高二物理光的粒子性

1、17.2光的粒子性 1672 T/年年 16901864 1905 1801 托馬斯托馬斯楊楊 雙縫干涉雙縫干涉 實驗實驗 1814 菲涅耳菲涅耳 衍射實驗衍射實驗 赫茲赫茲 電磁波實驗電磁波實驗 1888 赫茲赫茲 發(fā)現(xiàn)光電效應發(fā)現(xiàn)光電效應 牛頓微粒說牛頓微粒說 占主導地位占主導地位 波動說波動說 漸成真理漸成真理 . 光的本性歷史回顧光的本性歷史回顧 把一塊鋅板連接 在驗電器上，并 使鋅板帶負電， 驗電器指針張開， 用紫外線燈照射 鋅板，驗電器指 針夾角變小。這 說明了什么？ 一、光電效應現(xiàn)象一、光電效應現(xiàn)象 表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電 當光線照射在金屬表面時，金屬中當光線照射在

2、金屬表面時，金屬中 有電子逸出的現(xiàn)象，稱為有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應光電效應。 逸出的電子稱為逸出的電子稱為光電子光電子。 光電子定向移動形成的電流叫光電子定向移動形成的電流叫光電流光電流 光照不變，增大光照不變，增大UAK，G表中電流表中電流 達到某一值后不再增大，即達到達到某一值后不再增大，即達到 飽和值。飽和值。 說明在一定的光照條件下，單位說明在一定的光照條件下，單位 時間內(nèi)時間內(nèi)K發(fā)射的電子數(shù)目一定。發(fā)射的電子數(shù)目一定。 在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大 實驗表明：實驗表明： 對于一定顏色的光，入射光越強，單位時間內(nèi)

3、發(fā)對于一定顏色的光，入射光越強，單位時間內(nèi)發(fā) 射的光電子數(shù)越多射的光電子數(shù)越多 光照不變光照不變，增大，增大UAK，G表中電流表中電流 達到某一值后不再增大，即達到達到某一值后不再增大，即達到 飽和值。飽和值。 說明在一定的光照條件下，單位說明在一定的光照條件下，單位 時間內(nèi)時間內(nèi)K發(fā)射的電子數(shù)目一定。發(fā)射的電子數(shù)目一定。 在光的顏色不變在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大的情況下，入射光越強，飽和電流越大 實驗表明：實驗表明： 對于一定顏色的光，入射光越強，單位時間內(nèi)發(fā)對于一定顏色的光，入射光越強，單位時間內(nèi)發(fā) 射的光電子數(shù)越多射的光電子數(shù)越多 ：使光電流減小到零的反向電壓：使光

4、電流減小到零的反向電壓 v 加反向電壓，如右圖所示：加反向電壓，如右圖所示： 光電子所受電場力方向與光電子光電子所受電場力方向與光電子 速度方向相反，光電子作減速運速度方向相反，光電子作減速運 動。若動。若 c 2 2 1 eUvm ce c v速率最大的是 U=0時，時，I0， 因為電子有初速度因為電子有初速度 則則I=0，式中，式中UC為為遏止電壓遏止電壓 (2)存在存在遏止電壓和截止頻率遏止電壓和截止頻率 a.存在存在遏止電壓遏止電壓 E E U F KA I I s UaOU 黃光（黃光（ 強）強） 黃光（黃光（ 弱）弱） 光電效應伏安特性曲線光電效應伏安特性曲線 遏遏 止止 電電 壓

5、壓 飽飽 和和 電電 流流 藍光藍光 U b (2)存在存在遏止電壓和截止頻率遏止電壓和截止頻率 實驗表明實驗表明: 改變是，改變是， (2)存在存在遏止電壓和截止頻率遏止電壓和截止頻率 c 2 2 1 eUvm ce a.存在存在遏止電壓遏止電壓 b.存在存在截止頻率（極限頻率截止頻率（極限頻率） (2)存在存在遏止電壓和截止頻率遏止電壓和截止頻率 AK G V 陽陽 極極 陰陰 極極 實驗結果：即使入射光的實驗結果：即使入射光的 強度非常微弱，強度非常微弱， ，電流表指針也幾電流表指針也幾 乎是隨著入射光照射就立乎是隨著入射光照射就立 即偏轉。即偏轉。 更精確的研究推知，光電子更精確的研究

6、推知，光電子 發(fā)射所經(jīng)過的時間不超過發(fā)射所經(jīng)過的時間不超過1010 9 9 秒 秒（這個現(xiàn)象一般稱作（這個現(xiàn)象一般稱作 “光電子的瞬時發(fā)射光電子的瞬時發(fā)射”）。）。 表明：光電效應在極短的時間內(nèi)完成 (3)具有瞬時性具有瞬時性 ： 以上三個結論都與實驗結果相矛盾的，所以上三個結論都與實驗結果相矛盾的，所 以無法用經(jīng)典的波動理論來解釋光電效應。以無法用經(jīng)典的波動理論來解釋光電效應。 使電子脫離某種金屬所做功的最 小值，叫做這種金屬的逸出功逸出功。 光越強，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。光越強，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。 光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電光越強，光電子的初動能

7、應該越大，所以遏止電 壓壓UC應與光的強弱有關。應與光的強弱有關。 不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子都可獲不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子都可獲 得足夠能量從而逸出表面，不應存在截止頻率。得足夠能量從而逸出表面，不應存在截止頻率。 如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需幾分如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需幾分 鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需的能量，鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需的能量， 這個時間遠遠大于這個時間遠遠大于10 S。 -9 實驗表明實驗表明:對于一定顏色對于一定顏色(頻率頻率)的光的光, 無論光的強弱如何無論光的強弱如何,遏止電壓是一樣的遏止電壓是一樣

8、的. 溫度不很高時，電子不能大量逸出，是由于受溫度不很高時，電子不能大量逸出，是由于受 到金屬表面層的引力作用，電子要從金屬中掙到金屬表面層的引力作用，電子要從金屬中掙 脫出來，必須克服這個引力做功。脫出來，必須克服這個引力做功。 光本身就是由一個個不可分光本身就是由一個個不可分 割的能量子組成的，頻率為割的能量子組成的，頻率為 的光的能量子為的光的能量子為h。這些能。這些能 量子后來被稱為量子后來被稱為光子光子。 愛因斯坦的光子說愛因斯坦的光子說 hE 愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到 了啟發(fā)，他提出：了啟發(fā)，他提出： 2.愛因斯坦的光電效應方程愛因斯坦的光電

9、效應方程 ： 0 WEh k 0 WhEk或 光電子最大初動能光電子最大初動能 金屬的逸出功金屬的逸出功 W0 2 2 1 cek vmE 一個電子吸收一個光子的能量一個電子吸收一個光子的能量h后，一部分能后，一部分能 量用來克服金屬的逸出功量用來克服金屬的逸出功，剩下的表現(xiàn)為逸，剩下的表現(xiàn)為逸 出后電子的初動能出后電子的初動能Ek，即：，即： 3.3.光子說對光電效應的解釋光子說對光電效應的解釋 愛因斯坦方程表明，光電子的初動能愛因斯坦方程表明，光電子的初動能E Ek k與與 入射光的頻率成線性關系，與光強無關。只入射光的頻率成線性關系，與光強無關。只 有當有當hh 時，才有光電子逸出，時，

10、才有光電子逸出， 就是就是 光電效應的截止頻率。光電效應的截止頻率。 h W c 0 電子一次性吸收光子的全部能量，不需要電子一次性吸收光子的全部能量，不需要 積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時發(fā)積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時發(fā) 生的。生的。 光強較大時，包含的光子數(shù)較多，照射金光強較大時，包含的光子數(shù)較多，照射金 屬時產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。屬時產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。 由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電 效應的實驗規(guī)律效應的實驗規(guī)律, ,榮獲榮獲19211921年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎。 愛因斯坦光子假說圓滿

11、解釋了光電效應，但當時愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時 并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的 波動理論。波動理論。 美國物理學家密立根，花了十年時間做了美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效光電效 應應”實驗，結果在實驗，結果在1915年證實了愛因斯坦方程，年證實了愛因斯坦方程，h 的的 值與理論值完全一致，又一次證明了值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子光量子”理論理論 的正確。的正確。 光電效應顯示了光的粒子性光電效應顯示了光的粒子性 愛因斯坦由于愛因斯坦由于對對光電效光電效 應應的理論解釋和對的理論解釋和對理論理

12、論 物理學物理學的貢獻的貢獻獲得獲得1921 年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎 密立根由于密立根由于研究基本電荷和研究基本電荷和 光電效應光電效應，特別是通過著名，特別是通過著名 的油滴實驗，證明電荷有最的油滴實驗，證明電荷有最 小單位。小單位。獲得獲得19231923年諾貝年諾貝 爾物理學獎爾物理學獎 。 光電管光 電源 電流計 I A K 放大器放大器 控制機構控制機構 K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K A 。 思考與討論思考與討論 課本P33 c eUWh 0 cceK eUvm：E 2 2 1 因為 可得代入 0 WhEk 練習練習 課本例題課本例題P36 分析 c eUWh

13、 0 由上面討論結果 e W e h U c 0 可得： 對于一定金屬，逸出功對于一定金屬，逸出功W0是確定的，電子電荷是確定的，電子電荷 e和普朗克常量和普朗克常量h都是常量。都是常量。 所以遏止電壓UC與光的頻率之間是線性關系 e W 0 h W 0 即：Uc圖象是一 條斜率為 的直線 e h 練習練習課本例題P33 分析 e W 0 h W 0 遏止電壓遏止電壓Uc與光電子與光電子 的最大初動能的最大初動能Ek有關有關 Ek越大，越大， Uc越高；越高；Uc為零，為零， Ek為零，即沒有光電子為零，即沒有光電子 所以與遏止電壓所以與遏止電壓U Uc c=0=0對應的頻率應該是截止頻率對應

14、的頻率應該是截止頻率c c 0 0 c eUWh0 Wh C 由以上分析可知：由以上分析可知： 根據(jù)數(shù)據(jù)作根據(jù)數(shù)據(jù)作Uc圖象即可求得圖象即可求得 遏止電壓遏止電壓U Uc c=0=0對應的頻率就是截止頻率對應的頻率就是截止頻率c c U Uc c圖象是一條斜率為圖象是一條斜率為 的直線的直線 e h 練習練習課本課本P36 1、在可見光范圍內(nèi)，哪種顏色光的光子能量最大？想、在可見光范圍內(nèi)，哪種顏色光的光子能量最大？想 想看，這種光是否一定最亮？為什么？想看，這種光是否一定最亮？為什么？ 在可見光范圍內(nèi)，紫光的光子能量最大，因為其在可見光范圍內(nèi)，紫光的光子能量最大，因為其 頻率最高。頻率最高。

15、紫光不是最亮的。紫光不是最亮的。 一為光強，一為光強， 因為光的亮度由兩個因素決定，因為光的亮度由兩個因素決定， 二為人眼的視覺靈敏度。二為人眼的視覺靈敏度。 在光強相同的前提下，由于人眼對可見光中心部位在光強相同的前提下，由于人眼對可見光中心部位 的黃綠色光感覺最靈敏，因此黃綠色光應最亮。的黃綠色光感覺最靈敏，因此黃綠色光應最亮。 練習練習課本課本P36 2、在光電效應實驗中、在光電效應實驗中 （1）如果入射光強度增加，將產(chǎn)生什么結果？）如果入射光強度增加，將產(chǎn)生什么結果？ （2）如果入射光頻率增加，將產(chǎn)生什么結果？）如果入射光頻率增加，將產(chǎn)生什么結果？ （1）當入射光頻率高于截止頻率時，光

16、強增加，）當入射光頻率高于截止頻率時，光強增加， 發(fā)射的光電子數(shù)增多；發(fā)射的光電子數(shù)增多； 當入射光頻率低于當入射光頻率低于 截止頻率時，無論光強怎么增加，都不會有光截止頻率時，無論光強怎么增加，都不會有光 電子發(fā)射出來。電子發(fā)射出來。 （2）入射光的頻率增加，發(fā)射的光電子最大初）入射光的頻率增加，發(fā)射的光電子最大初 動能增加。動能增加。 練習練習課本課本P36 5 5、根據(jù)圖、根據(jù)圖17.2-217.2-2所示研究光電效應的電路，利用能所示研究光電效應的電路，利用能 夠產(chǎn)生光電效應的兩種（或多種）已知頻率的光來進夠產(chǎn)生光電效應的兩種（或多種）已知頻率的光來進 行實驗，怎樣測出普朗克常量？根據(jù)

17、實驗現(xiàn)象說明實行實驗，怎樣測出普朗克常量？根據(jù)實驗現(xiàn)象說明實 驗步驟和應該測量的物理量，寫出根據(jù)本實驗計算普驗步驟和應該測量的物理量，寫出根據(jù)本實驗計算普 朗克常量的關系式。朗克常量的關系式。 G V A K R 單色光單色光 分析：陽極與電源負極相接分析：陽極與電源負極相接 陰極與電源正極相接陰極與電源正極相接 測出兩種不同頻率測出兩種不同頻率1、2 光的遏止電壓光的遏止電壓U1、U2 代入公式：代入公式： c eUWh 0 實驗步驟：實驗步驟： （1 1）將圖）將圖17.2-217.2-2電路圖電源正負對調，滑動變阻器電路圖電源正負對調，滑動變阻器 滑動觸頭滑至最左邊，用頻率為滑動觸頭滑至

18、最左邊，用頻率為1 1 的光照射，此時的光照射，此時 電流表中有電流。電流表中有電流。將滑動變阻器滑動觸頭緩慢右滑，將滑動變阻器滑動觸頭緩慢右滑， 同時觀察電流表，當電流表示數(shù)為零時，停止滑動。同時觀察電流表，當電流表示數(shù)為零時，停止滑動。 記下伏特表的示數(shù)記下伏特表的示數(shù)U U1 1。 （2 2）用頻率為）用頻率為2 2的光照射，重復（的光照射，重復（1 1）的操作，記）的操作，記 下伏特表的示數(shù)下伏特表的示數(shù)U U2 2。 （3 3）應用）應用 計算計算h h。 （4 4）多次測量取平均值。）多次測量取平均值。 e UU h 21 21 101 eUWh 202 eUWh 當入射光頻率分別

19、為當入射光頻率分別為1、2時，測出遏止電壓時，測出遏止電壓U1、 U2，由愛因斯坦光電效應方程可得，由愛因斯坦光電效應方程可得 聯(lián)立上兩式，解得聯(lián)立上兩式，解得 e UU h 21 21 其中其中e為電子的電量，測出為電子的電量，測出U1與與U2就可測出普朗克就可測出普朗克 常量常量 1.光的散射光的散射 光在介質中與物質微粒相互作用光在介質中與物質微粒相互作用,因而傳播方因而傳播方 向發(fā)生改變向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做光的散射光的散射 2.2.康普頓效應康普頓效應 19231923年康普頓在做年康普頓在做 X 射線通過物質散射的射線通過物質散射的 實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波

20、長相同實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同 的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其 波長的改變量與散射角波長的改變量與散射角有關，而與入射線波長有關，而與入射線波長 和散射物質都無關和散射物質都無關。 3.3.康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律： 晶體晶體 光闌光闌 X 射線管射線管 探探 測測 器器 X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體 (散射物質散射物質) j 0 散射波長散射波長 按經(jīng)典電磁理論：按經(jīng)典電磁理論： 如果入射如果入射X光是某光是某 種波長的電磁波，種波長的電磁波， 散射光的波長是散射光的波長是 不會改變的！不會

21、改變的！ 康普頓散射曲線的特點：康普頓散射曲線的特點： a.除原波長除原波長 0外出現(xiàn)了移向外出現(xiàn)了移向 長波方向的新的散射波長長波方向的新的散射波長 。 b.新波長新波長 隨散射角的增大隨散射角的增大 而增大。而增大。 散射中出現(xiàn)散射中出現(xiàn) 0 的現(xiàn)象，的現(xiàn)象， 稱為稱為康普頓散射?？灯疹D散射。 波長的偏移為波長的偏移為 0 =0 O j =45 O j =90 O j =135 O j . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22、 . . . . . . . . . . . . . . . . . o （A） 0.7000.750 波長波長 . . . . . 0 稱為電子的稱為電子的Compton波長波長 )cos1 (j j c 只有當入射波長只有當入射波長 0與與 c可比擬時，康普頓效應才顯可比擬時，康普頓效應才顯 著，著，因此要用因此要用X射線才能觀察到射線才能觀察到康普頓散射，用可康普頓散射，用可 見光觀察不到康普頓散射。見光觀察不到康普頓散射。 波長的偏移只與散射角波長的偏移只與散射角j j 有關，有關，而與散射物質而與散射物質 種類及入射的種類及入射的X X射線的波長射線的波長 0 0 無關， 無關， 0

23、 c = 0.0241=2.41 10-3nm（實驗值）（實驗值） 1.1.有力地支持了愛因斯坦有力地支持了愛因斯坦“光量子光量子”假設；假設； 2.2.首次在實驗上證實了首次在實驗上證實了“光子具有動量光子具有動量”的假設；的假設； 3.3.證實了證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和 能量守恒定律仍然是成立的。能量守恒定律仍然是成立的。 康普頓的成功也不是一帆風順的，在他早期的康普頓的成功也不是一帆風順的，在他早期的 幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于 “混進來了某種熒光輻射混進來了某種熒光輻射”；在計算中起先只；在計算中起先只 考慮能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒。考慮能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒。 康普頓于康普頓于19271927年獲諾貝爾物理獎。年獲諾貝爾物理獎。 康康 普普 頓頓 效效 應應 康康 普普 頓頓 效效 應應 康普頓康普頓,1927年獲諾貝爾物理學獎年獲諾貝爾物理學獎 (1892-1962)美國物理學家美國物理學家 1927 19251926年，吳有訓用銀的年，吳有訓用銀的X射線射線(