原創(chuàng)：17.2 科學轉(zhuǎn)折：光粒子性(講授式)1

1、一、光電效應現(xiàn)象一、光電效應現(xiàn)象 當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為象，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。光電子定向移動形光電子定向移動形成的電流成的電流叫光電流叫光電流 二二. .光電效應的實驗規(guī)律光電效應的實驗規(guī)律（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，G表中電流達到某一值表中電流達到某一值后不再增大，即達到飽和值。后不再增大，即達到飽和值。因為光照條件一定時，因為光照條件一定時，K發(fā)射的電子數(shù)目一發(fā)射的電子數(shù)目一定。定。實驗表明：實驗表明：入射光越強，飽和電流越大

2、，單位時間內(nèi)發(fā)入射光越強，飽和電流越大，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。射的光電子數(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：光電子所受電場力方向與光電子速度方向光電子所受電場力方向與光電子速度方向相反，光電子作減速運動。若相反，光電子作減速運動。若c221eUvmcecv速率最大的是最大的初動能最大的初動能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為遏止電壓為遏止電壓(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二二. .光

3、電效應的實驗規(guī)律光電效應的實驗規(guī)律IUOU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Is飽飽和和電電流流黃光（黃光（ 強）強）黃光（黃光（ 弱）弱）蘭光蘭光Ub(2)存在存在遏止電壓遏止電壓二二. .光電效應的實驗規(guī)律光電效應的實驗規(guī)律實驗表明實驗表明:對于一定顏色對于一定顏色(頻率頻率)的光的光, 無論光的強弱如何無論光的強弱如何 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，遏止電壓也會改變。遏止電壓也會改變。光電子的光電子的最大初動能最大初動能只與只與入射光的頻率有關(guān)，與入入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強弱無關(guān)。射光的強弱無關(guān)。c221eUvmce經(jīng)研究后發(fā)

4、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對于每種金屬，都相應確定的截對于每種金屬，都相應確定的截止頻率止頻率 c c 。 當入射光頻率當入射光頻率 c c 時，電時，電子才能逸出金屬表面；子才能逸出金屬表面；當入射光頻率當入射光頻率 時，才有光電子逸出 光電效應的截止頻率是：hWc0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)生的。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。四四. .愛因斯坦的光量子假設(shè)愛因斯坦的光量子假設(shè)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,榮獲1921年諾貝爾物理學獎。 愛因斯坦光子假說

5、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波動理論。4.4.光電效應理論的驗證光電效應理論的驗證 美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效應”實驗，結(jié)果在1915年證實了愛因斯坦方程，h 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。三三. .愛因斯坦的光量子假設(shè)愛因斯坦的光量子假設(shè)ceUWh0cceKeUvm：E221因為可得代入0WhEk思考與思考與討論討論:電子的動能很難直接測量，但電子的動能很難直接測量，但是截止電壓容易得到，是截止電壓容易得到，Uc與與 有什么關(guān)系有什么關(guān)系放大器放大器控制機構(gòu)控制機構(gòu)可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動報警、自

6、動跟蹤等。四四. .光電效應在近代技術(shù)中的應用光電效應在近代技術(shù)中的應用1.光控繼電器K1K2K3K4K5KA可對微弱光線進行放大，可使光電流放大105108 倍，靈敏度高，用在工程、天文、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例1.鋁的逸出功是4.2 eV，現(xiàn)在將波長200 nm的光照射鋁的表面。 （1）求光電子的最大初動能。（2）求遏止電壓。（3）求鋁的截止頻率。【解析】（1）根據(jù)愛因斯坦光電效應方程得：光電子的最大初動能為 =3.310-19J khcEW19193.3 10v2.1v1.6 10KCEUe1915344.2 1.6 10Hz=1.01 10

7、 Hz6.63 10cWh（2）根據(jù)動能定理遏止電壓為： （3）當光電子逸出時的動能為零時，再減小照射光的頻率便不能發(fā)生光電效應了，截止頻率為：例2.用不同頻率的紫外線分別照射鎢和鋅的表面而產(chǎn)生光電效應，可得到光電子最大初動能Ek隨入射光頻率v變化的Ekv圖象，已知鎢的逸出功是328eV，鋅的逸出功是334eV，若將兩者的圖象分別用實線與虛線畫在同一個Ekv圖上，則下圖中正確的是 ( )A根據(jù)光電效應方程有： 由此可知在的Ek-v圖象中，斜率表示普朗克常數(shù)h，橫軸截距大小表示該金屬極限頻率的大小，由題意可知鋅的逸出功大于鎢的逸出功，故由 可知鋅的極限頻率大于鎢的極限頻率kEhWWh1、在可見光

8、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？在可見光范圍內(nèi)，紫光的光子能量最大，因為其頻率最高。在可見光范圍內(nèi)，紫光的光子能量最大，因為其頻率最高。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的黃綠色光感覺最靈敏，因此黃綠色光應最亮。隨堂練習隨堂練習2、在光電效應實驗 （1）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？（1）當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；當入射光

9、頻率低于截止頻率時，無論光強怎么增加，都不會有光電子發(fā)射出來。 （2）入射光的頻率增加，發(fā)射的光電子最大初動能增加。隨堂練習隨堂練習3.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，用弧光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開一個角度，如圖所示，這時( )A.鋅板帶正電，指針帶負電B.鋅板帶正電，指針帶正電C.鋅板帶負電，指針帶正電D.鋅板帶負電，指針帶負電B隨堂練習隨堂練習光電效應是從鋅板中打出電子，鋅板帶正電。4.一束黃光照射某金屬表面時，不能產(chǎn)生光電效應，則下列措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應的是( )A.延長光照時間B.增大光束的強度C.換用紅光照射D.換用紫光照射D隨堂練習隨

10、堂練習應換用頻率較高的光5.關(guān)于光子說的基本內(nèi)容有以下幾點，不正確的是( )A.在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫一個光子B.光是具有質(zhì)量、能量和體積的物質(zhì)微粒子C.光子的能量跟它的頻率成正比D.光子客觀并不存在，而是人為假設(shè)的B隨堂練習隨堂練習光不是實物粒子6.關(guān)于光電效應下述說法中正確的是( )A.光電子的最大初動能隨著入射光的強度增大而增大B.只要入射光的強度足夠強，照射時間足夠長，就一定能產(chǎn)生光電效應C.在光電效應中，飽和光電流的大小與入射光的頻率無關(guān)D.任何一種金屬都有一個極限頻率，低于這個頻率的光不能發(fā)生光電效應D隨堂練習隨堂練習光電子的最大初動能與強度無關(guān)光電效應

11、的發(fā)生是瞬時的。飽和光電流與入射光的頻率有關(guān) 康普頓效應第2課時1.1.光的散射光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射2.2.康普頓效應康普頓效應 1923年康普頓在做 X 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有關(guān)，而與入射線波長 和散射物質(zhì)都無關(guān)。一一. .康普頓效應康普頓效應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 一一. .

12、康普頓效應康普頓效應康普頓正在測晶體對X 射線的散射 按經(jīng)典電磁理論： 如果入射X光是某 種波長的電磁波， 散射光的波長是 不會改變的！一一. .康普頓效應康普頓效應1.1.經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應時遇到的困難經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應時遇到的困難二二. .康普頓效應解釋中的疑難康普頓效應解釋中的疑難根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通過物質(zhì)時，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應等于入射光頻率。無法解釋波長改變和散射角關(guān)系。2.2.光子理論對康普頓效應的解釋光子理論對康普頓效應的解釋二二. .康普頓效應解釋中的疑難康普頓效應解釋中的疑難 若光子和外層電

13、子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。 因為碰撞中交換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)。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.首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設(shè)；3.證實了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?？灯?/p>

14、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“混進來了某種熒光輻射”；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?？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。三三. .康普頓散射實驗的意義康普頓散射實驗的意義1925192519261926年，吳有訓用銀的年，吳有訓用銀的X X射線射線( ( 0 0 =5.62nm) =5.62nm) 為入射線為入射線, , 以以1515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)，4.4.吳有訓對研究康普頓效應的貢獻吳有訓對研究康普頓效應的貢獻1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應的研

15、究工作.對證實康普頓效應作出了重要貢獻。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 X 射線散射實驗。射線散射實驗。0120 j j（1897-19771897-1977） 吳有訓吳有訓三三. .康普頓散射實驗的意義康普頓散射實驗的意義2mcE 2hhhPmcccchE 2chm四四. .光子的動量光子的動量hE hP 動量能量是描述粒子的,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)律1.光電效應現(xiàn)象光電效應現(xiàn)象2.光電效應實驗規(guī)律光電效應實驗規(guī)律對于任何一種金屬，都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率，才能發(fā)生光電效應，低于這個頻率就不能發(fā)生光電效應； 當入射光的頻率大于極限頻率時，光電流的強度與入射光的強度成正比；光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；入射光照到金屬上時