光的粒子性ppt课件

第二节光的粒子性,1,一、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。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,2,二、光电效应现象用弧光灯照射擦得很亮的锌板，用导线与不带电的验电器相连，使验电器张角增大到约为30度。再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。结论：锌板在射线照射下失去电子而带正电。,3,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。光电子定向移动形成的电流叫光电流。,4,三、实验研究光电效应的规律1、存在饱和电流当A接正极，K接负极时，控制入射光的强度一定，使UAK从0开始增大，观察到电流表的示数一开始增大，到某一数值后就不再增大。这个最大电流就叫做饱和电流。,5,对存在饱和电流的描述：K板逸出的电子向各个方向运动，如果不加电压，很多电子无法到达A板，无法形成较大电流。加上电压后，越来越多的电子到达A板，电流越来越大。但是，如果所有电子都达到了A板，继续增大电压，就无法再增大电流。,6,7,思考1：如果AK之间不加电压，电流是否为0？思考2：如何才能使电流为0？,8,2、存在遏止电压Uc（反向截止电压）当A接负极，K接正极时，控制入射光的强度一定，使UKA从0开始增大，观察到电流表的示数逐渐减小到0。电流刚减小到0时对应的UKA叫做遏止电压Uc。,9,对存在遏止电压的解释：加上反向电压后，电子受到的电场力方向与运动方向相反，电子减速。如果反向电压足够大，电子将无法达到A板。临界的电压值即为遏止电压Uc。其中，vc是所有光电子的最大初速度，是光电子的最大初动能。,+,一一一一一一,10,11,3、存在截止频率c当入射光的频率减小到某一数值c时，无论光的强度多大，加上怎样的电压，都不会有光电流。这个临界频率叫做截止频率c。,12,4、光电效应的瞬时性当入射光的频率超过截止频率时，无论光如何微弱，几乎在瞬间就会产生光电流。时间间隔不超过10-9s。,13,经典的理论无法解释光电效应中的一些现象：矛盾1：波动理论：所加电压越大，电子获得的能量越大，则电流就越大，因此不存在饱和电流。实验结果：存在饱和电流，当电流达到一定值，增加电压，电流保持不变。矛盾2：波动理论：光越强，光电子的初动能越大，所以遏止电压与光的强弱有关。实验结果：遏止电压与光的频率有关。,14,矛盾3：波动理论：不管光的频率多大，只要光足够强，电子都可以有足够的能量从表面逸出，不应存在截止频率。实验结果：对不同的物体，都有相对应的截止频率。矛盾4：波动理论：若光很弱，电子需长时间才能获得逸出表面需要的能量。实验结果：时间小于10-9s,经典的理论无法解释光电效应中的一些现象：,15,经典的理论无法解释光电效应中的一些现象：矛盾1：波动理论：所加电压越大，电子获得的能量越大，则电流就越大，因此不存在饱和电流。实验结果：存在饱和电流，当电流达到一定值，增加电压，电流保持不变。矛盾2：波动理论：光越强，光电子的初动能越大，所以遏止电压与光的强弱有关。实验结果：遏止电压与光的频率有关。矛盾3：波动理论：不管光的频率多大，只要光足够强，电子都可以有足够的能量从表面逸出，不应存在截止频率。实验结果：对不同的物体，都有相对应的截止频率。矛盾4：波动理论：若光很弱，电子需长时间才能获得逸出表面需要的能量。实验结果：时间小于10-9s,16,四、爱因斯坦的光电效应方程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。2、电子从金属中逃逸，需要克服阻力做功。使电子脱离金属所要做的最小的功，叫做金属的逸出功。不同金属的逸出功是不同的。3、一个电子一瞬间吸收一个光子的能量，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：上式即为爱因斯坦的光电效应方程。如果电子克服阻力做功大于逸出功，则逸出后电子的初动能小于最大初动能。,17,影响饱和电流、遏制电压、截止频率的因素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、遏制电压与入射光频率和逸出功有关。,18,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。,19,光子说解释光电效应中的一些现象：现象1：存在饱和电流（1）光强一定，逸出的光电子数是确定的，当电压增大到一定值，所有的电子达到另一极板，存在极值。（2）增大光强，光子数增多，逸出的光电子数目增加，饱和电流越大现象2：遏止电压与光的频率有关当光电子逸出时，具有初动能，则存在遏止电压使vt=0,且最大初动能,20,现象3：存在截止频率光电子逸出，则初动能大于0，。现象4：光电效应的瞬时性波动理论：电子接收能量的过程极其短暂，几乎一瞬间会逸出。,光子说解释光电效应中的一些现象：,21,五、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）光的强弱影响饱和电流光的频率影响遏制电压,22,2、遏止电压-入射光频率：Uc-图像思考1：截距和斜率的物理意义分别是什么？思考2：如果将两种不同金属的Uc-曲线画在同一张图像中，会是怎样的？,23,六、光电效应方程的验证密立根设计实验，测量金属的遏止电压与入射光频率的关系曲线，根据曲线斜率算出普朗克常数h，进而与普朗克从黑体辐射得出的h相比较。实验结论：两种方法计算出的普朗克常数几乎一样，从而证明了光子假说的正确性。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。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,24,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,。,25,可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。,七.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105108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。,2.光电倍增管,26,应用,光电管,光,电源,电流计,I,A,K,27,八、康普顿效应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波长相同的射线外，还有比入射波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射波长和散射物质都无关。,28,3、康普顿散射实验的装置,晶体,光阑,探测器,0,散射波长,29,4、康普顿效应的解释经典理论：光的散射不会改变光的波长和频率。光子模型解释：根据动量守恒定律，发生碰撞后光子的动量会发生变化。光子的动量与波长存在一定的关系：发生碰撞后，光子的动量减小，即光的波长增大。散射角不同，说明碰撞后光子的动量也不同，光的波长也不同。,30,也可以从光子能量的角度解释康普顿效应：发生碰撞后，光子能量减小，因此光的频率减小。碰撞的角度不同时，光子能量的减小也不同，频率的减小也不同。,31,5、康普顿效应的意义(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”。康普顿于1927年获诺贝尔物理学奖。,32,例1、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、换用紫光照射答案：D,33,例2、关于光子说的基本内容有以下几点，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，而是人为假设的答案：AC,34,例3、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