光的粒子性上课

1、第第1 1课时课时 光电效应光电效应 光子光子圆屏衍射圆屏衍射圆孔衍射圆孔衍射钢针的衍射钢针的衍射增透膜增透膜薄膜干涉薄膜干涉镜面检测镜面检测光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波光的本性历史回顾：光的本性历史回顾：1672T/年年1690186419051801托马斯托马斯杨杨双缝干涉双缝干涉实验实验1814菲涅耳菲涅耳衍射实验衍射实验赫兹赫兹电磁波实验电磁波实验1888赫兹赫兹发现光电效应发现光电效应牛顿微粒说牛顿微粒说占主导地位占主导地位波动说波动说渐成真理渐成真理. 1.照射到金属表面的光，能使金属中的_从表面逸出。这个现象称为光电效应。 2光电效应的

2、规律 (1)存在着_电流 实验表明：入射光越强，饱和电流越大。这表明入射光越强，单位时间内发射的光电子数_。 (2)存在着遏止_和截止_电子电子 饱和饱和 越多越多 电压电压 频率频率 实验表明：光电子的能量只与入射光的_有关；入射光的频率低于截止频率时_发生光电效应。 (3)光电效应具有_ 3逸出功：使电子脱离某种金属所做功的_，叫做这种金属的逸出功，用_表示，不同金属的逸出功_同。频率频率 不能不能瞬时性瞬时性最小值最小值W0不不 4光子说：电磁辐射的本身就是_，光不仅在发射和吸收能量是_，而且光本身就是一个个_的能量子组成的，频率为的光的能量子为_，h为普朗克常量。这些能量子后来称为_。

3、不连续的不连续的 一份一份的一份一份的 不可分割不可分割 h 光子光子 5 爱 因 斯 坦 光 电 效 应 方 程 ： 爱 因 斯 坦 光 电 效 应 方 程 ：_ _ _ _ _ _ _ _ ， 式 中， 式 中 Ek为 光 电 子 的为 光 电 子 的_，Ek_。EkhW0 最大初动能最大初动能 mev2 /2 把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开，用紫外线照射锌板，观察到验电器指针张角先减小，减小到零后有变大。这个现象说明了什么问题？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光电源电流计IAK1.演示实验演示实验b：1.1.光电效应的实验电路

4、光电效应的实验电路c cAVGK阳极阳极阴极阴极光电子在电场作光电子在电场作用下形成光电流用下形成光电流（2）光电子：）光电子：在光电效应中在光电效应中逸出的电子称为逸出的电子称为光电子光电子。（2）光电流：光电流：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光电流电流 2.几个概念几个概念（1）光电效应：）光电效应：当光线照射在金属表面时，当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为金属中有电子逸出的现象，称为光电效应光电效应。(1)存在截止频率存在截止频率:现象：当入射光的频率减小到某一数值时没有光电现象：当入射光的频率减小到某一数值时没有光电效应发生了，这表明已经没有光

5、电子了，该频率称效应发生了，这表明已经没有光电子了，该频率称为截止频率或是极限频率。为截止频率或是极限频率。结论：入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。结论：入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。截止频率截止频率 c 实验表明：不同的金属的极限频率不同。实验表明：不同的金属的极限频率不同。 3 3、实验发现以下规律：、实验发现以下规律：光照不变，增大光照不变，增大U UAKAK，G G表中电流达到某一表中电流达到某一值后不再增大，值后不再增大，即达到饱和值。即达到饱和值。实验表明：实验表明：入射光越强，入射光越强，饱和电流越大饱和电流越大IIsUaOU光光 强强 较较 强强光光 强

6、强 较较 弱弱饱饱和和电电流流VGAK阳极阳极阴极阴极 当当 K K、A A 间加反向电压，间加反向电压，则光电子离开阴极后将受则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用，反向电场阻碍作用，光电子克服电场力作功，当电压光电子克服电场力作功，当电压达到某一值达到某一值 U Uc c 时，光电流恰为时，光电流恰为0 0，U Uc c称称遏止电遏止电压压。(3)存在存在遏止电压遏止电压VGK阳阳极极阴阴极极VGAK反向电压反向电压正向电压正向电压vc221eUvmcecv速率最大的是a.遏止电压遏止电压EEUFKAIIsUaOU光光 强强 较较 强强光光 强强 较较 弱弱光电效应伏安特性曲线光电效应伏安

7、特性曲线遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流实验表明实验表明: :c221eUvmce把电源正负极反接把电源正负极反接同一频率光照射，不管光强如何，遏止电压都相同。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。光照频率越高，遏止电压越高。小结：存在着遏止电压小结：存在着遏止电压光电子的能量只与入射光的频率有关。光电子的能量只与入射光的频率有关。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

8、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“光电光电子的瞬时发射子的瞬时发射”）。）。光电效应在极短的时间内完成 (4)具有瞬时性具有瞬时性VGAK阳极阳极阴极阴极 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。不同金属逸出逸出功不同功不同2.光的电磁理论相符之处：光的电磁理论相符之处： 照射金属时电子吸收能量超过照射金属时电子吸收能量超过逸出功时就从表逸出功时就从表面逸出。面逸出。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。越大。 温度不很高时，金属中的自由电子不能大温度不很高时，金属中的自由电子不能大量逸

9、出，是由于受到金属表面层的引力作用，量逸出，是由于受到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣脱出来，必须克服引力做功。电子要从金属中挣脱出来，必须克服引力做功。经典经典3.经典理论解释光电效应的疑难经典理论解释光电效应的疑难 （1 1）. . 经典认为，经典认为，按照经典电磁理论，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，的力也就越大，光电子逸出的能量也光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应应该随着光强

10、度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率什么截止频率。 （2 2）. .光电效应实验表明：饱和电流不仅光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流频率时，无论光强再大也没有光电流。（3 3）. .光电效应具有瞬时性。而光电效应具有瞬时性。而经典认为光经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即能量分布在

11、波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。需能量的积累过程。 3： 按照光的电磁理论，应得出以下结论：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，所以遏止光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压电压UC应与光的强弱有关应与光的强弱有关 ；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分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能

12、量，这个时间远远大于能量，这个时间远远大于10-9 S。 以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无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。法用经典的波动理论来解释光电效应。1.1.光子说光子说( (于于19051905年提出年提出) )光本身就是一个个不可分割的能量子组成的，光本身就是一个个不可分割的能量子组成的，在空间传播的光不是连续的而是一份一份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，光子的能量跟的，每一份叫做一个光子，光子的能量跟它的频率成正比。它的频率成正比。即即: : 表示光的频率，表示光的频率，h h 叫普朗克常量，叫普朗克常量

13、，h h6.636.631010-34-34焦耳秒焦耳秒爱因斯坦从普朗克的能量子说中得爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：到了启发，他提出：hE 2.爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程0WEhk0WhEk或光电子最大初动能光电子最大初动能 金属的逸出功，刚好金属的逸出功，刚好逸出时速度为逸出时速度为o，则有则有W0= h0W0221cekvmE 一个电子一次只是吸收一个光子的能量一个电子一次只是吸收一个光子的能量h，一，一部分能量用来克服金属的逸出功部分能量用来克服金属的逸出功，剩下的表，剩下的表现为逸出后电子的初动能现为逸出后电子的初动能Ek，即：，即：0EKW003.

14、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，光电子的初动爱因斯坦方程表明，光电子的初动能能E Ek k与入射光的频率成线性关系，与与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当光强无关。只有当hh 时，才有光时，才有光电子逸出，电子逸出， 就是光电效就是光电效应的截止频率。应的截止频率。hWc0电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积电子一次性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。累能量的时间，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。时产生的光电子

15、多，因而饱和电流大。0EKW00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光电效应效应，特别是通过著名的油滴实，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。验，证明电荷有最小单位。获得获得19231923年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。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“光电效应光电效应”实实验，验，结果在结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全的值与理论

16、值完全一致，又一次证明了一致，又一次证明了“光量子光量子”理论的正确理论的正确例题：由密立根实验例题：由密立根实验(Uc和和v的关系的关系)计算普朗克常量计算普朗克常量很难测很难测Ek ，怎样改，怎样改成成Uc与与v、W0关系？关系？ 提示：提示：Ek = eUc 由图象求参由图象求参数的方法：数的方法： 康康普普顿顿效效应应康康普普顿顿效效应应(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应 19231923

17、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。 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

18、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 hP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遇到的困难

19、遇到的困难6 6、经典电磁理论在解释康普顿效应时、经典电磁理论在解释康普顿效应时2. 2. 无法解释波长改变和散射角的关系。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。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，过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，1. 1. 根据经典电磁波理论，当电磁波通根据经典电磁波理论，当电磁波通7 7、光子理论对康普顿效应的解释、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康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变

20、，波长不变。据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。整个原子交换能量整个原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量，根由于光子质量远小于原子质量，根2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与于入射光的波长。于入射光的波长。 传给电子传给电子,散射光子的能量减少，于是散射光的散射光子的能量减少，于是散射光的波大波大1. 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量结果，具体解释如下：结果，具体解释如下： 3. 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有

21、关。所以波长改变和散射角有关。8.8.康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义（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，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。动量和能量守恒定律仍然是成立的。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。光具有波动性，又有粒子性，光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。即波粒二象性。光在传播过程中表现出波动性，光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。如干涉、衍射、偏振现象。 光在与物质发生作用时表现出粒子性，光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。如光电效应，康普顿效应。五、反馈练习：五、反馈练习：1 1、在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵、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，验电器指针张开一敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器指针张开一个角度，如图所示，这时个角度，如图所示，这时 ( )( )A A锌板带正电，指针带负电锌板带正电，指针