光的粒子性新課

1、關(guān)于光的粒子性新課現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁，共31頁用弧光燈照射擦得很亮用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，的鋅板，( (注意用導(dǎo)線與注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連不帶電的驗(yàn)電器相連），），使驗(yàn)電器張角增大到約使驗(yàn)電器張角增大到約為為 3030度時(shí)，再用與絲度時(shí)，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指近鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會變大。針張角會變大。一、光電效應(yīng)現(xiàn)象一、光電效應(yīng)現(xiàn)象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現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁，共31頁光照不變，增大光照不變，增大UAK，G表中電流達(dá)表中電流達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值。到某一值后

2、不再增大，即達(dá)到飽和值。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)射的電發(fā)射的電子數(shù)目一定。子數(shù)目一定。實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)驗(yàn)表明：對于一定對于一定顏色顏色的光，入射光的光，入射光越越強(qiáng)強(qiáng)，飽和電流，飽和電流越越大，單位時(shí)間內(nèi)大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)發(fā)射的光電子數(shù)越多越多。VGAK陽極陽極陰極陰極現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁，共31頁：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(yùn)速度方向相反，光電子作減速運(yùn)動。若動。若c221eUvmcecv速率最大的是U=0時(shí)，

3、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存在存在遏止電壓遏止電壓EEUFKA現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁，共31頁IIsUaOU黃光（黃光（ 強(qiáng)）強(qiáng)）黃光（黃光（ 弱）弱）光電流與電壓的關(guān)系光電流與電壓的關(guān)系遏遏止止電電壓壓飽飽和和電電流流藍(lán)光藍(lán)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實(shí)驗(yàn)表明，對于一定顏色（頻率）的光，無論光強(qiáng)如可，遏止電壓都是一樣的，光的頻率改變時(shí)，遏止電壓也會變。這表明，光電子的能量只與入射光的顏色（頻率）有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五頁，共31頁實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4、：即使入射光的強(qiáng)度非實(shí)驗(yàn)結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，常微弱，電流表指針電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。更精確的研究推知，光電子發(fā)射所更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過的時(shí)間不超過經(jīng)過的時(shí)間不超過10109 9 秒秒（這個(gè)（這個(gè)現(xiàn)象一般稱作現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時(shí)發(fā)光電子的瞬時(shí)發(fā)射射”）。）。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陽極陽極陰極陰極現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁，共31頁： 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁，共31頁 以上三個(gè)結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾的，所以無以上三個(gè)結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾的，所以無法用經(jīng)典的波動理論來解釋光電效應(yīng)。法

5、用經(jīng)典的波動理論來解釋光電效應(yīng)。使電子脫離某種金屬所做功的最小值，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)，光電子的初動能應(yīng)該越大，所以遏止電壓光越強(qiáng)，光電子的初動能應(yīng)該越大，所以遏止電壓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)，電子都可獲得足不管光的頻率如何，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。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，電子需幾分鐘到如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能獲得逸出表面所需

6、的能量，這個(gè)時(shí)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)大于間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10 S。-9實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明:對于一定顏色對于一定顏色(頻率頻率)的光的光, 無無論光的強(qiáng)弱如何論光的強(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，是由于受到溫度不很高時(shí)，電子不能大量逸出，是由于受到金屬表面層的引力作用，電子要從金屬中掙脫出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。來，必須克服這個(gè)引力做功。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁，共31頁光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為的能量子組成的，頻率為的的光的能量子為光的能量子

7、為h。這些能量子。這些能量子后來被稱為后來被稱為光子光子。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了啟愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：發(fā)，他提出：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁，共31頁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或光電子最大初動能光電子最大初動能 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，一部分能量用后，一部分能量用來克服金屬的逸出功來克服金屬的逸出功，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能的初動能Ek，即：，即：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁，共

8、31頁3.3.光子說對光電效應(yīng)的解釋光子說對光電效應(yīng)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與入與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。只有當(dāng)射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。只有當(dāng)hh 時(shí)，才有光電子逸出，時(shí)，才有光電子逸出， 就是光電就是光電效應(yīng)的截止頻率。效應(yīng)的截止頻率。hWc0電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累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)生的。能量的時(shí)間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。光強(qiáng)較大時(shí)，包含的光子數(shù)較多，照射金屬光強(qiáng)較大時(shí)，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。時(shí)產(chǎn)

9、生的光電子多，因而飽和電流大?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁，共31頁由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)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)律的實(shí)驗(yàn)規(guī)律, ,榮獲榮獲19211921年諾貝爾物理學(xué)獎年諾貝爾物理學(xué)獎。 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`背了光的波動理論。被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動理論。 美國物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了美國物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)光電效應(yīng)”實(shí)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦方程，年證實(shí)了愛因斯坦方

10、程，h 的值與理論值的值與理論值完全一致，又一次證明了完全一致，又一次證明了“光量子光量子”理論的正確。理論的正確。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁，共31頁愛因斯坦由于愛因斯坦由于對對光電效應(yīng)光電效應(yīng)的理論解釋和對的理論解釋和對理論物理理論物理學(xué)學(xué)的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn)獲得獲得1921年諾貝年諾貝爾物理學(xué)獎爾物理學(xué)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(yīng)光電效應(yīng)，特別是通過著名，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。小單位。獲得獲得19231923年諾貝爾年諾貝爾物理學(xué)獎物理學(xué)獎?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁，共31頁放大器放大器控制機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)K1K2K3K4K5KA。

11、現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁，共31頁應(yīng) 用 光電管光電源電流計(jì)IAK現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁，共31頁 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)第第2課時(shí)課時(shí)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁，共31頁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)象叫做這種現(xiàn)象叫做光的散射光的散射2.2.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)散射的實(shí)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相同的射線驗(yàn)時(shí)，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，其波長的改變外，還有比入射線波長更長的射線，其

12、波長的改變量與散射角量與散射角有關(guān)，而與入射線波長有關(guān)，而與入射線波長 和散射物質(zhì)都和散射物質(zhì)都無關(guān)無關(guān)。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁，共31頁3.3.康普頓散射的實(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 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁，共31頁 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！現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁，共31頁康普頓散射曲線的特點(diǎn)：康普頓散射曲線的特點(diǎn)： a.除原波長除

13、原波長 0外出現(xiàn)了移向長外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長波方向的新的散射波長 。 b.新波長新波長 隨散射角的增大而隨散射角的增大而增大。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。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 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁，共31頁稱為電子的稱為電子的Compton波長波長)cos1 ( c只有當(dāng)入射波長只有當(dāng)入射波長 0與與 c可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用因此要用X射線才能觀察到射線才

14、能觀察到康普頓散射，用可見光觀察康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。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 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射線的波長射線的波長 0 0 無關(guān)，無關(guān)，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（實(shí)驗(yàn)值）（實(shí)驗(yàn)值）現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁，共31頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁，共31頁 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁，共31頁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)； 2.2.首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動量光子具有動量”的假設(shè)；的假設(shè)；3.3.證實(shí)了證實(shí)了在微觀世界

15、的單個(gè)碰撞事件中，動量和能在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。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)識到還要用動量守恒。考慮能量守恒，后來才認(rèn)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?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁，共31頁康康普普頓頓效效應(yīng)應(yīng)康康普普頓頓效效應(yīng)應(yīng)康普頓康普頓,1927年獲

16、諾貝爾物理學(xué)獎年獲諾貝爾物理學(xué)獎(1892-1962)美國物理學(xué)家美國物理學(xué)家現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁，共31頁19251926年，吳有訓(xùn)用銀的年，吳有訓(xùn)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)，4.吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了對證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。重要貢獻(xiàn)。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(qiáng)度，作各種波長的散射光強(qiáng)度，作了大量了大量 X 射線散射實(shí)驗(yàn)。射線散射實(shí)驗(yàn)。0120 （1897-19771897-1977） 吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁，共31頁2mcE hchcchmcP2hE 2chm現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁，共31頁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現(xiàn)在學(xué)習(xí)的