光譜分析在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用

光譜分析在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用第一頁，共四十一頁，2022年，8月28日光的本性1672牛頓微粒說T/年惠更斯波動說1690麥克斯韋電磁說18641905愛因斯坦光子說波動性粒子性1801托馬斯·楊雙縫干涉實驗1814菲涅耳衍射實驗赫茲電磁波實驗1888赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)牛頓微粒說占主導(dǎo)地位波動說漸成真理……….第二頁，共四十一頁，2022年，8月28日2.2涅槃鳳凰再飛翔第三頁，共四十一頁，2022年，8月28日用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(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(yīng)現(xiàn)象表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電第四頁，共四十一頁，2022年，8月28日用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(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。。表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電一.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律第五頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.什么是光電效應(yīng)

當(dāng)光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。一.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律光電子定向移動形成的電流叫光電流第六頁，共四十一頁，2022年，8月28日一.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律2.光電效應(yīng)實驗規(guī)律（1）存在飽和電流光照不變，增大UAK，G表中電流達到某一值后不再增大，即達到飽和值。因為光照條件一定時，K發(fā)射的電子數(shù)目一定。實驗表明：入射光越強，飽和電流越大，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。陽極陰極第七頁，共四十一頁，2022年，8月28日：使光電流減小到零的反向電壓－++++++

一一一一一一v加反向電壓，如右圖所示：光電子所受電場力方向與光電子速度方向相反，光電子作減速運動。若最大的初動能U=0時，I≠0，因為電子有初速度則I=0，式中UC為遏止電壓一.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律(2)存在遏止電壓和截止頻率a.存在遏止電壓UCEEUFKA第八頁，共四十一頁，2022年，8月28日IIsUaOU黃光（強）黃光（弱）光電效應(yīng)伏安特性曲線遏止電壓飽和電流一.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律蘭光Ub(2)存在遏止電壓和截止頻率陽極陰極第九頁，共四十一頁，2022年，8月28日實驗表明:對于一定顏色(頻率)的光,無論光的強弱如何,遏止電壓是一樣的.光的頻率

改變是，遏止電壓也會改變。一.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律(2)存在遏止電壓和截止頻率a.存在遏止電壓UC光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強弱無關(guān)。陽極陰極第十頁，共四十一頁，2022年，8月28日經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)：一.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律b.存在截止頻率c對于每種金屬，都相應(yīng)確定的截止頻率c。

當(dāng)入射光頻率

>c

時，電子才能逸出金屬表面；當(dāng)入射光頻率

<c時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面。(2)存在遏止電壓和截止頻率陽極陰極第十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日實驗結(jié)果：即使入射光的強度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的極限頻率，電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn)。更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過的時間不超過10－9秒（這個現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時發(fā)射”）。光電效應(yīng)在極短的時間內(nèi)完成一.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律(3)具有瞬時性陽極陰極第十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日勒納德等人通過實驗得出以下結(jié)論：①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(yīng)，低于這個頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；②當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時，入射光越強，飽和電流越大；③光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；④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10-9秒.

一.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律第十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日二.光電效應(yīng)解釋中的疑難

按照光的電磁理論，應(yīng)得出以下結(jié)論：①光越強，光電子的初動能應(yīng)該越大，所以遏止電壓UC應(yīng)與光的強弱有關(guān)；②不管光的頻率如何，只要光足夠強，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；③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間才能獲得逸出表面所需的能量，這個時間遠遠大于10-9S。

以上三個結(jié)論都與實驗結(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)。第十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.光子說(愛因斯坦于1905年提出)

在空間傳播的光不是連續(xù)的而是一份一份的，每一份叫做一個光子，光子的能量跟它的頻率成正比。即:E＝hν

，ν表示光的頻率，h叫普朗克常量，h＝6.63×10-34焦耳．秒三.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程第十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日2.光電效應(yīng)方程①逸出功：金屬表面上的電子逸出時要克服金屬原子核的引力所做功的最小值。不同金屬,其逸出功不同。有：W0=hν0②光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0三.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程第十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日2.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程1.光子：或——光電子最大初動能

——金屬的逸出功

W0一個電子吸收一個光子的能量hν后，一部分能量用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek，即：三.愛因斯坦的光量子假設(shè)第十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日3.愛因斯坦光電效應(yīng)方程對實驗結(jié)論的解釋Ek＝hν－W0ν0EKν－W00●解釋截止頻率●解釋飽和光電流●解釋瞬時性第十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日3.光子說對光電效應(yīng)的解釋①愛因斯坦方程表明，光電子的初動能Ek與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強無關(guān)。只有當(dāng)hν>W0時，才有光電子逸出，就是光電效應(yīng)的截止頻率。②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)生的。③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。三.愛因斯坦的光量子假設(shè)第十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日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1921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)時并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因為它完全違背了光的波動理論。4.光電效應(yīng)理論的驗證

美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了“光電效應(yīng)”實驗，結(jié)果在1915年證實了愛因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。三.愛因斯坦的光量子假設(shè)第二十頁，共四十一頁，2022年，8月28日愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的理論解釋和對理論物理學(xué)的貢獻獲得1921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。第二十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日放大器控制機構(gòu)

可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。四.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用1.光控繼電器可對微弱光線進行放大，可使光電流放大105~108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。2.光電倍增管第二十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日應(yīng)用光電管光電源電流計IAK第二十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日

康普頓效應(yīng)第2課時2.2涅槃鳳凰再飛翔第二十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.光的散射光在介質(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2.康普頓效應(yīng)

1923年康普頓在做X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，其波長的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長

和散射物質(zhì)都無關(guān)。一.康普頓效應(yīng)第二十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日3.康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：晶體

光闌X射線管探測器X射線譜儀

石墨體(散射物質(zhì))j0散射波長一.康普頓效應(yīng)第二十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日康普頓正在測晶體對X射線的散射

按經(jīng)典電磁理論：

如果入射X光是某種波長的電磁波，散射光的波長是不會改變的！一.康普頓效應(yīng)第二十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日康普頓散射曲線的特點：a.除原波長0外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長。b.新波長隨散射角的增大而增大。

散射中出現(xiàn)≠0的現(xiàn)象，稱為康普頓散射。波長的偏移為=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj................................................................................o（A）0.7000.750λ波長.......0一.康普頓效應(yīng)第二十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日稱為電子的Compton波長只有當(dāng)入射波長0與c可比擬時，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。波長的偏移只與散射角有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類及入射的X射線的波長0無關(guān)，c=0.0241?=2.4110-3nm（實驗值）一.康普頓效應(yīng)第二十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時遇到的困難二.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難①根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過物質(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)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。②無法解釋波長改變和散射角關(guān)系。第三十頁，共四十一頁，2022年，8月28日2.光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋二.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難①若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。

②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，由于光子質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。

③因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。第三十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日1.有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)；2.首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設(shè)；3.證實了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?？灯疹D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“混進來了某種熒光輻射”；在計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?？灯疹D于1927年獲諾貝爾物理獎。三.康普頓散射實驗的意義第三十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(1892-1962)美國物理學(xué)家1927第三十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日1925—1926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(0=5.62nm)為入射線,以15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1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對證實康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻。在同一散射角()測量各種波長的散射光強度，作了大量X射線散射實驗。（1897-1977）吳有訓(xùn)三.康普頓散射實驗的意義第三十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日四.光子的動量第三十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日動量能量是描述粒子的,頻率和波長則是用來描述波的第三十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日光的粒子性一、光電效應(yīng)的基本規(guī)律小結(jié)1.光電效應(yīng)現(xiàn)象2.光電效應(yīng)實驗規(guī)律①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(yīng)，低