《光的粒子性》(新人教版选修-)

.,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，I0，,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109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:Eh，表示光的频率，h叫普朗克常量，h6.6310-34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=h0,光电效应方程：EkhW0,.,3.爱因斯坦光电效应方程对实验结论的解释,EkhW0,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1015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,.,19251926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