第1節(jié)光電效應

1、赫茲赫茲 隨著赫茲證實了電磁波的存隨著赫茲證實了電磁波的存在之后，當時又出現(xiàn)了一個在之后，當時又出現(xiàn)了一個無法用電磁理論解釋的現(xiàn)象無法用電磁理論解釋的現(xiàn)象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、光電效應現(xiàn)象一、光電效應現(xiàn)象表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電光電效應1 1 定義：定義：在光的照射下，物體表面發(fā)出電子的現(xiàn)象在光的照射下，物體表面發(fā)出電子的現(xiàn)象 叫做叫做光電效應光電效應。發(fā)射出來的電子叫。發(fā)射出來的電子叫光電子光電子。猜想猜想: :具備哪些條件才可能發(fā)發(fā)生光

2、電效應規(guī)律具備哪些條件才可能發(fā)發(fā)生光電效應規(guī)律, ,要發(fā)生與哪些因素有關要發(fā)生與哪些因素有關? ? 一、光電效應1 1）與光的強度有關嗎）與光的強度有關嗎? ?2 2）與光的顏色即與光的頻率有關嗎？）與光的顏色即與光的頻率有關嗎？3 3）與光照射時間有關嗎？）與光照射時間有關嗎？4 4）與被照射的材料有關嗎？）與被照射的材料有關嗎？1 1、產(chǎn)生光電效應的條件2 2、光電子最大初動能4、光電流強度的決定3 3、光電效應產(chǎn)生的時間二、光電效應規(guī)律 如圖所示裝置，不同單色光照射不同金屬，要產(chǎn)生光電效應，必須有一個最低頻率。 如鋅板用紫外線紫外線照射，能產(chǎn)生光電效應，用黃黃光光照射則不能產(chǎn)生光電效應。

3、實驗結論 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產(chǎn)生光電效應，低于這個頻率的光，無論光強怎樣大，也不能產(chǎn)生光電效應。1 1、產(chǎn)生光電效應的條件、產(chǎn)生光電效應的條件(1)最大初動能的概念(2)最大初動能的測定(3)最大初動能的結論 2、光電子最大初動能 光電效應中從金屬出來的電子，有的從金屬表面直接飛出，有的從內(nèi)部出來沿途與其它粒子碰撞，損失部分能量，因此電子速度會有差異，直接從金屬表面飛出的速度最大，其動能為最大初動能。(1)最大初動能的概念VV(2) 最大初動能的測定 實驗電路如圖甲（其中單色光的入口C用石英窗），用來測定光電子的最大初動能。當圖中電流表G讀數(shù)為

4、零時，伏特表V中的讀數(shù)就是圖乙中的U。+ + + +- U乙甲 設光電子的最大初動能為1/2 mv2，若光電子置于左圖勻強場中，則光電子作勻減速直線運動。m , e 在電子運動的位移上，設電勢差為U，電子電量為e，當eU= 1/2 mv2,電場對光電子做負功，光電子的動能將變?yōu)榱?所以eU就代表光電子的最大初動能 （3）最大初動能的結論 光電子的最大初動能與入射光強度無關，只隨入射光的頻率增大而增大。 精確的實驗表明:甲 圖中發(fā)射光電子的陰極K，它相對圖中A極電勢可正可負。 現(xiàn)將圖中電源正負極反接（正向電壓）移動P適當調(diào)整AK間初始電壓，使光電子一旦飛出，電流表G指針就偏轉，以便了解入射光照射

5、多長時間才產(chǎn)生光電效應。實實驗驗結結果果 即使入射光強度非常弱，只要入射光頻率大于極限頻率，電流表指針也幾乎隨著入射光照射立即偏轉，精確實驗表明，光電子光電子發(fā)射至光電流產(chǎn)最多相差發(fā)射至光電流產(chǎn)最多相差10-9秒。秒。甲3、光電效應產(chǎn)生的時間4 4、光電流強度的決定、光電流強度的決定 按圖裝置，移動P使伏特表有一定讀數(shù)，用一定強度的光照射K，電流表中有一定讀數(shù)，這時改變K、A之間的電壓，使其增大，電流表顯示光電流在增大。但是，當K、A間電壓足夠大后，電流表讀數(shù)不再改變，這就是飽和光電流。表明光電效應中產(chǎn)生的光電子已能全部到達A極。所以升高電壓電流也不會再增大。此時若再增大照射光強度，光電流會隨

6、之增大。 當入射光的頻率大于極限頻率時， 光電流強度與入射光的強度成正比。光電流強度與入射光的強度成正比。多次實驗結論是多次實驗結論是:二、二、 光電效應規(guī)律光電效應規(guī)律 1 1）光電效應的發(fā)生幾乎是瞬時的，時間不超過）光電效應的發(fā)生幾乎是瞬時的，時間不超過10109 9s.s.2 2）任何金屬都有一個能產(chǎn)生光電效應的最低照射）任何金屬都有一個能產(chǎn)生光電效應的最低照射光頻率，叫做光頻率，叫做極限頻率極限頻率3 3）光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增）光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大，而與入射光強度無關。大，而與入射光強度無關。4 4）光電流強度與入射光的強度成正比）光電流強度與

7、入射光的強度成正比得出結論得出結論:光電效應的發(fā)生與否光電效應的發(fā)生與否,與光的強弱無關與光的強弱無關,與照射時間的長短無關與照射時間的長短無關,與光的頻率、金屬材料與光的頻率、金屬材料的種類有關。的種類有關。 思考思考為什么說光的波動理論無法解釋光電效應的規(guī)律？為什么說光的波動理論無法解釋光電效應的規(guī)律？ 回想一下回想一下光的波動理光的波動理論是怎樣描論是怎樣描述光的能量述光的能量的呢？的呢？三三、波動理論對光電效應的解釋的困難：、波動理論對光電效應的解釋的困難：1 1、波動理論無法解釋極限頻率、波動理論無法解釋極限頻率2 2、光電子最大初動能的大小應與光強有關，、光電子最大初動能的大小應與

8、光強有關，與頻率無關與頻率無關 波動理論在解釋光電效應時的矛盾波動理論在解釋光電效應時的矛盾3 3、弱光照射時應有能量積累過程，不應瞬、弱光照射時應有能量積累過程，不應瞬時發(fā)生時發(fā)生光的波動理論在解釋光電效應光的波動理論在解釋光電效應時遇到了巨大的困難。后來，時遇到了巨大的困難。后來，愛因斯坦在普朗克量子化理論愛因斯坦在普朗克量子化理論的啟發(fā)下，提出了光子學說的啟發(fā)下，提出了光子學說普朗克普朗克愛因斯坦愛因斯坦hE 四四、量子假說、量子假說 光子：光子：普朗克的量子假說：普朗克的量子假說： 在微觀世界里，物理量的取值很多時候在微觀世界里，物理量的取值很多時候是不連續(xù)的，只能取一些分立的值，這稱

9、為是不連續(xù)的，只能取一些分立的值，這稱為量子化現(xiàn)象量子化現(xiàn)象。愛因斯坦的光子假說：愛因斯坦的光子假說： 在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個一份的，每一份叫做一個光量子光量子，簡稱，簡稱光子光子，光子的能量光子的能量E 跟光的頻率跟光的頻率成正比成正比。 光子的能量光子的能量 Eh 其中其中h是一個常量，叫普朗克常量：是一個常量，叫普朗克常量： h=6.631034J.s五五、光電方程、光電方程 光子說對光電效應的解釋：光子說對光電效應的解釋：2. 在光電效應中，入射光的能量等于出射的光電子在光電效應中，入射光的能量等于出射的光電子的最大初

10、動能與逸出功之和：的最大初動能與逸出功之和： 即：即： 或或 這叫這叫愛因斯坦光電效應方程愛因斯坦光電效應方程，簡稱，簡稱光電方程光電方程1. 使金屬表面的電子能掙脫原子核的引力而逸出成使金屬表面的電子能掙脫原子核的引力而逸出成為光電子所需做的功叫為光電子所需做的功叫逸出功逸出功WhEkmWEhkm0hW （4 4）. .從光電效應方程中，當初動能為零時，從光電效應方程中，當初動能為零時，可得極極限頻率：可得極極限頻率：（1 1）. . 光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。多，所以光電流也大。 3.3.愛因斯坦對光電效應的解釋：愛因斯坦對光電效應

11、的解釋：（2 2）. . 電子只要吸收一個光子就可以從金屬電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時間的累積。表面逸出，所以不需時間的累積。 （3 3）. . 從方程可以看出光電子初動能和照射從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關系光的頻率成線性關系( )( )WhEkm部分金屬的極限頻率和波長部分金屬的極限頻率和波長由于由于愛因斯坦愛因斯坦提出的提出的光子假說成功地說明了光電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

12、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。4.4.光電效應理論的驗證光電效應理論的驗證 美國物理學家美國物理學家密立根密立根，花了十年時間做了花了十年時間做了“光電效光電效應應”實驗實驗，結果，結果在在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

13、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，特別是通過著名的的油滴實驗，證明電荷有最油滴實驗，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獎爾物理學獎。放大器放大器控制機構控制機構 可以用于自動控可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。報警、自動跟蹤等。1.1.光控繼電器光控繼電器K1K2K3K4K5KA可對微弱光線進行放可對微弱光線進行放大，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?？蒲小④娛碌确矫?。2.2.光電倍增管光電倍增管六

14、六. .光電效應在近代技術中的應用光電效應在近代技術中的應用光電管光電管1 1、_的現(xiàn)象稱為光電效應，發(fā)射的現(xiàn)象稱為光電效應，發(fā)射出來的電子叫出來的電子叫_ 。物體在物體在光的照射下發(fā)射電子光的照射下發(fā)射電子光電子光電子鞏固練習：鞏固練習：2 2、光電管的作用是把、光電管的作用是把 _ _ 信號轉變?yōu)樾盘栟D變?yōu)開信號。由信號。由于光電管發(fā)生光電效應而在電路中形成的電流叫于光電管發(fā)生光電效應而在電路中形成的電流叫_。光光電電光電流光電流3、在演示光電效應的實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈、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，驗電器指針張開一敏驗電器相

15、連，用弧光燈照射鋅板時，驗電器指針張開一個角度，如圖所示，這時個角度，如圖所示，這時 ( )A鋅板帶正電，指針帶負電鋅板帶正電，指針帶負電B鋅板帶正電，指針帶正電鋅板帶正電，指針帶正電C鋅板帶負電，指針帶正電鋅板帶負電，指針帶正電D鋅板帶負電，指針帶負電鋅板帶負電，指針帶負電B5、已知銫的極限頻率為、已知銫的極限頻率為4.5451014Hz，鈉為，鈉為6.01014Hz，銀為銀為1.1531015Hz，鉑為，鉑為1.5291015Hz，當用波長為，當用波長為375nm的光照射它們時，可發(fā)生光電效應的是的光照射它們時，可發(fā)生光電效應的是_。（光速（光速c=3.0108m/s，光速與波長、頻率的關

16、系：，光速與波長、頻率的關系：c =f ）銫和鈉銫和鈉4、若用綠光照射某種金屬板不能發(fā)生光電效應，則下列哪、若用綠光照射某種金屬板不能發(fā)生光電效應，則下列哪一種方法可能使該金屬發(fā)生光電效應（一種方法可能使該金屬發(fā)生光電效應（ ）A. 增大入射光的強度增大入射光的強度B. 增加光的照射時間增加光的照射時間C. 改用黃光照射改用黃光照射D. 改用紫光照射改用紫光照射D6、某種頻率的光射到金屬表面上時，金屬表面有電子逸出，、某種頻率的光射到金屬表面上時，金屬表面有電子逸出，若光的頻率不變而強度減弱，那么下述結論中正確的是若光的頻率不變而強度減弱，那么下述結論中正確的是A光的強度減弱到某一數(shù)值時，就沒

17、有電子逸出光的強度減弱到某一數(shù)值時，就沒有電子逸出 B逸出的電子數(shù)一定減少逸出的電子數(shù)一定減少C逸出的電子數(shù)有可能增加逸出的電子數(shù)有可能增加 D逸出的電子數(shù)有可能不變逸出的電子數(shù)有可能不變B7、下列關于光電效應的說法正確的是（、下列關于光電效應的說法正確的是（ ）A光電子的動能隨照射光頻率的增大而增大光電子的動能隨照射光頻率的增大而增大 B光電子的初速度與照射光的頻率成正比光電子的初速度與照射光的頻率成正比C光電子的最大初動能與照射光的頻率成正比光電子的最大初動能與照射光的頻率成正比D光電子的最大初動能隨照射光頻率的增大而增大光電子的最大初動能隨照射光頻率的增大而增大8、用綠光照射一光電管能產(chǎn)

18、生光電效應，欲使光電子從陰、用綠光照射一光電管能產(chǎn)生光電效應，欲使光電子從陰極逸出時的最大初動能增大應（極逸出時的最大初動能增大應（ ）A改用紅光照射改用紅光照射 B增大綠光的強度增大綠光的強度C增大光電管上的加速電壓增大光電管上的加速電壓 D改用紫光照射改用紫光照射DD9、已知某單色光的波長為、已知某單色光的波長為，在真空中的傳播速度為，在真空中的傳播速度為c，普朗，普朗克常量為克常量為h，則該電磁波輻射的能量子的值為，則該電磁波輻射的能量子的值為( )Ahc / Bh/c Ch / Dhc10、某激光器能發(fā)射波長為、某激光器能發(fā)射波長為的激光，發(fā)射功率為的激光，發(fā)射功率為P，真空，真空中光

19、速為中光速為c，普朗克常量為，普朗克常量為h，則該激光器每秒發(fā)射的光量，則該激光器每秒發(fā)射的光量子數(shù)為子數(shù)為 ( )A. P / hc B. hP/c C. cP / h D. hP / c AA11、三種不同的入射光線甲、乙、丙分別照射在三種不同的、三種不同的入射光線甲、乙、丙分別照射在三種不同的金屬金屬a、b、c上，均恰能使金屬中逸出光電子。已知三種光線上，均恰能使金屬中逸出光電子。已知三種光線的波長的波長甲甲乙乙丙丙，則：，則：A、用三種入射光照射金屬、用三種入射光照射金屬a ，均可發(fā)生光電效應，均可發(fā)生光電效應B、用三種入射光照射金屬、用三種入射光照射金屬c ，均可發(fā)生光電效應，均可發(fā)

20、生光電效應C、用入射光甲和乙同時照射金屬、用入射光甲和乙同時照射金屬c，可能發(fā)生光電效應，可能發(fā)生光電效應D、用入射光甲照射金屬、用入射光甲照射金屬b ，可能發(fā)生光電效應，可能發(fā)生光電效應A 12、用波長為、用波長為的單色光照射某金屬逸出光電子的最大初動的單色光照射某金屬逸出光電子的最大初動能為用波長為能為用波長為2的單色光照射該金屬逸出電子的最大初動能的單色光照射該金屬逸出電子的最大初動能的的n倍倍,則能使該金屬發(fā)生光電效應的最大波長是多少則能使該金屬發(fā)生光電效應的最大波長是多少?13、波長為、波長為0.17m的紫外線照射至金屬筒上能使其發(fā)射的紫外線照射至金屬筒上能使其發(fā)射光電子，光電子在磁

21、感強度為光電子，光電子在磁感強度為B的勻強磁場中，做最大半徑的勻強磁場中，做最大半徑為為r的勻速圓周運動時，已知的勻速圓周運動時，已知 rB=5.610-6Tm，光電子質(zhì)，光電子質(zhì)量量m=9.110-31Kg，電量，電量e =1.610-19C，求：，求： (1)每個光電子的最大初動能；每個光電子的最大初動能； (2)金屬筒的逸出功金屬筒的逸出功(1)4.4110-19J (2)7.310-19J14.可見光子的能量有多大？求波長是0.4微米的可見光子和波長為10-7微米的射線光子的能量?(用電子伏特作為能量單位)15. 使鋅產(chǎn)生光電效應的最長波長是0.3720微米，鋅的逸出功是多少？ 第第2

22、 2節(jié)節(jié) 康普頓效應康普頓效應康普頓康普頓(1892-1962)(1892-1962)-美國物理學家美國物理學家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,因而傳播方向因而傳播方向發(fā)生改變發(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 19231923年康普頓在做年康普頓在做 X 射線通過物質(zhì)散射的實驗時，射線通過物質(zhì)散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，除有與入射線波長相同的射線外，還有還有比入射線波長更長比入射線波長更長的射線的射線，其波長的改變量與其波長的改變量與散射角散射角有關有關，而與入射線波長和散射物質(zhì)都無關而與

23、入射線波長和散射物質(zhì)都無關。一一. .康普頓效應康普頓效應2.2.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 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！康普頓正在測晶體康普頓正在測晶體對對X 射線的散射射線的散射4.經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應時遇到的困難（2 2）. .無法解釋波長改變和散射角的關系無法解釋波長改變和

24、散射角的關系。（1 1）. .根據(jù)經(jīng)典電磁波理論根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通，當電磁波通過物質(zhì)時，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動過物質(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，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的的散射光頻率應等于入射光頻率散射光頻率應等于入射光頻率。二、二、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 康普頓效應是康普頓效應是光子和電子作彈性碰撞光子和電子作彈性碰撞的結的結果，具體解釋如下：果，具體解釋如下：2. 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光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子將與整個原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠

25、小由于光子質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光子碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。能量幾乎不變，波長不變。1. 若光子和外層電子相碰撞，若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分光子有一部分能量傳給電子能量傳給電子,散射光子的能量減少散射光子的能量減少，于是，于是散散射光的波長大于入射光的波長射光的波長大于入射光的波長（根據(jù)（根據(jù)E=h)。 3. 因為因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，所以，所以波長改變和散射角有關波長改變和散射角有關。三三. .康普頓散射實驗的意義康普頓散射實驗的意義（1 1）有力地支持了愛因斯坦）有力地支持

26、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，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。動量和能量守恒定律仍然是成立的?？灯疹D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，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

27、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。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(zhì)，種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，四、吳有訓對研究康普頓效應的貢獻四、吳有訓對研究康普頓效應的貢獻1923年年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應的研究工作參加了發(fā)現(xiàn)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（189

28、7-19771897-1977） 吳有訓吳有訓2 = mc = hhp = mc =p 1926年德國物理學家波恩提出了概率波，認為個別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性，但大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。光的強弱對應于光子的數(shù)目，明紋處達到的光子數(shù)多，明紋表示光子達到的概率大。暗紋反之。3.德布羅意波的統(tǒng)計解釋7個電子100個電子300020000一個一個電子依次入射雙縫的衍射實驗：70000體現(xiàn)了粒子性體現(xiàn)了波動性粒子出現(xiàn)的概率高粒子出現(xiàn)的概率低 雖然不能肯定某個光子落在哪一點，但在屏上各處明暗不同可以推知，光子落在各點的概率是不一樣的，即光子落在明紋處的概率大，落在暗處的概率小