172光的粒子性課件

1、第十七章 波粒二象性 第二節(jié) 光的粒子性人教版選修人教版選修3-5問題：問題：回顧前面的學習，總結人類對回顧前面的學習，總結人類對光的本性的認識的發(fā)展過程？光的本性的認識的發(fā)展過程？ 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，(注意用導線與不帶注意用導線與不帶電的驗電器相連），電的驗電器相連），使驗電使驗電 器張角增大到約為器張角增大到約為 30度時，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。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一、光電效應的實驗規(guī)一、光電效

2、應的實驗規(guī)律律 當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為逸出的現(xiàn)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 1、什么是光電效應、什么是光電效應2 2、光電效應實驗、光電效應實驗規(guī)律規(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(shù)目一定。電子數(shù)目一定。實驗表明：實驗表明：入射光越強，

3、飽和電流越大，單位時間內發(fā)射的光入射光越強，飽和電流越大，單位時間內發(fā)射的光電子數(shù)越多。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UCE

4、EUFKAIIsUaOU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:對于一定對于一定顏色顏色(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 改變改變是，是，遏止電壓也會改變。遏止電壓也會改變。(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入射光的頻

5、率有關，有關，與入射光的強弱無關。與入射光的強弱無關。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 c對于每種金屬，對于每種金屬，都相應確定的截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，電子時，電子才能逸出金屬才能逸出金屬表面；表面；當入射光頻率當入射光頻率 WW0 0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

6、。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。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

7、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”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年諾貝年諾貝爾物

8、理學獎爾物理學獎思考與討論思考與討論ceUWh0cceKeUvm：E221因為可得代入0WhEk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大，可對微弱光線進行放大，可使光電流放大可使光電流放大10105 510108 8 倍，靈敏度高，用在工倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事程、天文、科研、軍事等方面等方面。2 2、光電倍增管、光電倍增管四、光電效應在近代技術中的應用四、光電效應在近代技術中的應用應 用光電管光電源電流計IAK1、

9、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(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 射線通過物質散射的射線通過物質散射的實驗時，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，而與入射線波長有關，而與入射線波長 和散射物質都無關和散射物質都無關。四、康普頓效應四、康普頓效應2、康普頓效應、康普頓效應3 3、康普頓散射的實驗裝置

10、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(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。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

11、。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，而與散射物質種類及而與散射物質種類及入射的入射的X X射線的波長射線的波長 0 0 無關，無關，

12、0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（實驗值）（實驗值）1 1、經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應時、經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應時遇到的困難遇到的困難 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通過物質根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通過物質時，物質中帶電粒子將作受迫振動，時，物質中帶電粒子將作受迫振動，其頻率其頻率等于入射光頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的，所以它所發(fā)射的散射光頻散射光頻率率應等于應等于入射光頻率入射光頻率。 無法解釋波長改變和散射角關系。無法解釋波長改變和散射角關系。五、康普頓效應解釋中疑難五、康普頓效應解釋中疑難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 若光

13、子和外層電子相碰撞，光子有一部分能若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，量傳給電子，散射光子散射光子的能量減少，于是的能量減少，于是散射散射光光的波長大于的波長大于入射光入射光的波長。的波長。 若光子和束縛很緊的內層電子相碰撞，光子若光子和束縛很緊的內層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子質量遠小于將與整個原子交換能量，由于光子質量遠小于原子質量，根據(jù)碰撞理論，原子質量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光子能量碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。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，因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，所以波長改變和散射角有關。所以波長改變

14、和散射角有關。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。和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，在他早期的幾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篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于“混進混進來了某種熒光輻射來了某種熒光輻射”；在計算中起先只考慮能量守恒，；在計算中起先只考慮能量守恒，后來

15、才認識到還要用動量守恒。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。六、康普頓散射實驗的意義六、康普頓散射實驗的意義康普頓康普頓,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康普頓效應康普頓效應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)康普頓效應的研究工作年，參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應的研究工作.

16、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七、光子的動量七、光子的動量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)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

17、限頻率，入射光的對于任何一種金屬，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；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；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，只隨著光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨著入射光的頻率增大而增大；入射光的頻率增大而增大； 入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不超過一般不超過10-

18、9秒秒.（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，原來不帶電的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，如圖所板時，驗電器的指針就張開一個角度，如圖所示，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課堂練習課堂練習2 2、一束黃光照射某金屬表面時，不能產(chǎn)生光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)生光電電效應，則下列措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應的是效應的是( )( )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D3