光電效應(yīng)光子

1、光電效應(yīng)光電效應(yīng) 光子光子第第1課時(shí)課時(shí) 問題問題1：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié) 人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展 過程？過程？ 用弧光燈照射擦得很 亮的鋅板，(注意用導(dǎo) 線與不帶電的驗(yàn)電器 相連），使驗(yàn)電 器張 角增大到約為 30度時(shí)， 再用與絲綢磨擦過的 玻璃棒去靠近鋅板， 則驗(yàn)電器的指針張角 會(huì)變大。 一、光電效應(yīng)現(xiàn)象一、光電效應(yīng)現(xiàn)象 表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電 定義：定義：在光(包括不可見光)的照射下，從物體發(fā)射電 子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。 發(fā)射出來的電子叫做光電子 1.1.什么是光電效應(yīng)什么是光電效應(yīng) 當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬當(dāng)光線照射在

2、金屬表面時(shí)，金屬 中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。 逸出的電子稱為光電子逸出的電子稱為光電子。 AK G V 陽陽 極極 陰陰 極極 W石英窗石英窗 光線經(jīng)石英窗照在陰極上，光線經(jīng)石英窗照在陰極上， 便有電子逸出便有電子逸出-光電子光電子。 光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。 2.2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 1. 1. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn) AK G V 陽陽 極極 陰陰 極極 將換向開關(guān)反接，電場(chǎng)反向，將換向開關(guān)反接，電場(chǎng)反向， 則光電子離開陰極后將受反向電則光電子離開陰極后將受反向電 場(chǎng)阻礙作用。場(chǎng)阻礙作用。

3、當(dāng)當(dāng) K K、A A 間加反向電壓，光間加反向電壓，光 電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá) 到某一值到某一值 U Uc c 時(shí)，光電流恰為 時(shí)，光電流恰為0 0。 U Uc c稱稱遏止電壓遏止電壓。 2 2 1 cev m c eU 遏止電壓遏止電壓 I UcOU 光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 弱弱 光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置 遏遏 止止 電電 壓壓 一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 AK G V 陽陽 極極 陰陰 極極 I I s UaOU 光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 強(qiáng)強(qiáng) 光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 弱弱 光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)伏安特性

4、曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置 遏遏 止止 電電 壓壓 飽飽 和和 電電 流流 一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 AK G V 陽陽 極極 陰陰 極極 A G V K 陽陽 極極 陰陰 極極 W 石英石英 窗窗 2. 2. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律 . .光電流與光強(qiáng)的關(guān)系光電流與光強(qiáng)的關(guān)系 飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。 . .截止頻率截止頻率c -極限頻率極限頻率 對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確 定的截止頻率定的截止頻率c 。 當(dāng)入射光頻率當(dāng)入射光頻率 c 時(shí)，電子才能逸時(shí)，電子才能逸 出金屬

5、表面；出金屬表面； 當(dāng)入射光頻率當(dāng)入射光頻率 c時(shí)，無論光強(qiáng)多大也無電子逸出金時(shí)，無論光強(qiáng)多大也無電子逸出金 屬表面。屬表面。 光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開始照射到光電逸出所需光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開始照射到光電逸出所需 時(shí)間時(shí)間 10-9s。 經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 經(jīng)典認(rèn)為，經(jīng)典認(rèn)為，按照經(jīng)典電磁理論，入按照經(jīng)典電磁理論，入 射光的光強(qiáng)越大，光波的電場(chǎng)強(qiáng)度的射光的光強(qiáng)越大，光波的電場(chǎng)強(qiáng)度的 振幅也越大，作用在金屬中電子上的振幅也越大，作用在金屬中電子上的 力也就越大，力也就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)光電子逸出的能量也應(yīng) 該越大。也就是說，光電子的

6、能量應(yīng)該越大。也就是說，光電子的能量應(yīng) 該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該 與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什 么截止頻率么截止頻率。 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光 強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也 與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即 使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻 率時(shí)，無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。率時(shí)，無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。 光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而經(jīng)

7、典認(rèn)為光能量經(jīng)典認(rèn)為光能量 分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的 積累過程。積累過程。 為了解釋光電效應(yīng)，為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦在能量愛因斯坦在能量 子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光，提出了光 量子假設(shè)。量子假設(shè)。 3.3.愛因斯坦的光量子假設(shè)愛因斯坦的光量子假設(shè) 1.1.內(nèi)容內(nèi)容 光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出的微粒形式出 現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說，現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說，頻率為頻率為 的的光是由大量能量為光是由大量能量為 =h 光子組成的粒子流

8、，這光子組成的粒子流，這 些光子沿光的傳播方向以光速些光子沿光的傳播方向以光速 c 運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。 0 WEh k 在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一 部分消耗在電子逸出功部分消耗在電子逸出功A，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊?，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊?的動(dòng)能的動(dòng)能 Ek 。由能量守恒可得出：。由能量守恒可得出： 2.2.愛因斯坦光電效應(yīng)方程愛因斯坦光電效應(yīng)方程 為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功；為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功； 2 2 1 vmE ek 0 W 為光電子的最大初動(dòng)能。為光電子的最大初動(dòng)能。 3. 3. 從方程可以

9、看出光電子初動(dòng)能和照射從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射 光的頻率成線性關(guān)系光的頻率成線性關(guān)系 4.4.從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)， 可得極極限頻率：可得極極限頻率： 愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋：愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋： 1. 1. 光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也 多，所以光電流也大。多，所以光電流也大。 2. 2. 電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬 表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。 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

10、光電 效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律, ,榮獲榮獲19211921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí) 并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的 波動(dòng)理論。波動(dòng)理論。 4.4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證 美國物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了美國物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效光電效 應(yīng)應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦方程，年證實(shí)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

11、光量子”理論理論 的正確。的正確。 愛因斯坦由于愛因斯坦由于對(duì)對(duì)光電效光電效 應(yīng)應(yīng)的理論解釋和對(duì)的理論解釋和對(duì)理論理論 物理學(xué)物理學(xué)的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn)獲得獲得1921 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 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(yīng)光電效應(yīng)，特別是通過著名，特別是通過著名 的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最的油滴實(shí)驗(yàn)，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(xué)獎(jiǎng)爾物理學(xué)獎(jiǎng) 。 放大器放大器 控制機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu) 可以用于自動(dòng)控可以用于自動(dòng)控 制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng) 報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。 4.4.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光

12、電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用 1.1.光控繼電器光控繼電器 K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K A 可對(duì)微弱光線進(jìn)行放可對(duì)微弱光線進(jìn)行放 大，可使光電流放大大，可使光電流放大 105 108 倍，靈敏度倍，靈敏度 高，用在工程、天文、高，用在工程、天文、 科研、軍事等方面。科研、軍事等方面。 2.2.光電倍增管光電倍增管 應(yīng) 用 光電管光 電源 電流計(jì) I A K 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)第第2課時(shí)課時(shí) 1.光的散射光的散射 光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳因而傳 播方向發(fā)生改變播方向發(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(yīng)康普頓效

13、應(yīng) 19231923年康普頓在做年康普頓在做 X 射線通過物射線通過物 質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，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，其波長的改入射線波長更長的射線，其波長的改 變量與散射角變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長有關(guān)，而與入射線波長 和散射物質(zhì)都無關(guān)和散射物質(zhì)都無關(guān)。 一一. .康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律： 晶體晶體 光闌光闌 X 射線管射線管 探探 測(cè)測(cè) 器器 X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體 (散射物質(zhì)散射物質(zhì)) j 0 散射波長散射波長 康普頓正在測(cè)晶體康普

14、頓正在測(cè)晶體 對(duì)對(duì)X 射線的散射射線的散射 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(huì)改變的！不會(huì)改變的！ 康普頓散射曲線的特點(diǎn)：康普頓散射曲線的特點(diǎn)： 1.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 。 2.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，稱的現(xiàn)象，稱 為為康普頓散射。康普頓散射。 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 . . . .

15、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o （A） 0.7000.750 波長波長 . . . . . 0 遇到的困難遇到的困難 經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí) 2. 2. 無法解釋波長改變和散射角的關(guān)系。無法解釋波長改變和散射角的關(guān)系。 射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。 其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散其頻率等于

16、入射光頻率，所以它所發(fā)射的散 過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)， 1. 1. 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通 光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋 康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的 子能量幾乎不變，波長不變。子能量幾乎不變，波長不變。 小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光碰撞前后光 光子將與整個(gè)原子交換能量光子將與整個(gè)原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)由于光子質(zhì)量遠(yuǎn) 2. 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞， 是散

17、射光的波長大于入射光的波長。是散射光的波長大于入射光的波長。 部分能量傳給電子部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于散射光子的能量減少，于 1. 若光子和外層電子相碰撞，光子有一若光子和外層電子相碰撞，光子有一 結(jié)果，具體解釋如下：結(jié)果，具體解釋如下： 3. 因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度 有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。 光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋 三三. .康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義 （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(shè)；假設(shè)； （2 2）首次在實(shí)

18、驗(yàn)上證實(shí)了）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量光子具有動(dòng)量” 的假設(shè)；的假設(shè)； （3 3）證實(shí)了）證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中， 動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。 康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的 幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于 “混進(jìn)來了某種熒光輻射混進(jìn)來了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只；在計(jì)算中起先只 考慮能量守恒，后來才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒?？紤]能量守恒，后來才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒。 康普頓于康普頓于19271927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。 康康 普普 頓頓 效效 應(yīng)應(yīng) 康康 普普 頓頓 效效 應(yīng)應(yīng) 康普頓康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) (1892-1962)美國物理學(xué)家美國物理學(xué)家 1927 19251926年，吳有訓(xùn)用銀的年，吳有訓(xùn)用銀的X射線射線( 0 =5.62nm) 為入射線為入射線, 以