光的粒子性課件 (1)

1、17.2光的粒子性 用弧光燈照射擦 得很亮的鋅板， (注意用導(dǎo)線與不 帶電的驗電器相 連），使驗電 器 張角增大到約為 30度時，再用與 絲綢磨擦過的玻 璃棒去靠近鋅板， 則驗電器的指針 張角會變大。 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 當(dāng)光線照射在金屬表面時，金屬中當(dāng)光線照射在金屬表面時，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(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。 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 實驗表明：實驗表明： 入射光越強，飽和電流越大，單入射光越強，飽和電流越大，單 位時間內(nèi)發(fā)

2、射的光電子數(shù)越多。位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。 V G AK 陽極陽極 陰極陰極 I I s UaOU 黃光（黃光（ 強）強） 黃光（黃光（ 弱）弱） 光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)伏安特性曲線 遏遏 止止 電電 壓壓 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 V G AK 陽極陽極 陰極陰極 V G AK 陽極陽極 陰極陰極 V G AK 陽極陽極 陰極陰極 遏止電壓遏止電壓 實驗表明實驗表明: 改變改變 是，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 V G AK

3、陽極陽極 陰極陰極 b. 截止頻率截止頻率 c 。 (2)存在存在遏止電壓和截止頻率遏止電壓和截止頻率 V G AK 陽極陽極 陰極陰極 ，電流表指針就立電流表指針就立 即偏轉(zhuǎn)。即偏轉(zhuǎn)。 光電子發(fā)射所經(jīng)過的時間不超光電子發(fā)射所經(jīng)過的時間不超 過過1010 9 9 秒 秒 光電效應(yīng)在極短的時間內(nèi)完成 (3)具有瞬時性具有瞬時性 V G AK 陽極陽極 陰極陰極 ： 以上三個結(jié)論都與實驗結(jié)果相矛盾的，所以上三個結(jié)論都與實驗結(jié)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(yīng)。以無法用經(jīng)典的波動理論來解釋光電效應(yīng)。 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

4、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(yīng)該越大，所以遏止電光越強，光電子的初動能應(yīng)該越大，所以遏止電 壓壓UC應(yīng)與光的強弱有關(guān)。應(yīng)與光的強弱有關(guān)。 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(yīng)存在截止頻率。得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)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。 -

5、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, 無論光的強無論光的強 弱如何弱如何,遏止電壓是一樣的遏止電壓是一樣的. 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割的能光本身就是由一個個不可分割的能 量子組成的，頻率為量子組成的，頻率為 的光的能量子的光的能量子 為為h。這些能量子后來被稱為。這些能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

6、斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)， 他提出：他提出： 2.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 ： 0 WEh k 0 WhE k 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(yīng)的解釋光子說對光電效應(yīng)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

7、初動能E Ek k與與 入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強無關(guān)。只入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強無關(guān)。只 有當(dāng)有當(dāng)hh 時，才有光電子逸出，時，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

8、光子假說成功地說明了光電 效應(yīng)的實驗規(guī)律效應(yīng)的實驗規(guī)律, ,榮獲榮獲19211921年諾貝爾物理學(xué)獎年諾貝爾物理學(xué)獎。 愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時 并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因為它完全違背了光的并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因為它完全違背了光的 波動理論。波動理論。 美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了“光電效光電效 應(yīng)應(yīng)”實驗，結(jié)果在實驗，結(jié)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。

9、的正確。 愛因斯坦由于愛因斯坦由于對對光電效光電效 應(yīng)應(yīng)的理論解釋和對的理論解釋和對理論理論 物理學(xué)物理學(xué)的貢獻的貢獻獲得獲得1921 年諾貝爾物理學(xué)獎年諾貝爾物理學(xué)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(yīng)光電效應(yīng)，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(xué)獎爾物理學(xué)獎 。 思考與討論思考與討論 課本P36 c eUWh 0 cceK eUvm：E 2 2 1 因為 可得代入 0 WhEk 放大器放大器 控制機構(gòu)控制機構(gòu) K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K A 。

10、 光電管光 電源 電流計 I A K 第第2課時課時 普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)康 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(yīng)康普頓效應(yīng) 19231923年康普頓在做年康普頓在做 X 射線通過物質(zhì)散射的射線通過物質(zhì)散射的 實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同實驗時，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(guān)，而與入射線波長有關(guān)，而與入射線波長

11、 和散射物質(zhì)都無關(guān)和散射物質(zhì)都無關(guān)。 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(zhì)散射物質(zhì)) 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光是某種光是某種 波長的電磁波，散射光波長的電磁波，散射光 的波長是不會改變的！的波長是不會改變的！ 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。

12、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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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

13、c 只有當(dāng)入射波長只有當(dāng)入射波長 0與與 c可比擬時，康普頓效應(yīng)才顯可比擬時，康普頓效應(yīng)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(guān)，有關(guān)，而與散射物質(zhì)而與散射物質(zhì) 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(guān)， 無關(guān)， 0 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(shè)；假設(shè)； 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

14、光子具有動量”的假設(shè)；的假設(shè)； 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(fēng)順的，在他早期的幾篇論文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中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進來了某種混進來了某種 熒光輻射熒光輻射”；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認(rèn)；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認(rèn) 識到還要用動量守恒。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

15、 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)獎年獲諾貝爾物理學(xué)獎 (1892-1962)美國物理學(xué)家美國物理學(xué)家 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, 以以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，種輕重不同的元素為散射物質(zhì)， 4.吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻 1923年年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作. 對證實康普頓效應(yīng)作出了對證實康普頓效應(yīng)作出了 重要貢獻。重要貢獻。 在同一散射角在同一散射角( )測量測量 各種波長的散射光強度，作各種波長的散

16、射光強度，作 了大量了大量 X 射線散射實驗。射線散射實驗。 0 120 j j （1897-19771897-1977） 吳有訓(xùn)吳有訓(xùn) 2 mcE h c h c c h mcP 2 hE 2 c h m hE h P 動量能量是描述粒子的動量能量是描述粒子的, 頻率和波長則是用來描述波的頻率和波長則是用來描述波的 光的粒子性光的粒子性 一、光電效應(yīng)的基本規(guī)律一、光電效應(yīng)的基本規(guī)律 1.光電效應(yīng)現(xiàn)象光電效應(yīng)現(xiàn)象 2.光電效應(yīng)實驗規(guī)律光電效應(yīng)實驗規(guī)律 （3 3）光子說對光電效應(yīng)的解釋）光子說對光電效應(yīng)的解釋 （2）愛因斯坦的光電效應(yīng)方程）愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 三、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程三、愛

17、因斯坦的光電效應(yīng)方程 （1 1）光子：）光子： 二、光電效應(yīng)解釋中的疑難二、光電效應(yīng)解釋中的疑難 1.1.在演示光電效應(yīng)的實驗中，原來不帶在演示光電效應(yīng)的實驗中，原來不帶 電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧 光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開 一個角度，如圖所示，一個角度，如圖所示， 這時這時( )( ) A.A.鋅板帶正電，指針帶負電鋅板帶正電，指針帶負電 B.B.鋅板帶正電，指針帶正電鋅板帶正電，指針帶正電 C.C.鋅板帶負電，指針帶正電鋅板帶負電，指針帶正電 D.D.鋅板帶負電，指針帶負電鋅板帶負電，指針帶負電 B 練習(xí)

18、練習(xí) 2.2.一束黃光照射某金屬表面時，不能產(chǎn)一束黃光照射某金屬表面時，不能產(chǎn) 生光電效應(yīng)，則下列措施中可能使該金生光電效應(yīng)，則下列措施中可能使該金 屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是( )( ) A.A.延長光照時間延長光照時間 B.B.增大光束的強度增大光束的強度 C.C.換用紅光照射換用紅光照射 D.D.換用紫光照射換用紫光照射 D B 3 D 練習(xí)練習(xí)課本課本P39 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

19、內(nèi)，紫光的光子能量最大，因為其 頻率最高。頻率最高。 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(yīng)最亮。的黃綠色光感覺最靈敏，因此黃綠色光應(yīng)最亮。 課本課本P39 2、在光電效應(yīng)實驗中、在光電效應(yīng)實驗中 （1）如果入射光強度增加，將產(chǎn)生什么結(jié)果？）如果入射光強度增加，將產(chǎn)生什么結(jié)果？ （2）如果入射光頻率增加，將產(chǎn)生什么結(jié)果？）如果入射光頻率增加，將產(chǎn)生什

20、么結(jié)果？ （1）當(dāng)入射光頻率高于截止頻率時，光強增加，）當(dāng)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(dāng)入射光頻率低于當(dāng)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。 課本例題課本例題P36 分析 c eUWh 0 由上面討論結(jié)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

21、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(guān)系 e W 0 h W 0 即：Uc圖象是一 條斜率為 的直線 e h 課本例題P36 分析c eUWh 0 由上面討論結(jié)果 e W e h U c 0 可得： e W 0 h W 0 cceK eUvm：E 2 2 1 因為 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(guān)有關(guān) 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(yīng)的頻率應(yīng)該是截止頻率對應(yīng)的頻率應(yīng)該是截止頻率c c 0 0 c eUWh0 Wh C 由以上

22、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(yīng)的頻率就是截止頻率對應(yīng)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 課本課本P39 5 5、根據(jù)圖、根據(jù)圖17.2-217.2-2所示研究光電效應(yīng)的電路，利用能所示研究光電效應(yīng)的電路，利用能 夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的兩種（或多種）已知頻率的光來進夠產(chǎn)生光電效應(yīng)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)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(yīng)該測量的物理量，寫出根據(jù)本實驗計算普驗步驟和應(yīng)該測量的物理量，寫出根據(jù)本實驗計算普 朗克常量的關(guān)系式。朗克常量的關(guān)系