高中物理选修3-5光的粒子性

科学的转折 17 2 光的粒子性 光电效应 第1课时 光是什么 光是一种电磁波 有波长和频率c 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 光的波动性光是电磁波理论证明 麦克斯韦的经典电磁场理论实验验证 赫兹的电火花实验 发现电磁波的速度和光速相同 赫兹最早发现光电效应 其它实验证据 1 光的干涉 托马斯 杨2 光的衍射 菲涅尔3 光的偏振 马吕斯 17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 用弧光灯照射擦得很亮的锌板 注意用导线与不带电的验电器相连 发现验电器指针张开 再用与丝绸摩擦过的玻璃棒去接触锌板 则验电器的指针张角会更大 一 光电效应现象 表明锌板在射线照射下失去电子而带正电 1 什么是光电效应 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 一 光电效应的实验规律 光电子定向移动形成的电流叫光电流 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 石英窗 光线经石英窗照在阴极上 便有电子逸出 光电子 光电子在电场作用下形成光电流 2 光电效应的实验规律 1 光电效应实验 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 1 存在着饱和电流 在光照条件不变的情况下 随着所加电压增大 光电流趋于一个饱和值 即在一定的光照条件下 单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的 电压增加到一定值时 所有光电子都被阳极A吸收 这时再增大电压 电流也不会增大 实验表明 入射光越强 单位时间内发射的光电子数越多 2 存在着遏止电压和截止频率 使光电流减小到零的反向电压Uc称为遏止电压 遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度 它的上限vc满足 一定频率的光 无论光强如何 遏止电压都是一 样的 入射光的频率减小到某一数值vc时 不发生光电效应 vc称为截止频率或极限频率 当入射光的频率小于截止频率时 不论光多么强 光电效应都不会发生 实验表明 光电子的能量与入射光的频率有关 而与入射光的强弱无关 当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应 不同金属的截止频率不同 3 光电效应具有瞬时性 当入射光频率超过截止频率 无论入射光怎样微弱 光照到金属时 都会立即产生光电流 产生电流的时间不超过10 9s 一 光电效应的实验规律 2 光电效应实验规律 研究电子发射情况与照射光的强弱 光的颜色的关系 1 存在饱和电流 光照不变 增大UAK G表中电流达到某一值后不再增大 即达到饱和值 因为光照条件一定时 K发射的电子数目一定 实验表明 在光的频率 颜色 不变的情况下 入射光越强 单位时间内发射的光电子数越多 饱和电流越大 使光电流减小到零的反向电压 一一一一一一 v 加反向电压 如右图所示 光电子作减速运动 若 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 一 光电效应的实验规律 2 存在遏止电压和截止频率 a 存在遏止电压UC U K A I I s U c2 O U 黄光 强 黄光 弱 光电效应伏安特性曲线 遏止电压 饱和电流 一 光电效应的实验规律 蓝光 U c1 2 存在遏止电压和截止频率 实验表明 对于一定颜色 频率 的光 无论光的强弱如何 遏止电压是一样的 光的频率 不同 遏止电压不同 越大 Uc越大 a 存在遏止电压UC 一 光电效应的实验规律 2 存在遏止电压和截止频率 实验结论 光电子的最大初动能 能量 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 经研究后发现 一 光电效应的实验规律 b 存在截止频率 c 对于每种金属 都有相应确定的截止频率 c 极限频率 当入射光频率 c时 电子才能逸出金属表面 当入射光频率 c时 无论光强多大也无电子逸出金属表面 2 存在遏止电压和截止频率 实验结果 即使入射光的强度非常微弱 只要入射光频率大于被照金属的截止频率 电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转 更精确的研究推知 光电子发射所经过的时间不超过10 9s 这个现象一般称作 光电子的瞬时发射 结论 光电效应几乎是瞬时发生的 一 光电效应的实验规律 3 具有瞬时性 通过实验得出以下结论 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 能量 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 c 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 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 9s 一 光电效应的实验规律 1 存在饱和电流 2 存在遏止电压和截止频率 3 具有瞬时性 思考1 同种频率的光射到同种金属上 增强入射光时 饱和电流 遏止电压分别如何变化 答案 饱和电流增大 遏止电压不变 思考2 相同强度 单位时间内的能量 的单色光射到同种金属上 增加入射光的频率时 饱和电流 遏止电压分别如何变化 答案 饱和电流减小 遏止电压增大 五 光电效应方程的图像 1 外加电压和光电流的关系 同种金属 光子数影响饱和电流光的频率影响遏止电压 光越强 逸出的电子数越多 光电流也就越大 温度不很高时 电子能否大量逸出金属表面 二 光电效应解释中的疑难 逸出功W0 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 课本表1 经典的波动理论能否解释光电效应的三个实验结论 由于受到金属表面层内的一种引力作用 电子要从金属中挣脱出来 必须克服这个阻力做功 以上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 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10S 9 实验表明 对于一定颜色 频率 的光 无论光的强弱如何 遏止电压是一样的 二 光电效应解释中的疑难 经典的波动理论认为 无法解释遏止电压与光的频率的关系 1 光子 光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的 频率为 的光的能量子为h 这些能量子后来被称为光子 爱因斯坦的光子说 爱因斯坦从普朗克的能量子假说中得到了启发 他提出 三 爱因斯坦的光量子假说 2 爱因斯坦的光电效应方程 1 光子 或 光电子最大初动能 金属的逸出功 W0 一个电子吸收一个光子的能量h 后 一部分能量用来克服金属的逸出功W0 剩下的表现为逸出后电子的最大初动能Ek 即 三 爱因斯坦的光量子假说 使电子脱离某种金属所做功的最小值 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 3 光子说对光电效应的解释 爱因斯坦方程表明 光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系 与光强无关 只有当h W0时 才有光电子逸出 就是光电效应的截止频率 电子1次吸收1个光子的全部能量 不能积累能量 光电流几乎是瞬时发生的 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 三 爱因斯坦的光量子假说 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 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 三 爱因斯坦的光量子假说 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 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 爱因斯坦1905年 26岁 3月 发表量子论 提出光量子假说 解决了光电效应问题 4月向苏黎世大学提出论文 分子大小的新测定法 取得博士学位 5月完成论文 论动体的电动力学 独立而完整地提出狭义相对论原理 开创物理学的新纪元 这一年因此被称为 爱因斯坦奇迹年 1915年 36岁 11月 提出 广义相对论 引力方程的完整形式 并且成功地解释了水星近日点运动 1916年 37岁 3月 完成总结性论文 广义相对论的基础 5月 提出宇宙空间有限无界的假说 8月 完成 关于辐射的量子理论 总结量子论的发展 提出受激辐射理论 1921年 42岁 爱因斯坦因光电效应研究而获得诺贝尔物理学奖相对论没有获诺贝尔奖 一个重要原因就是还缺乏大量事实验证 思考与讨论给出了光电子的最大初动能Ek与入射光的频率 的关系 但是 很难直接测量光电子的动能 容易测量的是遏止电压Uc 怎样改写此式以得到Uc与 W0的关系 例题 密立根 测量金属的遏止电压Uc与入射光频率 由此算出普朗克常数h 下表是某金属的Uc和 的几组数据 试作出Uc 图象并通过图象求出 1 这种金属的截止频率 2 普朗克常量 练习 课本例题P34 分析 由上面讨论结果 可得 对于一定金属 逸出功W0是确定的 电子电荷e和普朗克常量h都是常量 所以遏止电压UC与光的频率 之间是线性关系 即 Uc 图象是一条斜率为的直线 练习 课本例题P34 分析 由上面讨论结果 可得 遏止电压Uc与光电子的最大初动能Ek有关 Ek越大 Uc越高 Uc为零 Ek为零 即没有光电子 所以与遏止电压Uc 0对应的频率应该是截止频率 c 解题的核心是由光电效应方程结合动能与静电力做功的关系Ek eUc写出学生熟悉的形式Uc 蓝字 两个变量 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 由以上分析可知 根据数据作Uc 图象即可求得 遏止电压Uc 0对应的频率就是截止频率 c Uc 图象是一条斜率为的直线 饱和电压 遏止电压和截止频率 瞬时性 不应存在截止频率 遏止电压应与光强有关 光弱时电子逸出应需很长时间 光电效应实验发现规律 用经典光的电磁理论解释实验规律 只有少部分能解释 爱因斯坦光量子假设 以普朗克能量子假说为基础 光的电磁理论的困难 数学推理 爱因斯坦光电效应方程 密立根的精密测量直接证实这个方程 思路小结 可以用于自动控制 自动计数 自动报警 自动跟踪等 四 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 光电管 光 电源 电流计 I A K 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 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 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 例3 如图 当电键S断开时 用光子能量为2 5eV的一束光照射阴极K 发现电流表读数不为零 合上电键 调节滑线变阻器 发现当电压表读数小于0 60V时 电流表读数仍不为零 当电压表读数大于或等于0 60V时 电流表读数为零 由此可知阴极材料的逸出功为 A 1 9eVB 0 6eVC 2 5eVD 3 1eV 解析 电流表读数刚好为零 说明刚好没有光电子能够到达阳极 根据动能定理 光电子的最大初动能刚好为0 6eV 由Ek h W0可知W0 1 9eV 选A A 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 练习 3 5 关于光电效应下述说法中正确的是 A 光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大B 只要入射光的强度足够强 照射时间足够长 就一定能产生光电效应C 在光电效应中 饱和光电流的大小与入射光的频率无关D 任何一种金属都有一个极限频率 低于这个频率的光不能发生光电效应 练习 D 由前面的实验规律知 光电子的最大初动能只与入射光的频率有关 而与光的强度无关 所以答案A错误 是否能发生光电效应是由光的频率决定的 只要光的频率大于金属的极限频率就可以发生光电效应 而与光的强度与照射时间无关 则答案B错误 对于答案C正确的理解是这样的 饱和光电流的大小是与光强有关 但不等于说与入射光的频率无关 饱和光电流与光强成正比的结论应是在入射光频率一定的条件下才成立的 若入射光的强度一定时 入射光的光子数便取决于每一个光子的能量 根据光子说可知 频率越大的光子能量就越大 则光子数便越小 入射光子数越少 打出的光电子数就越少 饱和光电流便小了 所以在光强一定时 入射光的频率越大 则饱和光电流就越小 所以答案C错误 正确的答案为D 练习 课本P39 1 在可见光范围内 哪种颜色光的光子能量最大 想想看 这种光是否一定最亮 为什么 在可见光范围内 紫光的光子能量最大 因为其频率最高 紫光不是最亮的 一为光强 因为光的亮度由两个因素决定 二为人眼的视觉灵敏度 在光强相同的前提下 由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最灵敏 因此黄绿色光应最亮 练习 课本P39 2 在光电效应实验中 1 如果入射光强度增加 将产生什么结果 2 如果入射光频率增加 将产生什么结果 1 当入射光频率高于截止频率时 光强增加 发射的光电子数增多 当入射光频率低于截止频率时 无论光强怎么增加 都不会有光电子发射出来 2 入射光的频率增加 发射的光电子最大初动能增加 练习 课本P36 5 根据图17 2 2所示研究光电效应的电路 利用能够产生光电效应的两种 或多种 已知频率的光来进行实验 怎样测出普朗克常量 根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量 写出根据本实验计算普朗克常量的关系式 分析 阳极与电源负极相接 阴极与电源正极相接 测出两种不同频率 1 2光的遏止电压U1 U2 代入公式 当入射光频率分别为 1 2时 测出遏止电压U1 U2 由爱因斯坦光电效应方程可得 联立上两式 解得 其中e为电子的电量 测出U1与U2就可测出普朗克常量 实验步骤 1 将图17 2 2电路图电源正负对调 滑动变阻器滑动触头滑至最左边 用频率为 1的光照射 此时电流表中有电流 将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑 同时观察电流表 当电流表示数为零时 停止滑动 记下伏特表的示数U1 2 用频率为 2的光照射 重复 1 的操作 记下伏特表的示数U2 3 应用计算h 4 多次测量取平均值 康普顿效应 第2课时 17 2科学的转折 光的粒子性 1892 1962 美国物理学家 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 0相同的射线外 还有波长比 0更大的成分 一 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 1 经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难 二 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 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 2 光子理论对康普顿效应的解释 二 康普顿效应解释中的疑难 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