光譜分析在科學技術中的應用VIP

1、.光的本性光的本性1672T/年年1690186419051801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)現光電效應發(fā)現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.2.22.2涅槃鳳凰再飛翔涅槃鳳凰再飛翔.用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導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、光電效應一、光電效應現象現象表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電.用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，用弧光燈照射擦得很

2、亮的鋅板，(注意用導線與注意用導線與不帶電的驗電器相連），不帶電的驗電器相連），使驗電使驗電 器張角增大到約器張角增大到約為為 30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅度時，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。板，則驗電器的指針張角會變大。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. 當光線照射在金屬表面時，金屬中當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現象，稱為有電子逸出的現象，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，

3、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。因為光照條件一定時，因為光照條件一定時，K發(fā)射的發(fā)射的電子數目一定。電子數目一定。實驗表明：實驗表明：入射光越強，飽和電流越大，單位時間內發(fā)射的入射光越強，飽和電流越大，單位時間內發(fā)射的光電子數越多。光電子數越多。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c221eUvmcecv速率

4、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EEUFKA.IIsUaOU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壓飽飽和和電電流流蘭光蘭光Ub(2)存在存在遏止電壓和截止頻率遏止電壓和截止頻率VGAK陽極陽極陰極陰極.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c221eUvmcea.存在存在遏止電壓遏止電壓VGAK陽極陽極陰極陰極.經研究后發(fā)現：經研究后

5、發(fā)現：b.存在存在截止頻率截止頻率 (2)存在存在遏止電壓和截止頻率遏止電壓和截止頻率AKGV陽陽極極陰陰極極.實驗結果：即使入射光的強度實驗結果：即使入射光的強度非常微弱，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。射就立即偏轉。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)射所經過的時間不超過射所經過的時間不超過10109 9 秒秒（這個現象一般稱作（這個現象一般稱作“光電子光電子的瞬時發(fā)射的瞬時發(fā)射”）。）。光電效應在極短的時間內完成 (3)具有瞬時性具有瞬時性VGAK陽極陽極陰極陰極.： . 按照光的電磁理論，應得出以下結論：按照光的電磁理

6、論，應得出以下結論：光光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電壓越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電壓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，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，不應存在截止頻率表面，不應存在截止頻率 ；如果光很弱，按如果光很弱，按經典電磁理論估算，電子需幾分鐘到十幾分鐘的經典電磁理論估算，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，這個時間遠時間才能獲得逸出表面所需的能量，這個時間遠遠大于遠大于10-9 S。 以上三個結論都與實驗結果相矛盾的，所以無以上三個結論都與實驗

7、結果相矛盾的，所以無法用經典的波動理論來解釋光電效應。法用經典的波動理論來解釋光電效應。.1.1.光子說光子說( (愛因斯坦于愛因斯坦于19051905年提出年提出) ) 在空間傳播的光不是連續(xù)的而是一在空間傳播的光不是連續(xù)的而是一份一份的，每一份叫做一個光子，光份一份的，每一份叫做一個光子，光子的能量跟它的頻率成正比。子的能量跟它的頻率成正比。即即:E:Eh h ， 表示光的頻率，表示光的頻率，h h 叫普朗克叫普朗克常量，常量，h h6.636.631010-34-34焦耳秒焦耳秒.2.2.光電效應方程光電效應方程逸出功：逸出功：金屬表面上的電子逸出金屬表面上的電子逸出時要克服金屬原子核的

8、引力所做功時要克服金屬原子核的引力所做功的最小值。不同金屬的最小值。不同金屬, ,其逸出功不其逸出功不同。同。有：有：W0= h0光電效應方程：光電效應方程：EkhW0.2.愛因斯坦的光電效應方程愛因斯坦的光電效應方程：0WEhk0WhEk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 W0221cekvmE 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，剩下的表現為逸，剩下的表現為逸出后電子的初動能出后電子的初動能Ek，即：，即：.3.3.愛因斯坦光電效應方程對實驗結論的解釋愛因斯坦光電效應方程對實驗

9、結論的解釋EkhW00EKW00解釋截止頻率解釋截止頻率解釋飽和光電流解釋飽和光電流解釋瞬時性解釋瞬時性.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，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。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

10、含的光子數較多，照射金光強較大時，包含的光子數較多，照射金屬時產生的光電子多，因而飽和電流大。屬時產生的光電子多，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”

11、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。.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年諾貝爾年諾貝爾物理學獎物理學獎。.放大器放大器控制機構控制機構K1K2K

12、3K4K5KA。.應 用n光電管光電源電流計IAK. 康普頓效應康普頓效應第第2課時課時2.2涅槃鳳凰再飛翔.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,這種現象叫做這種現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)現散射線中除有與入射線波長相同實驗時，發(fā)現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

13、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 . 按經典電磁理論：按經典電磁理論： 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外出現了移向外出現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

14、增大。而增大。 散射中出現散射中出現 0 的現象，的現象，稱為稱為康普頓散射。康普頓散射。波長的偏移為波長的偏移為0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .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

15、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 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，

16、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?？紤]能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒?？灯疹D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( 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，種輕重不同的元素為散射物質，4.吳有訓對研究康

17、普頓效應的貢獻吳有訓對研究康普頓效應的貢獻1923年年,參加了發(fā)現康普頓效應的研究工作參加了發(fā)現康普頓效應的研究工作.對證實康普頓效應作出了對證實康普頓效應作出了重要貢獻。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，作各種波長的散射光強度，作了大量了大量 X 射線散射實驗。射線散射實驗。0120 j j（1897-19771897-1977） 吳有訓吳有訓.2mcE hchcchmcP2hE 2chm.hE hP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、光電效應的基本規(guī)律一、光電效應的基本規(guī)

18、律1.光電效應現象光電效應現象2.光電效應實驗規(guī)律光電效應實驗規(guī)律 .（3 3）光子說對光電效應的解釋）光子說對光電效應的解釋（2）愛因斯坦的光電效應方程）愛因斯坦的光電效應方程三、愛因斯坦的光電效應方程三、愛因斯坦的光電效應方程（1 1）光子：）光子：二、光電效應解釋中的疑難二、光電效應解釋中的疑難.1.1.在演示光電效應的實驗中，原來不帶在演示光電效應的實驗中，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練習練習.2.2.一束黃光照射某金屬表面時，不能產一束黃光照射某金屬表面時，不能產生光電效應，則下列措施中可能使該金生光電效應，則下列措施中可能使該金屬產生光電效應的是屬產生光電效應的是( )( )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練習練習.練習練習3.練習練習D.練習練習課