2021-2022學年高二物理競賽課件：光子、光的二象性(共14張PPT)

1、光子、光的二象性一. 愛因斯坦的光量子論當普朗克還在尋找他的能量子的經(jīng)典理論的根 源時，愛因斯坦卻大大發(fā)展了能量子的概念。 普朗克把能量量子化的概念只局限于物體內(nèi)振子的發(fā)射或吸收上，并未涉及電磁輻射在空間的傳播。相反，當時認為在空間傳播的電磁輻射，其能量仍是連續(xù)分布的。這顯然是不協(xié)調(diào)的。愛因斯坦光量子假設(shè)（1905年） 愛因斯坦指出了上述不協(xié)調(diào)性。1905年提出了光量子假說：間某一小范圍的光量子（光子）組成，頻率為 的光的一個光子的能量為 = h 光子、光的二象性電磁輻射由以光速運動的、局限于空波動理論所遇到的困難 實驗規(guī)律： 1.飽和電流； 2.截止電壓 3.紅限頻率 4.瞬時效應(yīng) 經(jīng)典電磁

2、理論：光波的強度(能量) 越大，電子吸收的能量越多，越能夠達到陽極。截止電壓應(yīng)與光強有關(guān)。光波的能量與振幅的平方成正比，與頻率無關(guān)，電子吸收的能量也與頻率無關(guān)，因此不應(yīng)該存在截止頻率；要打出電子只需克服逸出功。光波的能量分布在波面上，陰極里的電子積累能量克服逸出功需要一段時間，光電效應(yīng)不可能瞬時發(fā)生！愛因斯坦光量子假設(shè)（1905年）光量子假說： 電磁輻射由以光速運動的、局限于空間某一小范圍的光量子（光子）組成，頻率為 的光的一個光子的能量為 = h(1)光是由光子組成的光子流，每個光子以光速運動，光的能量集中于一顆顆的光子上。(2)光子的能量和其頻率成正比 光量子具有“整體性” 光的發(fā)射、傳播

3、、吸收都是量子化的(3)光子具有“整體性”一個光子只能“整個地”被電子吸收或放出。解釋：二.光子理論對光電效應(yīng)的解釋光強N：光子數(shù)密度一束光就是以速率 c 運動的一束光子流。 光照射到金屬表面時，一個光子的能量可以立即被金屬中的一個自由電子吸收 但只有當入射光的頻率足夠高，以致每個光子的能量 h足夠大時，電子才有可能克服逸出功 A (work function 電子逸出金屬表面時克服阻力而做的功) 逸出金屬表面。 逸出的電子的最大初動能為-愛因斯坦光電效應(yīng)方程光強光強I N 單位時間打出光電子多Im 光子打出光電子是瞬時發(fā)生的在確定的光強下，能夠打出的最大電子數(shù)就是 N 存在飽和電流Im紅限

4、截止電壓或光電子的最大初動能與頻率成正比,與光強無關(guān)。h A 時才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，所以存在： 不發(fā)生光電效應(yīng)，當 A/h 時，光量子假設(shè)解釋了光電效應(yīng)的全部實驗規(guī)律！但是光量子理論在當時并未被物理學界接受，普朗克在推薦愛因斯坦為柏林科學院院士時說 “ 光量子假設(shè)可能是走得太遠了?！?916年密立根（R.A.Milikan）做了精確的光電效應(yīng)實驗，利用Uc 的直線斜率K，這和當時用其他方法定出的h符合得很好。從而進一步證實了愛因斯坦的光子理論。盡管如此，密立根還是認為光子理論是完全站不住腳的。被人們接受是相當困難的?？梢姡粋€新思想要定出h = 6.5610-34J.s。光電效應(yīng)的研究歷經(jīng)三十年

5、，有三人榮獲諾貝爾物理獎萊納德 發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象 1905年愛因斯坦 理論解釋 1921年密立根 實驗證實 1923年愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的理論解釋和對理論物理學的貢獻， 獲得1921年諾貝爾物理學獎1879 1955密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位，獲得1923年諾貝爾物理學獎1868 1953光的波粒二象性1. 近代關(guān)于光的本性的認識光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。波動性：光是電磁波，有干涉、衍射現(xiàn)象粒子性：光是光子流，光子具有粒子的 一切屬性- 質(zhì)量、能量、動量。 有些情況下(傳播過程中，能量小) 波動性突出有些情況下(和物質(zhì)相互

6、作用時，能量、動量大) 粒子性突出 2. 基本關(guān)系式粒子性描述：能量E 動量P 質(zhì)量m 波動性的描述：波長 頻率式中波矢量光作為電磁波是彌散在空間而連續(xù)的;光作為粒子在空間中是集中而分立的.m =hc2光子質(zhì)量 靜質(zhì)量m0 = 0 動質(zhì)量 光子能量 光子動量 統(tǒng)一于概率波理論光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強度決定，光子是分立的，光強分布可以是連續(xù)的。 利用光電效應(yīng)可以制成光電管、光電二極管、光電倍增管、光電攝像管、光敏電阻、光電池等光電元器件，它們廣泛應(yīng)用于自動控制和電影、電視及其它等領(lǐng)域。 對于光的本質(zhì)的認識和量子論的發(fā)展曾起過重要的作用。 分析光電效應(yīng)所產(chǎn)生的光電子能譜，已經(jīng)成為一種有效的表面分析手段。光電效應(yīng)的意義例在某金屬的光電效應(yīng)