光的粒子性ppt课件

1、光的粒子性,教学目标,了解光电效应及其实验规律，感受以实验为基础的科学研究方法,知道爱因斯坦光电效应方程及其意义，感受科学家在面对科学疑难时的创新精神,了解康普顿效应及其意义,教学重点,光电效应的实验规律,教学难点,爱因斯坦光电效应方程以及意义,光的本性的研究历史,T/年,1672,牛顿 微粒说,惠更斯波动说,1690,牛顿微粒说占主导地位,托马斯杨 双缝干涉 实验,1801,1814,菲涅耳 衍射实验,麦克斯韦电磁说,1864,1888,赫兹电磁波实验,波动说渐成真理,1905,赫兹 发现光电效应,.,波动性,粒子性,爱因斯坦光子说,知道什么是光电效应,知道光电效应中金属带正电及检验方法,知

2、道光电子的概念,光电效应,光电效应现象,光电效应的演示实验：,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。,光电子：,在光电效应中逸出的电子称为光电子,光电流：,光电子定向移动形成的电流叫光电流,光电效应现象,光电子逸出后，金属带何种电荷？应该如何检验？,光电子逸出后，金属带正电,可用验电器进行检验,光电效应现象中， 光电子的发射与什么因素有关呢？,科学家为了研究这个问题，设计了如下图所示的电路来研究光电效应,认识光电管,认识研究光电效应的电流,知道光电流,知道产生光电效应的条件取决与频率，与光强无关,光电效应的产生条件,标题光电效应的产生条件,是否任何光照射，

3、阴极都能产生光电流呢？,光电效应实验电路,实验中，改变光的种类，即逐渐减小入射光的频率，观察是否有光电流产生,阳极,阴极,入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。,当入射光频率 时，电子才能逸出金属表面；,当入射光频率 时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。,光电效应的产生条件,现象：,实验表明：不同金属的截止频率 不同。,截止频率,光电效应的产生条件,经典的电磁理论对这个现象的解释：,温度不很高时，电子不能大量逸出，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，必须克服这个引力做功。,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 。,截止频率,逸出功,光电效应实验电路,

4、在光照条件不变的情况下，逐渐增大阴阳两级所夹电压，光电流会如何变化？,光电流是否会一直增大呢？,知道光电效应的产生是瞬时的,知道饱和光电流,知道饱和光电流的决定因素,了解饱和光电流与电压关系图像中各段的物理意义,饱和光电流,存在饱和电流,光照不变，增大 ，G表中电流增大到某一值后，即使再增大 ，光电流也不再增大，即达到饱和值。,饱和电流的物理意义是什么？,饱和电流反映的是单位时间内发射的光电子数。,饱和电流越大,单位时间内发射的光电子数越多。,光照不变，光电流达到饱和说明什么？,存在饱和电流,这说明，在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的。,电压增加到一定值时，所有光电

5、子都被阳极A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。,存在饱和电流,实验表明，在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。,这又说明了什么？,这说明，对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。,饱和光电流的大小是否与光照强度有关呢？,饱和电流,光电子数,存在饱和电流,饱和电流,I,U,O,黄光（强）,黄光（弱）,光电效应伏安特性曲线,在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。,光电效应具有瞬时性,光电效应的产生是否需要时间？即光电效应是否具有瞬时性？,实验现象：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立

6、即偏转。,光电效应具有瞬时性,更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过 秒 （这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。,光电效应在极短的时间内完成,光电效应具有瞬时性,光电效应实验电路,如果我们对光电管施加反向电压，即阴极接电源正极、阳极接电源负极。,那么此时的光电流和反向电压的大小具有什么关系呢？,知道最大初动能,知道遏止电压,知道最大初动能只取决于金属的频率,最大初动能,存在遏止电压,实验现象： 电压为零时，电流I并不为零,遏止电压：使光电流减小到零的反向电压,在反向电压增大到某个值 时，光电流减小到零,遏止电压,存在遏止电压,为何会有以上现象？,电压为零时，电流I并不为零,因为电子

7、有初速度,存在遏止电压,为何会有以上现象？,在反向电压增大到某个值Uc时，光电流减小到零,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。 若反向电压为 时，则所有光电子都无法到达A极板 ，光电流。,一一 一一 一 一,+ + + + + +,A,U,K,v,E,E,F,遏止电压,最大初动能,遏止电压,光电子最大初动能,存在遏止电压,光照强度越大，则饱和光电流越大,那么遏止电压是否也和光照强度有关呢？,实验表明： 对于同一颜色(频率)的光， 无论光的强弱如何，遏止电压是一样的。,存在遏止电压,遏止电压是否和入射光的频率有关？,实验表明：光的频率v增大，遏止

8、电压也增大。,入射光的频率越高，光电子的最大初动能越大。与入射光的强弱无关。,入射光的频率越高，光电子的最大初动能越大。,与入射光的强弱无关。,存在遏止电压,黄光（强）,蓝光,黄光（弱）,O,U,I,遏止电压,光电效应伏安特性曲线,光电效应的实验规律,勒纳德等人通过实验得出以下结论：,对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应,当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大,光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大,入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过 秒,经典理论

9、认为光的强度反映光的能量，光越强光的能量越大,光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。,与实验相符,但是还有以下几点疑难：,实验表明： 对于一定颜色(频率)的光，无论光的强弱如何，遏止电压是一样的,光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压 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10s。,无法用经典的波动理论来解释光电效应,知道光子的概念,会根据能量计算光子的数量,光子,逸出功,使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种

10、金属的逸出功，用 表示。,不同金属的逸出功不同,几种金属的逸出功和极限频率,金属,钨,钙,钠,钾,铷,10.95,4.54,7.73,3.20,5.53,2.29,5.44,2.25,5.51,2.13,爱因斯坦的光量子假设,爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：,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。,爱因斯坦的光子说,光子的能量与频率成正比,知道如何用光子理论解释极限频率,知道如何用光子理论解释最大初动能,知道如何用光子理论解释光电效应的瞬时性,如何用光子理论解释光电流与光强的关系,知道光电效应方程,光电效应方程,爱因斯坦的光

11、电效应方程,一个电子吸收一个光子的能量h后，一部分能量用来克服金属的逸出功 ，剩下的表现为逸出后电子的初动能 ，即：,或,光电子最大初动能,金属的逸出功,爱因斯坦的光电效应方程,根据爱因斯坦的光电效应方程，最大初动能和光的频率的关系应如下图所示：,0,v,截止频率,逸出功,光子说对光电效应的解释,对于任何一种金属，都有一个极限频率。,0,v,逸出功,截止频率,只有当 时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率。,光子说对光电效应的解释,当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大,一个电子只能吸收一个光子,0,v,逸出功,截止频率,n: 单位时间打到单位面积上的光子数,光强较大时，包

12、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。,光子说对光电效应的解释,光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大,0,v,逸出功,截止频率,爱因斯坦光电效应方程,爱因斯坦方程表明，光电子的初动能 与入射光的频率成线性关系，频率越大最大初动能越大，与光强无关。,光子说对光电效应的解释,入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过 秒,0,v,逸出功,截止频率,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。,光子说对光电效应的解释,光电子的最大初动能可以用遏止电压表示，而根据爱因斯坦光电效应方程，光电子的最大初动能

13、与入射光的频率有关，那么 与v之间的等量关系如何？,小结,极限频率,遏止电压（最大初动能）与频率有关,光电效应具有瞬时性,光照越饱和光电流越大 （单位时间逸出金属表面的电子数越多）,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波动理论。,那么，光电效应理论是如何被验证的呢？,知道遏制电压与入射光频率的图像是一条直线,知道直线的斜率、与两个轴交点截距的物理意义,知道图像的画法注意事项,会用图像中的数据测量h和v,密立根实验,光电效应理论的验证,美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验。,结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值完全

14、一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。,密立根,光电效应理论的验证,算出普朗克常量h,与根据黑体辐射得出的h相比较,发现两种方法得到的h在0.5%的误差范围内是一致的。,密立根的光电效应实验装置,光电效应理论的验证,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,光电效应理论的验证,下表是按照密立根的方法进行试验时得到的某金属的 和v的几组数据。,0.541,5.644,0.637,5.888,0.714,6.098,0.809,6.303,0.87

15、8,6.501,试作出 图象并通过图象求出： （1）这种金属的截止频率 （2）普朗克常量,光电效应理论的验证,解 以频率v为横轴，以截止电压为纵轴，根据表中数据选取适当比例，描点后作直线拟合这些点，得到 图象如图所示,光电效应理论的验证,（1）从图象上看, 的点就是直线与横轴的交点。读出这种金属的截止频率为,（2）在图中选取两个与直线偏离最小的点，即表中第1列和第5列数据，由它们计算直线的斜率,已知,因而求得普朗克常量,光电效应在近代技术中的应用,光控继电器,放大器,控制机构,可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等,光电效应在近代技术中的应用,光电倍增管,可对微弱光线进行放大，可使光

16、电流放大105108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。,光电效应在近代技术中的应用,光电管,光电管是基于光电效应的基本光电转换器件。,白天的天空各处都是亮的；,航天员在大气层外飞行时，尽管太阳的光线耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，甚至可以看见星星。,这是为什么？,光在大气层中发生散射,知道什么是散射,知道康普顿散射散射光波长变长,知道康普顿散射波长和散射角有关,知道光子既有动量也有能量,知道康普顿散射时动量守恒定律和能量守恒仍然成立,康普顿散射,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,光的散射,康普顿效应,19181922年，美国物理

17、学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了对入射波长 相同的成分外，还有波长大于 的成分，这个现象称为康普顿效应。,康普顿,康普顿正在测晶体对X射线的散射,康普顿效应,康普顿的学生，中国留学生吴有训测试了多种物质对X射线的散射，证实了康普顿效应的普遍性,吴有训,康普顿效应,X射线管,光阑,石墨体 （散射物质）,散射波长,晶体,探测器,X射线谱仪,康普顿散射的实验装置,康普顿散射的实验规律,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。,经典电磁理论在解释康普顿效应中的困难,按经典电磁理论：,光是电磁振动的传播,无法解释波长改变和散射角关系,入射光引起物质内部

18、带电微粒的受迫振动,振动着的带电微粒从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光。,散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射光的频率,因而散射光的波长与入射光的波长应该相同，不会出现 的散射光,光子理论对康普顿效应的解释,若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。,若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。,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关。,康普顿散射实验的意义,有力地支持了爱因斯坦“光量子

19、”假设,首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设,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,康普顿于1927年获诺贝尔物理奖,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。,那么光子的动量应该如何表示呢？,康普顿效应首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设,知道光子具有动量,会解决光压类问题,光子的动量,光子的动量,爱因斯坦质能方程,爱因斯坦的光子说,借用质子、电子等粒子动量的定义：,动能、能量是描述粒子的,频率、波长则是用来描述波的,光子的动量,康普顿

20、效应中， 当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而光子动量变小。,因此有些光子散射后波长变大,从动量守恒定律和能量守恒定律出发，按照动量表达式 和能量表达式 对康普顿效应做定量分析，其结论与实验事实符合地很好。,问题与练习,在可见光范围内，哪种色光的光子能量最大？想想看，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，因为其频率最高。 但紫光不是最亮的，因为光的亮度由两个因素决定，一为光强，二为人眼的视觉灵敏度。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。,问题与练习,在光电效应实验中 （1）如果入射光的波长确定而强度增加，将产生什么结果？