑难 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 无法解释波长改变和散射角关系 2019 12 27 26 B 光子理论对康普顿效应的解释 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 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞 光子将与整个原子交换能量 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 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关 所以波长改变和散射角有关 2019 12 27 27 a 有力地支持了爱因斯坦 光量子 假设 b 首次在实验上证实了 光子具有动量 的假设 c 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 康普顿于1927年获诺贝尔物理奖 5 康普顿散射实验的意义 2019 12 27 28 康普顿 1927年获诺贝尔物理学奖 1892 1962 美国物理学家 1927 2019 12 27 29 1925 1926年 吴有训用银的X射线 0 5 62nm 为入射线 以15种轻重不同的元素为散射物质 d 吴有训对研究康普顿效应的贡献 1923年 参加了发现康普顿效应的研究工作 对证实康普顿效应作出了重要贡献 在同一散射角 测量各种波长的散射光强度 作了大量X射线散射实验 2019 12 27 30 五 光子的动量 2019 12 27 31 动量能量是描述粒子的 频率和波长则是用来描述波的 2019 12 27 32 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 验电器的指针就张开一个角度 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 练习 2019 12 27 33 2 一束黄光照射某金属表面时 不能产生光电效应 则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是 A 延长光照时间B 增大光束的强度C 换用红光照射D 换用紫光照射 D 练习 2019 12 27 34 3 关于光子说的基本内容有以下几点 不正确的是 A 在空间传播的光是不连续的 而是一份一份的 每一份叫一个光子B 光是具有质量 能量和体积的物质微粒子C 光子的能量跟它的频率成正比D 光子客观并不存在 而是人为假设的 练习 B 2019 12 27 35 4 能引起人的视觉感应的最小能量为10 18J 已知可见光的平均波长约为0 6 m 则进入人眼的光子数至少为个 恰能引起人眼的感觉