17.2科学的转折：光的粒子性

1、道尔顿（原子）道尔顿（原子）汤姆逊（电子）汤姆逊（电子）卢瑟福（质子）卢瑟福（质子）查德威克（中子）查德威克（中子）盖尔曼（夸克）盖尔曼（夸克）教学目标教学目标 知识与技能：知识与技能：v1通过实验了解光电效应的实验规律。2知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。3了解康普顿效应，了解光子的动量过程与方法：过程与方法：v经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。3、情感态度与价值观：、情感态度与价值观：v领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。v【重点难点重点难点】v1、重点：、重点：光电

2、效应的实验规律v2、难点：、难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义问题问题1：人类对光的本性的认识人类对光的本性的认识的发展过程？的发展过程？用弧光灯照射擦得很用弧光灯照射擦得很亮的锌板，亮的锌板，(注意用导注意用导线与不带电的验电器线与不带电的验电器相连相连），使验电），使验电 器张器张角增大到约为角增大到约为 30度时，度时，再用与丝绸磨擦过的再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角则验电器的指针张角会变大会变大。一、光电效应现象一、光电效应现象表明锌板在射线照射下失去电子而带正电表明锌板在射线照射下失去电子而带正电表明锌板在射线照射下失去电子而带正电 当光线照

3、射在金属表面时，金属当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为中有电子逸出的现象，称为光电效应光电效应。逸出的电子称为逸出的电子称为光电子光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电子定向移动形成的电流叫光电流光电流 光照不变，增大光照不变，增大UAK，G表中电流表中电流达到某一值后不再增大，即达到达到某一值后不再增大，即达到饱和值。饱和值。因为光照条件一定时，因为光照条件一定时，K发射的发射的电子数目一定。电子数目一定。实验表明：实验表明：入射光越强，饱和电流越大，单入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。位时间内发射的光电子数越多。VGAK阳极阳极阴极阴极.：使光电流减

4、小到零的反向电压：使光电流减小到零的反向电压v加反向电压加反向电压，如右图所示：，如右图所示：光电子所受电场力方向与光电子光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子作减速运速度方向相反，光电子作减速运动。若动。若c221eUvmcecv速率最大的是U=0时，时，I0， 因为电子有初速度因为电子有初速度则则I=0，式中，式中UC为为遏止电压遏止电压(2)(2)存在遏止电压和截止频率存在遏止电压和截止频率a.存在存在遏止电压遏止电压EEUFKAIIsUaOU黄光（黄光（ 强）强）黄光（黄光（ 弱）弱）光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流兰光兰光Ub(2)存

5、在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率VGAK阳极阳极阴极阴极。实验表明实验表明: : 改变时，改变时，(2)存在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率c221eUvmcea.存在存在遏止电压遏止电压VGAK阳极阳极阴极阴极b.b.存在截止频率存在截止频率 AKGV阳阳极极阴阴极极实验结果：即使入射光的强度实验结果：即使入射光的强度非常微弱，非常微弱，电流电流表指针也几乎是随着入射光照表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。射就立即偏转。更精确的研究推知，光电子发更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过射所经过的时间不超过10109 9 秒秒（这个现象一般称作（这个现象一般称作“光

6、电子光电子的瞬时发射的瞬时发射”）。）。光电效应在极短的时间内完成光电效应在极短的时间内完成 (3)具有瞬时性：具有瞬时性：VGAK阳极阳极阴极阴极： c221eUvmce 以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所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。以无法用经典的波动理论来解释光电效应。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逸出功。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压压UC应与光的强弱有关。应与光的强弱有关。不管

7、光的频率如何，只要光足够强，电子都可获不管光的频率如何，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。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，钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于这个时间远远大于10 S。-9实验表明实验表明:对于一定颜色对于一定颜色(频率频率)的光的光, 无论光的强弱如何无论光的强弱如何,遏止电压是一样的遏止电压是一样的.温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受

8、到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣脱出来，必须克服这个引力做功。脱出来，必须克服这个引力做功。光本身就是由一个个不可分割的能量光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为子组成的，频率为 的光的能量子为的光的能量子为h。这些能量子后来被称为这些能量子后来被称为光子光子。爱因斯坦的光子说爱因斯坦的光子说hE 爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：发，他提出：2.2.爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程：0WEhk0WhEk或或光电子最大初动能光电子最大初动能 金属的逸出功金属的逸出功 W W0

9、 0221cekvmE 一个电子吸收一个光子的能量一个电子吸收一个光子的能量h后，一部分能量用来克后，一部分能量用来克服金属的逸出功服金属的逸出功，剩下的表现为逸出后电子的初动，剩下的表现为逸出后电子的初动能能Ek，即：，即：3.3.光子说对光电效应的解释光子说对光电效应的解释爱因斯坦方程表明，光电子的初动能爱因斯坦方程表明，光电子的初动能EkEk与入射光的频率与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当成线性关系，与光强无关。只有当hh 时，才有光电子时，才有光电子逸出，逸出， 就是光电效应的截止频率。就是光电效应的截止频率。hWc0电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时电子一次性

10、吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。间，光电流自然几乎是瞬时发生的。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。电子多，因而饱和电流大。由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电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效应的实验规律, ,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。 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并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的

11、波动理论。波动理论。 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效光电效应应”实验，结果在实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的的值与理论值完全一致，又一次证明了值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子”理论理论的正确。的正确。爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和光电效应光电效应，特别是通过著名，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验，证明电荷有最小

12、单位。小单位。获得获得19231923年诺贝年诺贝尔物理学奖尔物理学奖。思考与讨论思考与讨论课本P36ceUWh0cceKeUvm：E221因为可得代入0WhEk放大器放大器控制机构控制机构K1K2K3K4K5KA。应 用v光电管光电源电流计IAK 康普顿效应康普顿效应康康普普顿顿效效应应康康普普顿顿效效应应康普顿康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家美国物理学家1.光的散射光的散射光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方因而传播方向发生改变向发生改变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射2.2.康普顿效应康普顿效

13、应 19231923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射的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波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长有关，而与入射线波长 和散射物质都无关和散射物质都无关。3.3.康普顿散射的实验装置与规律：康普顿散射的实验装置与规律：晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 按经典电磁理论：按经典电磁理论： 如果入射如果入射

14、X光是某光是某 种波长的电磁波，种波长的电磁波， 散射光的波长是散射光的波长是 不会改变的！不会改变的！1.1.有力地支持了爱因斯坦有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； 2.2.首次在实验上证实了首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量”的假设；的假设；3.3.证实了证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和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。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混进

15、来了某种荧光辐射”；在计算中起先只；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。考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。2mcE hchcchmcP2hE 2chmhE 能量：hP 动量：动量能量是描述粒子的动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的频率和波长则是用来描述波的c波长：光的粒子性光的粒子性一、光电效应的基本规律一、光电效应的基本规律1.光电效应现象光电效应现象2.光电效应实验规律光电效应实验规律 （3 3）光子说对光电效应的解释）光子说对光电效应的解释（2）爱因斯坦的光电效应方程：）爱因斯坦的

16、光电效应方程：三、爱因斯坦的光电效应方程三、爱因斯坦的光电效应方程（1 1）光子：）光子：二、光电效应解释中的疑难二、光电效应解释中的疑难0WhEk 在演示光电效应的实验中，原来不带电的一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，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，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，这时这时( )( )A.A.锌板带正电，指针带负电锌板带正电，指针带负电B.B.锌板带正电，指针带正电锌板带正电，指针带正电C.C.锌板带负电，指针带正电锌板带负电，指针带正电D.D.锌板带负电，指针带负电锌板

17、带负电，指针带负电B作业作业1 一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效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应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是( )( )A.A.延长光照时间延长光照时间B.B.增大光束的强度增大光束的强度C.C.换用红光照射换用红光照射D.D.换用紫光照射换用紫光照射D作业作业2作业作业3课本课本P36P36第四题第四题康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点： a.除原波长除原波长 0外出现了移向外出现了移向长波方向的新的散射波长长波方向的新的散射波长 。 b.新波长新波长 随散射角的增大随散射角的增大而增大。而增

18、大。 散射中出现散射中出现 0 的现象，的现象，称为称为康普顿散射。康普顿散射。波长的偏移为波长的偏移为0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波长波长. . 0 称为电子的称为电子的Compton波长波长)cos1 (j j c只有当入射波长只有当入射波长 0与与 c可比拟时，康普顿效应才显可比拟时，康普顿效应才显著，著，因此要用因此要用X射线才能观察到射线才能观察到康普顿散射，用可康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。见光观察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角波长的偏移只与散射角j j 有关，有关，而与散射物质而与散

19、射物质种类及入射的种类及入射的X X射线的波长射线的波长 0 0 无关，无关，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（实验值）（实验值） 19251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线( 0 =5.62nm) 为入射线为入射线, 以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重不同的元素为散射物质，4.吴有训对研究康普顿效应的贡献吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年年,参加了发现康普顿效应的研究工作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对证实康普顿效应作出了重要贡献。重要贡献。在同一散射角在同一散射角( )测量测量各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，

20、作了大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。0120 j j（1897-19771897-1977） 吴有训吴有训练习练习B练习练习3练习练习D练习练习课本课本P391、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想、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？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，因为其在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高。频率最高。紫光不是最亮的。紫光不是最亮的。一为光强，一为光强，因为光的亮度由两个因素决定，因为光的亮度由两个因素决定，二为人眼的视觉灵敏度。二为人眼的视觉灵敏度。在光强相同的

21、前提下，由于人眼对可见光中心部位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。的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。练习练习课本课本P392、在光电效应实验中、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？）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？）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，）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；发射的光电子数增多； 当入射光频率低于当入射光频率低于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光截止频率时，无论光强

22、怎么增加，都不会有光电子发射出来。电子发射出来。 （2）入射光的频率增加，发射的光电子最大初）入射光的频率增加，发射的光电子最大初动能增加。动能增加。练习练习课本例题课本例题P36分析ceUWh0由上面讨论结果eWehUc0可得： 对于一定金属，逸出功对于一定金属，逸出功W0是确定的，电子电荷是确定的，电子电荷e和普朗克常量和普朗克常量h都是常量。都是常量。所以遏止电压UC与光的频率之间是线性关系eW0hW0即：Uc图象是一条斜率为 的直线eh练习练习课本例题P36分析ceUWh0由上面讨论结果eWehUc0可得：eW0hW0cceKeUvm：E221因为遏止电压遏止电压Uc与光电子与光电子的

23、最大初动能的最大初动能Ek有关有关Ek越大，越大， Uc越高；越高；Uc为零，为零，Ek为零，即没有光电子为零，即没有光电子所以与遏止电压所以与遏止电压U Uc c=0=0对应的频率应该是截止频率对应的频率应该是截止频率c c00ceUWh0WhC由以上分析可知：由以上分析可知：根据数据作根据数据作Uc图象即可求得图象即可求得遏止电压遏止电压U Uc c=0=0对应的频率就是截止频率对应的频率就是截止频率c cU Ucc图象是一条斜率为图象是一条斜率为 的直线的直线eh练习练习课本课本P395 5、根据图、根据图17.2-217.2-2所示研究光电效应的电路，利用能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