光的粒子性課件--奎用

1、17.2科學(xué)的轉(zhuǎn)折：科學(xué)的轉(zhuǎn)折： 光的光的粒子粒子性性 19世紀(jì)世紀(jì)麥克斯韋麥克斯韋和和赫茲赫茲從理論和實(shí)驗(yàn)從理論和實(shí)驗(yàn) 上確定了上確定了光的電磁波本質(zhì)光的電磁波本質(zhì)，光的波動(dòng)，光的波動(dòng) 理論似乎已經(jīng)完美了。理論似乎已經(jīng)完美了。 為了認(rèn)識(shí)光的本性，今天我們還要認(rèn)為了認(rèn)識(shí)光的本性，今天我們還要認(rèn) 識(shí)識(shí)光的粒子性光的粒子性。 用紫外線燈照射擦用紫外線燈照射擦 得很亮的鋅板，得很亮的鋅板， (注意用導(dǎo)線與不注意用導(dǎo)線與不 帶電的驗(yàn)電器相帶電的驗(yàn)電器相 連連），）， 驗(yàn)電器的指針張角驗(yàn)電器的指針張角 會(huì)變大。會(huì)變大。 表明鋅板在射線照射下失去了電子而 帶正電 1.1.什么是光電效應(yīng)什么是光電效應(yīng) 當(dāng)當(dāng)

2、光線照射光線照射在金屬表面時(shí)，金屬在金屬表面時(shí)，金屬 中有中有電子逸出電子逸出的現(xiàn)象，稱為的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)。 逸出的電子稱為逸出的電子稱為光電子光電子。 我們可以用下圖電路來研究光電效應(yīng)中電我們可以用下圖電路來研究光電效應(yīng)中電 子發(fā)射的情況與子發(fā)射的情況與照射光的強(qiáng)弱照射光的強(qiáng)弱、光的顏色光的顏色 （頻率）（頻率）等物理量間的關(guān)系。等物理量間的關(guān)系。 光線照在陰極上，便有電子光線照在陰極上，便有電子 逸出逸出-光電子光電子。 光電子在電場作用下定向移光電子在電場作用下定向移 動(dòng)形成動(dòng)形成光電流光電流。 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 V A AK 陽極陽極 陰極陰極

3、 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 V A AK 陽極陽極 陰極陰極 （1 1）存在飽和電流）存在飽和電流 光照不變，增大光照不變，增大UAK，電流表中電，電流表中電 流也增大，但最終電流會(huì)達(dá)到某流也增大，但最終電流會(huì)達(dá)到某 一值后不再增大，即達(dá)到一值后不再增大，即達(dá)到飽和值飽和值。 因?yàn)楣庹諚l件一定時(shí)，因?yàn)楣庹諚l件一定時(shí)，K發(fā)射發(fā)射 的電子數(shù)目一定。當(dāng)?shù)碾娮訑?shù)目一定。當(dāng)所有光電子所有光電子 都被陽極都被陽極A吸收時(shí)吸收時(shí)，電流就不會(huì)，電流就不會(huì) 再變大了。再變大了。 實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)驗(yàn)表明： 入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光 電

4、子數(shù)越多。電子數(shù)越多。 ：使光電流減小到零的反向電壓：使光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(yùn)速度方向相反，光電子作減速運(yùn) 動(dòng)。若動(dòng)。若 c 2 2 1 eUvm ce c v速率最大的是 最大的初動(dòng)能最大的初動(dòng)能 U=0時(shí)，時(shí)，I0， 因?yàn)殡娮佑谐跛俣纫驗(yàn)殡娮佑谐跛俣?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UC E E U F KA I UC黃 OU 黃光（黃光（ 強(qiáng)）強(qiáng)）

5、黃光（黃光（ 弱）弱） 遏遏 止止 電電 壓壓 飽飽 和和 電電 流流 藍(lán)光藍(lán)光 U C藍(lán)藍(lán) 實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明:對(duì)于一定對(duì)于一定顏色顏色(頻率頻率) 的光的光, 無論光的強(qiáng)弱如何無論光的強(qiáng)弱如何,遏止遏止 電壓是一樣的電壓是一樣的. 光的頻率光的頻率 改變改變 時(shí)，時(shí)，遏止電壓也會(huì)改變。遏止電壓也會(huì)改變。 c 2 2 1 eUvm ce 光電子的光電子的能量：能量： 只與只與入射光的頻率入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)。有關(guān)，與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)。 經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)：經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)： b. 存在存在截止頻率截止頻率 c 對(duì)于每種金屬，對(duì)于每種金屬， 都相應(yīng)確定的截都相應(yīng)確定的截 止頻率止頻率 c

6、c 。 當(dāng)入射光頻率當(dāng)入射光頻率 c c 時(shí)，電子時(shí)，電子 才能逸出金屬才能逸出金屬 表面；表面； 當(dāng)入射光頻率當(dāng)入射光頻率 WW0 0時(shí)，時(shí)，才有光電子逸出才有光電子逸出， 就是就是 光電效應(yīng)的截止頻率。光電效應(yīng)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(shí)間，光電流自然積累能量的時(shí)間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)幾乎是瞬時(shí)發(fā)發(fā) 生的。生的。 光強(qiáng)較大時(shí)，包含的光子數(shù)較多，照射金光強(qiáng)較大時(shí)，包含的光子數(shù)較多，照射金 屬時(shí)產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。屬時(shí)產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。 0 WhEk 由于愛因斯坦提出的光子假說成

7、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(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，花了多年時(shí)間做了美國物理學(xué)家密立根，花了多年時(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19151915年證實(shí)了愛因斯坦方程，年證實(shí)了愛因斯坦方程，h h 的的 值與

8、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。 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) 。 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)四、四、 （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

9、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)散射線中質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有除有 與入射線波長相同的射線外，與入射線波長相同的射線外，還有比還有比 入射線波長更長的射線，入射線波長更長的射線，其波長的改其波長的改 變量變量與散射角與散射角有關(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)。 康普頓正在測晶體康普頓正在測晶體 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

10、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！ 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) （3 3）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 五、光子的能量和動(dòng)量五、光子的能量和動(dòng)量 2 mcE h c h c c h mcP 2 hE 2 c h m h P 入射光子與晶體中電子碰撞，把入射光子與晶體中電子碰撞，把一一 部分動(dòng)量部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子因而轉(zhuǎn)移給電子因而光子動(dòng)量光子動(dòng)量 變小變小，由上式可知，由上式可知波長變大。波長變大。與康與康 普頓效應(yīng)相符合。普頓效應(yīng)相符

11、合。 小結(jié)小結(jié) 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 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 測測 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?？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