17.2光的粒子性上课课件

1、17.2光的粒子性,第1课时 光电效应 光子,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：人类对光的本性的认识的发展过程,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,.,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,饱和,越多,电压,频率,实验表明：光电子的能量只与入射光的_有关；

2、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,不能,瞬时性,最小值,W0,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_。,不连续的,一份一份的,不可分割,h,光子,5爱因斯坦光电效应方程：_，式中Ek为光电子的_，Ek_。,EkhW0,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

3、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,表明锌板在射线照射下失去电子而带正电,光,电源,电流计,I,A,K,1.演示实验b：,1.光电效应的实验电路c,光电子在电场作用下形成光电流,（2）光电子：在光电效应中逸出的电子称为光电子。,（2）光电流：光电子定向移动形成的电流叫光电流,2.几个概念,（1）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。,(1)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。,结论：入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。,对于每

4、种金属，都相应确定的截止频率c 实验表明：不同的金属的极限频率不同。,当入射光频率 c 时，电子才能逸出金属表面；,3、实验发现以下规律：,二.光电效应的实验规律,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。,实验表明： 入射光越强， 饱和电流越大,（2）存在饱和电流,当 K、A 间加反向电压，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值 Uc 时，光电流恰为0，Uc称遏止电压。,(3)存在遏止电压,反向电压,正向电压,+ + + + + +,一 一 一 一 一 一,v,最大的初动能,a.遏止电压UC,U,K,A,I,I,s,U,a,

5、O,U,光 强 较 强,光 强 较 弱,光电效应伏安特性曲线,遏 止 电 压,饱 和 电 流,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. 光电子的最大初动能与入射光的强弱无关。（只与入射光的频率有关）,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。,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。,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

6、短的时间内完成,(4)具有瞬时性,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.,小结.光电效应的实验规律,1.逸出功W0,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。不同金属逸出功不同,2.光的电磁理论相符之处： 照射金属时电子吸收能量超过逸出功时就从表面逸出。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大

7、。,温度不很高时，金属中的自由电子不能大量逸出，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，必须克服引力做功。,三.经典电磁理论对光电效应解释中的疑难,3.经典理论解释光电效应的疑难,（1）. 经典认为，按照经典电磁理论，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力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。,（2）.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；频率低于极限频率时，无

8、论光强再大也没有光电流。,（3）.光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。,3： 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10-9 S。,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(于1905年提出),光本身就是一个个不可分割的能量子组成的，在空间传播

9、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: 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,爱因斯坦从普朗克的能量子说中得 到了启发，他提出：,2.爱因斯坦的光电效应方程,或,光电子最大初动能,金属的逸出功，刚好逸出时速度为o， 则有W0= h0,W0,一个电子一次只是吸收一个光子的能量h，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：,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hW0时，才有光电子逸出， 就是光电效应

10、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，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。,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,。,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,例题：由密立根实验(Uc和v的关系)计算普朗克常量,很难

11、测Ek ，怎样改成Uc与v、W0关系？ 提示：Ek = eUc,由图象求参数的方法：,(1892-1962)美国物理学家,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。,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,二.康普顿效应解释中的疑难,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

12、发射的散射光频率应等于入射光频率。,无法解释波长改变和散射角关系。,2.光子理论对康普顿效应的解释,二.康普顿效应解释中的疑难,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。,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

13、。,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。,三.康普顿散射实验的意义,四.光子的动量,动量能量是描述粒子的, 频率和波长则是用来描述波的,遇到的困难,6、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,7、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

14、碰撞的,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,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,于入射光的波长。,传给电子,散射光子的能量减少，于是散射光的波大,1. 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：,3. 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。,8.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。,康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。

15、,光具有波动性，又有粒子性， 即波粒二象性。,光在传播过程中表现出波动性， 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， 如光电效应，康普顿效应。,五、反馈练习：,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，验电器指针张开一个角度，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、若用绿光照射某种金属板不能发生光电效应，则下列哪一种方法可能使该金属发生光电效应（ ） A. 增大入射光的强度 B. 增加光的照射时间 C. 改用黄光照射 D. 改用紫光照射,D,3、三种不同的入射光线甲、乙、丙分别照射在三种不同的金属a、b、c上