《光的粒子性》課件(新人教版選修-)

17.2科學的轉折：光的粒子性問題：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)現光電效應牛頓微粒說占主導地位波動說漸成真理……….當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現象，稱為光電效應。逸出的電子稱為光電子。光電子定向移動形成的電流叫光電流一.光電效應的實驗規(guī)律實驗裝置觀察實驗發(fā)現以下規(guī)律：●存在著飽和電流△實驗表明：入射光越強，單位時間內發(fā)射的光電子數越多；△入射光越強，飽和光電流越大。把電源正負極反接△同一頻率光照射，不管光強如何，遏止電壓都相同?！鞴庹疹l率越高，遏止電壓越高。●存在著遏止電壓和截止頻率△光電子的能量只與入射光的頻率有關。入射光的頻率低于截止頻率時不能發(fā)生光電效應。●光電效應具有瞬時性△當頻率超過截止頻率時，無論入射光怎樣微弱，幾乎在照到金屬時立即產生光電流。△精確測量表明產生電流的時間不超過10－9秒，即光電效應幾乎是瞬時的。二.光電效應解釋中的疑難

按照光的電磁理論，應得出以下結論：①光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電壓UC應與光的強弱有關；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，不應存在截止頻率；③如果光很弱，按經典電磁理論估算，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。

以上三個結論都與實驗結果相矛盾的，所以無法用經典的波動理論來解釋光電效應。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方程2.光電效應方程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光電效應方程：Ek＝hν－W0三.愛因斯坦的光電效應方程3.愛因斯坦光電效應方程對實驗結論的解釋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,榮獲1921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。4.光電效應理論的驗證

美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效應”實驗，結果在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.愛因斯坦的光電效應方程愛因斯坦由于對光電效應的理論解釋和對理論物理學的貢獻獲得1921年諾貝爾物理學獎密立根由于研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學獎例題：由密立根實驗(Uc和v的關系)計算普朗克常量很難測Ek

，怎樣改成Uc與v、W0關系？提示：Ek=eUc

由圖象求參數的方法：電源電動勢和內阻（直接求參數）用單擺測重力加速度（用圖象求平均值）

利用光電效應中光電流與入射光強成正比的特性,可以制造光電轉換器——實現光信號與電信號之間的相互轉換。這些光電轉換器如光電管(photoelement)等，廣泛應用于光功率測量、光信號記錄、電影、電視和自動控制等諸多方面。光電效應在近代技術中的應用光電倍增管(photomultiplier)是把光信號變?yōu)殡娦盘柕某Ｓ闷骷?。當光照射到陰極

k使它發(fā)射光電子，這光電子在電壓作用下加速轟擊第一陰極k1，使之又發(fā)射次級光電子，這些次級光電子再被加速轟擊第二陰極k2,......如此繼續(xù)下去，利用10～15個次陰極，可將光電流放大幾百萬倍。即一束微弱的入射光，將轉變成放大了的光電流，可以通過電流計顯示出來。1.光的散射光在介質中與物質微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現象叫做光的散射2.康普頓效應

1923年康普頓在做X射線通過物質散射的實驗時，發(fā)現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，而與入射線波長

和散射物質都無關。四.康普頓效應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)j0散射波長康普頓正在測晶體對X射線的散射

按經典電磁理論：

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！康普頓散射曲線的特點：a.除原波長0外出現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≠0的現象，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稱為電子的Compton波長只有當入射波長0與c可比擬時，康普頓效應才顯著，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，而與散射物質種類及入射的X射線的波長0無關，c=0.0241?=2.4110-3nm（實驗值）A.經典電磁理論在解釋康普頓效應時遇到的困難4.康普頓效應解釋中的疑難①根據經典電磁波理論，當電磁波通過物質時，物質中帶電粒子將作受迫振動，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應等于入射光頻率。②無法解釋波長改變和散射角關系。B.光子理論對康普頓效應的解釋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原子質量，根據碰撞理論，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，所以波長改變和散射角有關。a.有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設；b.首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設；c.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“混進來了某種熒光輻射”；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒。康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎。5.康普頓散射實驗的意義康普頓效應康普頓效應康普頓,1927年獲諾貝爾物理學獎(1892-1962)美國物理學家19271925—1926年，吳有訓用銀的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，d.吳有訓對研究康普頓效應的貢獻1923年,參加了發(fā)現康普頓效應的研究工作.對證實康普頓效應作出了重要貢獻。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）吳有訓五.光子的動量動量能量是描述粒子的,頻率和波長則是用來描述波的1.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，用弧光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開一個角度，如圖所示，這時()A.鋅板帶正電，指針帶負電B.鋅板帶正電，指針帶正電C.鋅板帶負電，指針帶正電D.鋅板帶負電，指針帶負電B練習2.一束黃光照射某金屬表面時，不能產生光電效應，則下列措施中可能使該金屬產生光電效應的是()A.延長光照時間B.增大光束的強度C.換用紅光照射D.換用紫光照射D練習3.關于光子說的基本內容有以下幾點，不正確的是()A.在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫一個光子B.光是具有質量、能量和體積的物質微粒子C.光子的能量跟它的頻率成正比D.光子客觀并不存在，而是人為假設的練習B4.能引起人的視覺感應的最小能量為10-18J，已知可見光的平均波長約為0.6m，則進入人眼的光子數至少為

個，恰能引起人眼的感覺.練習35.關于光電效應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度增大而增大B.只要入射光的強度足夠強，照射時間足夠長，就一定能產生光電效應C.在光電效應中，飽和光電流的大小與入射光的頻率無關D.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)生光電效應練習D反饋練習：1、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，用弧光燈照射鋅板時，驗電器指針張開一個角度，如圖所示，這時()A．鋅板帶正電，指針帶負電B．鋅板帶正電，指針帶正電C．鋅板帶負電，指針帶正電 D．鋅板帶負電，指針帶負電B2、若用綠光照射某種金屬板不能發(fā)生光電效應，則下列哪一種方法可能使該金屬發(fā)生光電效應（）A.增大入射光的強度B.增加光的照射時間C.改用黃光照射D.改用紫光照射D3、三種不同的入射光線甲、乙、丙分別照射在三種不同的金屬a、b、c上，均恰能使金屬中逸出光電子。已知三種光線的波長λ甲>λ乙>λ丙，則（）A、用三種入射光照射金屬a，均可發(fā)生光電效應B、用三種入射光照射金屬c

，均可發(fā)生光電效應C、用入射光甲和乙同時照射金屬c，可能發(fā)生光電效應D、用入射光甲照射金屬b，可能發(fā)生光電效應A4、用綠光照射一光電管能產生光電效應，欲使光電子從陰極逸出時的最大初動能增大應（