17.2 光的粒子性

1、17.2 光的粒子性,第十七章 波粒二象性,重庆市忠县中学校 高二物理教研组,教学目标,知识与技能： 1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： 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： 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。 【重点难点】 1、重点：光电效应的实验规律 2、难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义,T/年,波动性,粒子性,1801,托马斯杨 双缝干涉 实验,1814,

2、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,.,问题1：人类对光的本性的认识的发展过程？,用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意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度时，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。,光电效应现象,表明锌板在射线照射下失去电子而带正电,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,一、光电效应的实验规律,1、光电效应现象,2、光电效应的实验规律,（1）存在饱和电流,光照不变，增大UAK，G表中电流达到某

3、一值后不再增大，即达到饱和值。,因为光照条件一定时，K发射的电子数目一定。,实验表明： 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。,思考：为什么要加正向电压？不加正向电压电路中有电流吗？,分析解答：光束照在阴极K上会发生光电效应现象，但只有极少的电子能到达阳极A，电路中电流很小。加了正向电压后，大量的电子在电场力的作用下向阳极运动，形成较大电流。（加正向电压的目的是放大实验效果，增强实验“可见性”）。,思考：保持光照条件不变，逐渐加大两极之间的电压，大家分析光电流会怎样变化？,：使光电流减小到零的反向电压,+ + + + + +,一 一 一 一 一 一,v,加反向电压，如右图所

4、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,最大的初动能,U=0时，I0，,因为电子有初速度,则I=0，式中UC为遏止电压,(2)存在遏止电压和截止频率,a.存在遏止电压UC,U,K,A,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. 光的频率 改变时，遏止电压也会改变。,(2)存在遏止电压和截止频率,a.存在遏止电压UC,光电子的能量只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。,思考：对刚才的实验，加了遏止电压后，如果再增大入射光的强度，电路中会有光电流吗？减弱光的强度，遏止电压会减小吗？,经研究后发现：,b.存在截止频率c,对于每种金属，

5、都相应确定的截止频率c 。,当入射光频率 c 时，电子才能逸出金属表面；,当入射光频率 c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。,(2)存在遏止电压和截止频率,实验结果：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即偏转。,更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过109 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,(3)具有瞬时性,猜测：电子是怎样吸收入射光的能量的呢？,当年爱因斯坦等大量科学家也在做这样类似的猜测。,思考：如果入射光的频率超过截至频率，做两次实验，第一次用很弱的光照射，第二次用很强的光

6、照射，请问那一次光电子从锌板跑出来的时间长些？,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10-9秒.,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。,逸出功W0,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。,光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。,光越强，

7、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10 S。,-9,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.,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。,二、光电效应解释中的疑难,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。,爱因斯坦的光

8、子说,爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：,三、爱因斯坦的光电效应方程,2、爱因斯坦的光电效应方程,1、光子：,或,光电子最大初动能,金属的逸出功,W0,一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W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：,三、爱因斯坦的光电效应方程,3、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Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当 h W0 时，才有光电子逸出， 就是光电效应的截止频率。,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。,光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的

9、光电子多，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效应的实验规律,荣获1921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。,4、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 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。,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,。,爱因斯坦光

10、电效应方程给出了光电子的最大初动能EK与入射光频率的关系。但很难直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压UC，怎样得到 UC 、 V 、W0的关系？,例：铝的逸出功是4.2 eV，现在用波长为200 nm的光照射铝的表面。求： (1)光电子的最大初动能。 (2)遏止电压。 (3)铝的截止频率。,答案：(1)3.2251019 J(2)2.016 V(3)1.0141015 Hz,可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。,四.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,

11、应 用,光电管,光,电源,电流计,I,A,K,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,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，这个现象称为康普顿效应。,四、康普顿效应,2、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,一.康普顿效应,康普顿散射曲线的特点：,a.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长 。,b.新波长 随散射角的增大而增大。,散射中出现 0 的现象，称为康普顿散射。,波长的偏移为,一.康普顿效应,称为电子的C

12、ompton波长,只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。,波长的偏移只与散射角 有关，而与散射物质 种类及入射的X射线的波长0 无关，,c = 0.0241=2.4110-3nm（实验值）,一.康普顿效应,1、经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难,根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。,四、康普顿效应解释中的疑难,康普顿正在测晶体对X 射线的散射,2、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

13、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。,康普顿认为光子不仅具有能量也具有动量。,（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

14、获诺贝尔物理奖。,3、康普顿散射实验的意义,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。,六、光子的动量,动量、能量是描述粒子的, 频率、波长则是用来描述波的,光的粒子性,一、光电效应的基本规律,1.光电效应现象,2.光电效应实验规律,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

15、光电效应； 当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比； 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10-9秒.,（3）光子说对光电效应的解释,（2）爱因斯坦的光电效应方程,三、爱因斯坦的光电效应方程,（1）光子：,二、光电效应解释中的疑难,1.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，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，这时( ),A.锌板带正电，指针带负电 B.锌板带正电，指针带正电 C.锌板带负电，指针带正电 D.锌板带负电，指针带负电,B,2

16、.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,D,3.关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是( ) 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,B,4.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

17、入射光的频率无关 D.任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能发生光电效应,D,练习,1、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？,在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高。,紫光不是最亮的。,一为光强，,因为光的亮度由两个因素决定：,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。,练习,2、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？ （2）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，发射的光电子数增多；,当入射光频率低于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光电子发射出来。,（2）入射光的频率增加，发射的光电子最大初动能增加。,3、根据图17.2-2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）已知频率的光来进行实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。,分析：阳极与电源负极相接,阴极与电源正极相接,测