《光的粒子性》新人教版选修3-5)

第十七章波粒二象性 第二节科学的转折 光的粒子性 光是什么 观点一 托马斯 杨 光的干涉菲涅尔 光的衍射马吕斯 光的偏振 观点二 波 赫兹光电效应 粒子 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 人类对光的本性的认识的发展过程 一 光电效应现象 1 金属在光 包括不可见光 的照射下 从表面逸出电子的现象叫 光电效应 2 发射出来的电子叫 光电子 3 光电子定向移动形成的电流叫光电流 单色光 阳极 阴极 实验装置 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 1 存在着饱和电流 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单位时间发射的电子数目一定 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 加反向电压 如右图所示 光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反 光电子作减速运动 若 最大初动能 U 0时 I 0 因为电子有初速度 则I 0 式中UC为遏止电压 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 2 存在着截止频率 任何一种金属 都有一个截止频率 入射光的频率必须大于这个截止频率才能产生光电效应 低于这个频率的光 无论光强怎样大 也不能产生光电效应 不同金属的截止频率不同 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 实验 1 不同单色光2 不同金属 3 光电效应具有瞬时性 当入射光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 2 存在着遏止电压和截止频率 二 光电效应的实验规律 3 效应具有瞬时性 1 存在着饱和电流 三 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表面逸出 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 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 四 爱因斯坦的光电效应方程 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 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 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 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 四 光电效应在近代技术中的应用 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 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 五 康普顿效应 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 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 遇到的困难 经典电磁理论在解释康普顿效应时 2 无法解释波长改变和散射角的关系 射光频率应等于入射光频率 其频率等于入射光频率 所以它所发射的散 过物质时 物质中带电粒子将作受迫振动 1 根据经典电磁波理论 当电磁波通 六 光子的能量和动量 动量能量是描述粒子的 频率和波长则是用来描述波的 光子理论对康普顿效应的解释 康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的 子能量几乎不变 波长不变 小于原子质量 根据碰撞理论 碰撞前后光 光子将与整个原子交换能量 由于光子质量远 2 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞 是散射光的波长大于入射光的波长 部分能量传给电子 散射光子的能量减少 于 1 若光子和外层电子相碰撞 光子有一 结果 具体解释如下 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 康普顿 1927年获诺贝尔物理学奖 1892 1962 美国物理学家 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 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 本节课小结 光的粒子性 一 光电效应现象 二 光电效应的基本规律 2 存在着遏止电压和截止频率 3 效应具有瞬时性 1 存在着饱和电流 入射光越强 饱和电流越大 入射光越强 单位时间内发射的光电子数越多 入射光的频率低于截止