高中物理選修3-5：17.2光的粒子性LI

1、17.2 光的粒子性第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性一、光的波動性一、光的波動性 光是電磁波光是電磁波理論證明：麥克斯韋的經(jīng)典電磁場理論理論證明：麥克斯韋的經(jīng)典電磁場理論實驗驗證：赫茲的電火花實驗，發(fā)現(xiàn)電磁波的實驗驗證：赫茲的電火花實驗，發(fā)現(xiàn)電磁波的速度和光速相同。速度和光速相同。其它實驗證據(jù)：其它實驗證據(jù)：1、光的干涉：托馬斯、光的干涉：托馬斯楊楊 2、光的衍射：菲涅爾、光的衍射：菲涅爾3、光的偏振：馬呂斯、光的偏振：馬呂斯二、光電效應(yīng)現(xiàn)象二、光電效應(yīng)現(xiàn)象 用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，用導(dǎo)線與不帶用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，用導(dǎo)線與不帶電的驗電器相連，使驗電器張角增大到約為電的驗電器相

2、連，使驗電器張角增大到約為30度。度。 再用與絲綢磨擦過的玻璃去靠近鋅板，則驗電再用與絲綢磨擦過的玻璃去靠近鋅板，則驗電器的指針張角會變大。器的指針張角會變大。結(jié)論：結(jié)論：鋅板在射線照射下失去電子而帶正電鋅板在射線照射下失去電子而帶正電。光電效應(yīng)：光電效應(yīng)： 當(dāng)光線照射在金屬表面時，金屬中有電當(dāng)光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。 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。三、實驗研究光電效應(yīng)的規(guī)律三、實驗研究光電效應(yīng)的規(guī)律1、存在飽和電流存在飽和電流 當(dāng)當(dāng)A接正極，接正極，K

3、接負(fù)極接負(fù)極時，控制入射光的強(qiáng)度一時，控制入射光的強(qiáng)度一定，使定，使UAK從從0開始增大，開始增大，觀察到電流表的示數(shù)一開觀察到電流表的示數(shù)一開始增大，到某一數(shù)值后就始增大，到某一數(shù)值后就不再增大。不再增大。 這個最大電流就叫做這個最大電流就叫做飽和電流飽和電流。VGAAK陽極陽極陰極陰極 + - 對存在飽和電流的解釋：對存在飽和電流的解釋： K板逸出的電子向各板逸出的電子向各個方向運動，如果不加電個方向運動，如果不加電壓，很多電子無法到達(dá)壓，很多電子無法到達(dá)A板，無法形成較大電流。板，無法形成較大電流。 加上電壓后，越來越加上電壓后，越來越多的電子到達(dá)多的電子到達(dá)A板，電流板，電流越來越大。

4、越來越大。 但是，如果所有電子但是，如果所有電子都達(dá)到了都達(dá)到了A板，繼續(xù)增大板，繼續(xù)增大電壓，就無法再增大電流。電壓，就無法再增大電流。VGAAK陽極陽極陰極陰極 + - 思考思考1：如果：如果AK之間不加電壓，電流是否為之間不加電壓，電流是否為0？思考思考2：如何才能使電流為：如何才能使電流為0？2、存在遏止電壓存在遏止電壓Uc （反向截止電壓）（反向截止電壓） 當(dāng)當(dāng)A接負(fù)極，接負(fù)極，K接正極接正極時，控制入射光的強(qiáng)度一時，控制入射光的強(qiáng)度一定，使定，使UKA從從0開始增大，開始增大，觀察到電流表的示數(shù)逐漸觀察到電流表的示數(shù)逐漸減小到減小到0。 電流剛減小到電流剛減小到0時對應(yīng)時對應(yīng)的的U

5、KA叫做遏止電壓叫做遏止電壓Uc。VGAAK陽極陽極陰極陰極 - + 對存在遏止電壓的解釋：對存在遏止電壓的解釋： 加上反向電壓后，電加上反向電壓后，電子受到的電場力方向與運子受到的電場力方向與運動方向相反，電子減速。動方向相反，電子減速。 如果反向電壓足夠大，如果反向電壓足夠大，電子將無法達(dá)到電子將無法達(dá)到A板。臨界板。臨界的電壓值即為遏止電壓的電壓值即為遏止電壓Uc。 其中，其中，vc是所有光電子的最大初速度，是所有光電子的最大初速度， 是光電子的最大初動能。是光電子的最大初動能。+ + + + + + 一一 一一 一一 一一 一一 一一EEFvUKAc221eUvmcec221eUvmc

6、e IUc2OU黃光（黃光（ 強(qiáng)）強(qiáng)）黃光（黃光（ 弱）弱）實驗測得的光電效應(yīng)曲線實驗測得的光電效應(yīng)曲線藍(lán)光藍(lán)光Uc1遏遏止止電電壓壓飽和電流飽和電流Is3、存在截止頻率存在截止頻率c 當(dāng)入射光的頻率減小當(dāng)入射光的頻率減小到某一數(shù)值到某一數(shù)值c時，無論光時，無論光的強(qiáng)度多大，加上怎樣的的強(qiáng)度多大，加上怎樣的電壓，都不會有光電流。電壓，都不會有光電流。 這個臨界頻率叫做截這個臨界頻率叫做截止頻率止頻率c。VGAAK陽極陽極陰極陰極 - + 4、光電效應(yīng)的瞬時性光電效應(yīng)的瞬時性 當(dāng)入射光的頻率超過截止頻率時，無論光當(dāng)入射光的頻率超過截止頻率時，無論光如何微弱，幾乎在瞬間就會產(chǎn)生光電流。時如何微弱，

7、幾乎在瞬間就會產(chǎn)生光電流。時間間隔不超過間間隔不超過10-9s。經(jīng)典的理論無法解釋光電效應(yīng)中的一些現(xiàn)象：經(jīng)典的理論無法解釋光電效應(yīng)中的一些現(xiàn)象：推論推論1：光越強(qiáng)，光電子的初動能應(yīng)該越大，所以遏光越強(qiáng)，光電子的初動能應(yīng)該越大，所以遏止電壓止電壓Uc應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。實驗結(jié)果：遏止電壓只與光的頻率有關(guān)。對于一定顏實驗結(jié)果：遏止電壓只與光的頻率有關(guān)。對于一定顏色（頻率）的光色（頻率）的光, 無論光的強(qiáng)弱如何，遏止電壓是無論光的強(qiáng)弱如何，遏止電壓是一樣的。一樣的。推論推論2：不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都：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

8、應(yīng)存在截止頻率?？色@得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率。實驗結(jié)果：對于不同的物體，都有相應(yīng)的截止頻率。實驗結(jié)果：對于不同的物體，都有相應(yīng)的截止頻率。推論推論3：如果光很弱，電子需要很長時間才能獲得逸：如果光很弱，電子需要很長時間才能獲得逸出表面需要的能量。出表面需要的能量。實驗結(jié)果：時間小于實驗結(jié)果：時間小于10-9s四、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程四、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程1、光子、光子：光本身就是由一個個不可分割的能量子組：光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為成的，頻率為的光的能量子為的光的能量子為h。這些能量子后。這些能量子后來被稱為光子。來被稱為光子。2、電子從金屬中逃逸，

9、需要克服阻力做功、電子從金屬中逃逸，需要克服阻力做功。使電子。使電子脫離金屬所要做的脫離金屬所要做的最小最小的功，叫做金屬的的功，叫做金屬的逸出功逸出功。 不同金屬的逸出功是不同的。不同金屬的逸出功是不同的。3、一個一個電子電子一瞬間一瞬間吸收吸收一個一個光子的能量，一部分能光子的能量，一部分能量用來克服金屬的逸出功量用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動能后電子的最大初動能Ek，即：，即： 上式即為愛因斯坦的光電效應(yīng)方程。上式即為愛因斯坦的光電效應(yīng)方程。 如果電子克服阻力做功大于逸出功，則逸出后如果電子克服阻力做功大于逸出功，則逸出后電子的初動能小于最大

10、初動能。電子的初動能小于最大初動能。0kEhW影響飽和電流、遏制電壓、截止頻率的因素影響飽和電流、遏制電壓、截止頻率的因素1、只要入射光頻率超過截止頻率，只要入射光頻率超過截止頻率，飽和電流飽和電流的大小只與單位時間內(nèi)的光子數(shù)有關(guān)。的大小只與單位時間內(nèi)的光子數(shù)有關(guān)。2、截止頻率只與金屬的逸出功有關(guān)，即只與、截止頻率只與金屬的逸出功有關(guān)，即只與金屬的種類有關(guān)。金屬的種類有關(guān)。3、遏制電壓與入射光頻率和逸出功有關(guān)。、遏制電壓與入射光頻率和逸出功有關(guān)。0cWh0chWUe思考思考1：同種頻率的光射到同種金屬上，增強(qiáng)：同種頻率的光射到同種金屬上，增強(qiáng)入射光時，飽和電流、遏止電壓分別如何變?nèi)肷涔鈺r，飽和

11、電流、遏止電壓分別如何變化？化？答案：飽和電流增大，遏止電壓不變。答案：飽和電流增大，遏止電壓不變。思考思考2：相同強(qiáng)度（單位時間內(nèi)的能量）的單：相同強(qiáng)度（單位時間內(nèi)的能量）的單色光射到同種金屬上，增加入射光的頻率時，色光射到同種金屬上，增加入射光的頻率時，飽和電流、遏止電壓分別如何變化？飽和電流、遏止電壓分別如何變化？答案：飽和電流增大，遏止電壓增大。答案：飽和電流增大，遏止電壓增大。五、光電效應(yīng)方程的圖像：五、光電效應(yīng)方程的圖像：1、外加電壓和光電流的關(guān)系外加電壓和光電流的關(guān)系（同種金屬）（同種金屬） 光的強(qiáng)弱影響光的強(qiáng)弱影響飽和飽和電流電流 光的頻率影響遏制電壓光的頻率影響遏制電壓IUc

12、2OU黃光（強(qiáng)）黃光（強(qiáng)）黃光（弱）黃光（弱）藍(lán)光藍(lán)光Uc12、遏止電壓遏止電壓-入射光頻率入射光頻率：Uc-圖像圖像思考思考1：截距和斜率的物理意義分別是什么？：截距和斜率的物理意義分別是什么？思考思考2：如果將兩種不同金屬的：如果將兩種不同金屬的Uc-曲線畫在曲線畫在同一張圖像中，會是怎樣的？同一張圖像中，會是怎樣的？Uc-W0/ec0cWhUee六、光電效應(yīng)方程的驗證六、光電效應(yīng)方程的驗證 密立根設(shè)計實驗，測量金屬的遏止電壓與入射密立根設(shè)計實驗，測量金屬的遏止電壓與入射光頻率的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線斜率算出普朗克常數(shù)光頻率的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線斜率算出普朗克常數(shù)h，進(jìn)而與普朗克從黑體輻射得出的

13、，進(jìn)而與普朗克從黑體輻射得出的h相比較。相比較。實驗結(jié)論：兩種方法計算出的普朗克常數(shù)幾乎一樣，實驗結(jié)論：兩種方法計算出的普朗克常數(shù)幾乎一樣，從而證明了光子假說的正確性。從而證明了光子假說的正確性。 由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實驗規(guī)律，榮獲電效應(yīng)的實驗規(guī)律，榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎。年諾貝爾物理學(xué)獎。 密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是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(xué)獎年諾貝爾物理學(xué)獎七、康普頓效應(yīng)七、康普頓

14、效應(yīng)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。傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。2、康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 康普頓在做康普頓在做 X 射線通過物質(zhì)散射的實驗射線通過物質(zhì)散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射波長相同的射時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射波長相同的射線外，還有比入射波長更長的射線，其波長線外，還有比入射波長更長的射線，其波長的改變量與散射角的改變量與散射角有關(guān)，而與入射波長和散有關(guān)，而與入射波長和散射物質(zhì)都無關(guān)。射物質(zhì)都無關(guān)。3、康普頓散射實驗的裝置康普頓散射實驗的裝置 晶體晶體 光闌光闌X 射線管

15、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 4、康普頓效應(yīng)的解釋康普頓效應(yīng)的解釋 經(jīng)典理論：光的散射不會改變光的波長和頻率。經(jīng)典理論：光的散射不會改變光的波長和頻率。 光子模型解釋：根據(jù)動量守恒定律，發(fā)生碰撞光子模型解釋：根據(jù)動量守恒定律，發(fā)生碰撞后光子的動量會發(fā)生變化。后光子的動量會發(fā)生變化。 光子的動量與波長存在一定的關(guān)系：光子的動量與波長存在一定的關(guān)系： 發(fā)生碰撞后，光子的動量減小，即光的波長增發(fā)生碰撞后，光子的動量減小，即光的波長增大。大。 散射角不同，說明碰撞后光子的動量也不同，散射角不同，說明碰撞后光子的動量也不同，光的波長也不同

16、。光的波長也不同。pmc2hmchhpc也可以從光子能量的角度解釋康普頓效應(yīng)：也可以從光子能量的角度解釋康普頓效應(yīng)： 發(fā)生碰撞后，光子能量減小，因此光的發(fā)生碰撞后，光子能量減小，因此光的頻率減小。頻率減小。 碰撞的角度不同時，光子能量的減小也碰撞的角度不同時，光子能量的減小也不同，頻率的減小也不同。不同，頻率的減小也不同。5、康普頓效應(yīng)的意義康普頓效應(yīng)的意義(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首次在實驗上證實了“光子具有動量光子具有動量”的假的假設(shè)設(shè)(3)證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和能

17、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(fēng)順的，在他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)為散射光頻率的早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于改變是由于“混進(jìn)來了某種熒光輻射混進(jìn)來了某種熒光輻射”。 康普頓于康普頓于1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎。年獲諾貝爾物理學(xué)獎。例例1、一束黃光照射某金屬表面時，不能產(chǎn)生、一束黃光照射某金屬表面時，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則下列措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，則下列措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是光電效應(yīng)的是( )A、延長光照時間、延長光照時間B、增大光束的強(qiáng)度、增大光束的強(qiáng)度C、換用紅光照射、換用

18、紅光照射D、換用紫光照射、換用紫光照射答案：答案：D【課堂練習(xí)課堂練習(xí)】例例2、關(guān)于光電效應(yīng)下述說法中正確的是、關(guān)于光電效應(yīng)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(qiáng)度增、光電子的最大初動能隨著入射光的強(qiáng)度增大而增大大而增大B、只要入射光的強(qiáng)度足夠強(qiáng)，照射時間足夠、只要入射光的強(qiáng)度足夠強(qiáng)，照射時間足夠長，就一定能產(chǎn)生光電效應(yīng)長，就一定能產(chǎn)生光電效應(yīng)C、在光電效應(yīng)中，飽和光電流的大小與入射、在光電效應(yīng)中，飽和光電流的大小與入射光的頻率無關(guān)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、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(yīng)個頻率的光不能發(fā)生光電效應(yīng)答案：答案：D【課堂練習(xí)課堂練習(xí)】【課堂練習(xí)課堂練習(xí)】例例3、在可見光范圍內(nèi)，哪種顏色光的