科學(xué)的轉(zhuǎn)折光的粒子性

科學(xué)的轉(zhuǎn)折光的粒子性第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一用弧光燈(紫外線)照射擦得很亮的鋅板，(鋅板用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)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(shí)驗(yàn)規(guī)律第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一1.什么是光電效應(yīng)照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(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(shí)驗(yàn)規(guī)律光電子定向移動形成的電流叫光電流第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律（1）存在飽和電流光照不變，增大UAK，G表中光電流趨向于一個(gè)飽和值。說明：光照條件一定時(shí)，K發(fā)射的電子數(shù)目一定。實(shí)驗(yàn)表明：入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。陽極陰極第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一：使光電流減小到零的反向電壓－++++++

一一一一一一v▲若加反向電壓，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(yùn)動。當(dāng)最大的初動能▲若U=0時(shí)，I≠0，遏止電壓的存在說明：光電子有初速度則I=0，式中UC為遏止電壓一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(2)存在遏止電壓和截止頻率a.存在遏止電壓UCEEUFKA第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一光的頻率改變時(shí)，遏止電壓也會改變。一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(2)存在遏止電壓和截止頻率a.存在遏止電壓UC這表明：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(qiáng)弱無關(guān)。IIsUaOU黃光（強(qiáng)）黃光（弱）光電效應(yīng)伏安特性曲線遏止電壓飽和電流蘭光Ub實(shí)驗(yàn)表明:對于一定顏色(頻率)的光,無論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓是一樣的.第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(2)存在遏止電壓和截止頻率第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射光的頻率減小到某一數(shù)值c時(shí)，即使不施加反向電壓也沒有光電流，這表明已經(jīng)沒有光電子了。c

稱為截止頻率或極限頻率。一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律b.存在截止頻率c實(shí)驗(yàn)表明：不同的金屬的截止頻率不同。當(dāng)入射光頻率

>c

時(shí)，電子才能逸出金屬表面；當(dāng)入射光頻率

<c時(shí)，無論光強(qiáng)多大也無電子逸出金屬表面。(2)存在遏止電壓和截止頻率當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不能發(fā)生光電效應(yīng)。第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)入射光頻率大于被照金屬的極限頻率，無論入射光怎樣微弱，電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn)。精確測量表明，產(chǎn)生電流的時(shí)間不超過10－9秒即光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的。一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(3)具有瞬時(shí)性第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一①對于任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)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(shí)，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大；③光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)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(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過10-9秒.

一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一

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)。逸出功W0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。光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。①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)。②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。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(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10S。-9√實(shí)驗(yàn)表明:對于一定顏色(頻率)的光,無論光的強(qiáng)弱如何,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。二.光電效應(yīng)解釋中的疑難第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一1.愛因斯坦光子說：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ν的光的能量子為E=hν。這些能量子后來被稱為光子。愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：三.愛因斯坦的光量子假設(shè)2.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程或——光電子最大初動能

——金屬的逸出功

W0一個(gè)電子吸收一個(gè)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：第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一3.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與入射光的頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)弱無關(guān)。只有當(dāng)hν>W0時(shí)，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(shí)間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。③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。三.愛因斯坦的光量子假設(shè)第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一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,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(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。4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證

美國物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)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15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一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(xiàn)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(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎。第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一思考與討論？課本P33第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)用光電管:光信號轉(zhuǎn)成電信號光電源電流計(jì)IAK

可以用于自動控制，自動計(jì)數(shù)、自動報(bào)警、自動跟蹤等。第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一

康普頓效應(yīng)17-1科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一1.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(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外，還有比入射線波長更長的射線，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。一.康普頓效應(yīng)第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一1.經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)遇到的困難二.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難無法解釋波長改變和散射角關(guān)系。根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動，其頻率等于入射光頻率，所以振動著的帶電微粒所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一2.康普頓用光子的模型成功解釋了康普頓效應(yīng)二.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難

x射線的光子不僅具有能量，也像其他粒子那樣具有動量，x射線的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)要遵守能量守恒和動量守恒，求解這些方程，可以得出散射光波長的變化值。理論與實(shí)驗(yàn)符合得很好。光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)深入揭示了光的粒子性的一面，前者表明光子具有能量，后者表明光子除了能量之外還有動量。第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一四.光子的動量第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一1.有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)；2.首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動量”的假設(shè)；3.證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的?？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(jìn)來了某種熒光輻射”；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。三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一康普頓效應(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)家康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎。第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一1925—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(xiàn)1923年,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)作出了重要貢獻(xiàn)。在同一散射角()測量各種波長的散射光強(qiáng)度，作了大量X射線散射實(shí)驗(yàn)。（1897-1977）吳有訓(xùn)三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一光的粒子性一、光電效應(yīng)的基本規(guī)律小結(jié)①對于任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)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(shí)，光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比；③光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)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(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過10-9秒.

表明“光子具有動量”二、康普頓效應(yīng)第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一練習(xí)課本P391、在可見光范圍內(nèi)，哪種顏色光的光子能量最大？想想看，這種光是否一定最亮？為什么？在可見光范圍內(nèi)，紫光的光子能量最大，因?yàn)槠漕l率最高。紫光不是最亮的。一為光強(qiáng)，因?yàn)楣獾牧炼扔蓛蓚€(gè)因素決定，二為人眼的視覺靈敏度。在光強(qiáng)相同的前提下，由于人眼對可見光中心部位的黃綠色光感覺最靈敏，因此黃綠色光應(yīng)最亮。第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一練習(xí)課本P392、在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中 （1）如果入射光強(qiáng)度增加，將產(chǎn)生什么結(jié)果？（2）如果入射光頻率增加，將產(chǎn)生什么結(jié)果？（1）當(dāng)入射光頻率高于截止頻率時(shí)，光強(qiáng)增加，發(fā)射的光電子數(shù)增多；

當(dāng)入射光頻率低于截止頻率時(shí)，無論光強(qiáng)怎么增加，都不會有光電子發(fā)射出來。（2）入射光的頻率增加，發(fā)射的光電子最大初動能增加。第29頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一練習(xí)課本P395、根據(jù)圖17.2-2所示研究光電效應(yīng)的電路，利用能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的兩種（或多種）已知頻率的光來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，怎樣測出普朗克常量？根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明實(shí)驗(yàn)步驟和應(yīng)該測量的物理