《光的粒子性》課件2

1、 17.2科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性第十七章：波粒二象性第十七章：波粒二象性用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，( (注意注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連器相連），使驗(yàn)電器張角增大），使驗(yàn)電器張角增大到約為到約為 3030度時(shí)，再用與絲綢度時(shí)，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，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。則驗(yàn)電器的指針張角會(huì)變大。表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電18871887年，赫茲在研究電磁波的實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，接年，赫茲在研究電磁波的實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，接收電路的間隙如果受到光照，就更容易產(chǎn)生電

2、火花。收電路的間隙如果受到光照，就更容易產(chǎn)生電火花。這就是最早的光電效應(yīng)，后來經(jīng)過湯姆遜等多名科這就是最早的光電效應(yīng)，后來經(jīng)過湯姆遜等多名科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了這個(gè)現(xiàn)象，即學(xué)家的實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了這個(gè)現(xiàn)象，即照射到金屬照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這個(gè)現(xiàn)表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這個(gè)現(xiàn)象就叫象就叫光電效應(yīng)光電效應(yīng)。1 1、當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子、當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(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(dòng)形成的電流叫光電子定向移動(dòng)形成的電流叫光電流光電流。 光照不變，

3、增大光照不變，增大UAK，G表中電流表中電流達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到達(dá)到某一值后不再增大，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)射的發(fā)射的電子數(shù)目一定。電子數(shù)目一定。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)射的光電子數(shù)越多。光電子數(shù)越多。VGAK陽極陽極陰極陰極：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(chǎng)力方向與光電子光電子所受電場(chǎng)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c221eUvm

4、cecv速率最大的是U=0時(shí)，時(shí)，I0， 因?yàn)殡娮佑谐跛俣纫驗(yàn)殡娮佑谐跛俣葎t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EEUFKAIIsUaOU黃光（黃光（ 強(qiáng)）強(qiáng)）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蘭光蘭光UbVGAK陽極陽極陰極陰極實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明: 改變是，改變是，c221eUvmcea.存在存在遏止電壓遏止電壓VGAK陽極陽極陰極陰極經(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 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)度非常微

5、弱，非常微弱，電流，電流表指針也幾乎是隨著入射光照表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn)。射就立即偏轉(zhuǎn)。更精確的研究推知，光電子發(fā)更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過的時(shí)間不超過射所經(jīng)過的時(shí)間不超過10109 9 秒秒（這個(gè)現(xiàn)象一般稱作（這個(gè)現(xiàn)象一般稱作“光電子光電子的瞬時(shí)發(fā)射的瞬時(shí)發(fā)射”）。）。光電效應(yīng)在極短的時(shí)間內(nèi)完成 (3)具有瞬時(shí)性具有瞬時(shí)性VGAK陽極陽極陰極陰極勒納德等人通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論勒納德等人通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論： 以上三個(gè)結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾的，所以上三個(gè)結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾的，所以無法用經(jīng)典的波動(dòng)理論來解釋光電效應(yīng)。以無法用經(jīng)典的波動(dòng)理論來解釋光電效應(yīng)。逸出功逸出功W

6、0使電子脫離某種金屬所做功的最使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的小值，叫做這種金屬的逸出功逸出功。光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以遏止電光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以遏止電壓壓UC應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可獲不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，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(shí)間才能獲

7、得逸出表面所需的能量，鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能獲得逸出表面所需的能量，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10 S。-9實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明:對(duì)于一定顏色對(duì)于一定顏色(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,遏止電壓是一樣的遏止電壓是一樣的.溫度不很高時(shí)，電子不能大量逸出，是由于受溫度不很高時(shí)，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(gè)引力做功。脫出來，必須克服這個(gè)引力做功。二二. .光電效應(yīng)解釋中的疑難光電效應(yīng)解釋中的疑難 1.1.光子：光子：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組

8、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光子。量子后來被稱為光子。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：三三. .愛因斯坦的光電效應(yīng)方程愛因斯坦的光電效應(yīng)方程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：0WEhk0WhEk或光電子最大初動(dòng)能光電子最大初動(dòng)能 金屬的逸出功金屬的逸出功 W0221cekvmE 一個(gè)電子吸收一個(gè)光子的能量一個(gè)電子吸收一個(gè)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)

9、為逸，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)能出后電子的初動(dòng)能Ek，即：，即：3.3.光子說對(duì)光電效應(yīng)的解釋光子說對(duì)光電效應(yīng)的解釋愛因斯坦方程表明，光電子的初動(dòng)能愛因斯坦方程表明，光電子的初動(dòng)能E Ek k與與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。只入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。只有當(dāng)有當(dāng)hh 時(shí)，才有光電子逸出，時(shí)，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。hWc0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，光電流自然幾乎是瞬時(shí)發(fā)積累能量的時(shí)間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)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

10、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。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(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。 美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了美國(guó)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

11、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“光量子光量子”理論理論的正確。的正確。愛因斯坦由于對(duì)光電效愛因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究基本電荷和密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名光電效應(yīng)，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。獲得小單位。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)四四. .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)

12、中的應(yīng)用K1K2K3K4K5KA。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)象叫做光的散射這種現(xiàn)象叫做光的散射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(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng)有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng) 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

13、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(zhǎng)散射波長(zhǎng) 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(zhǎng)的電磁波，種波長(zhǎng)的電磁波， 散射光的波長(zhǎng)是散射光的波長(zhǎng)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)： a.除原波長(zhǎng)除原波長(zhǎng) 0外出現(xiàn)了移向外出現(xiàn)了移向長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng)長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng) 。 b.新波長(zhǎng)新波長(zhǎng) 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，稱為康普頓散射。稱為康普頓散

14、射。波長(zhǎng)的偏移為波長(zhǎng)的偏移為0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波長(zhǎng)波長(zhǎng). . 0 稱為電子的稱為電子的Compton波長(zhǎng)波長(zhǎng))cos1 (j j c只有當(dāng)入射波長(zhǎng)只有當(dāng)入射波長(zhǎng) 0與與 c可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可射線才能觀察到康普頓散射，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(zhǎng)的偏移只與散射角波長(zhǎng)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(zhǎng)射線的波長(zhǎng) 0 0 無關(guān)，無關(guān)

15、，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（實(shí)驗(yàn)值）（實(shí)驗(yàn)值）1.1.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)遇到的困難遇到的困難康普頓效應(yīng)解釋中的疑難康普頓效應(yīng)解釋中的疑難 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過物質(zhì)根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。率應(yīng)等于入射光頻率。無法解釋波長(zhǎng)改變和散射角關(guān)系。無法解釋波長(zhǎng)改變和散射角關(guān)系。 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)；

16、假設(shè)； 2.2.首次在實(shí)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)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。能量守恒定律仍然是成立的?？灯疹D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?？灯疹D于康普頓于19271927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)?？灯疹D散射實(shí)驗(yàn)的意義康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義19251926年，吳有訓(xùn)用銀的年，吳有訓(xùn)用銀的X射線射線(