就是光電效應(yīng)的截止頻率課件

無(wú)錫市第一中學(xué)19世紀(jì)末，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面獲得巨大成就。在熱學(xué)方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了能推斷一切電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程。另外還找到了力、電、光、聲----等都遵循的規(guī)律：能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績(jī)和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。材料鑒賞:

1900年，在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年慶祝會(huì)上,著名物理學(xué)家開(kāi)爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言:

“科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！?/p>

--開(kāi)爾文--也就是說(shuō)：物理學(xué)已經(jīng)沒(méi)有什么新東西了，后一輩科學(xué)家只要把做過(guò)的實(shí)驗(yàn)再精確一下，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面再加幾位罷了！

但開(kāi)爾文畢竟是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：

“但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，----”這兩朵烏云是指什么呢？黑體輻射實(shí)驗(yàn)光的速度后來(lái)的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風(fēng)暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。普朗克量子力學(xué)的誕生相對(duì)論問(wèn)世這兩朵烏云到底是什么回事呢？經(jīng)典力學(xué)量子力學(xué)相對(duì)論微觀領(lǐng)域高速領(lǐng)域能量量子化物理學(xué)的新紀(jì)元第一節(jié)：思考與討論1，在爐火旁邊有什么感覺(jué)？2，投在爐中的鐵塊一開(kāi)始是什么顏色？過(guò)一會(huì)兒又是什么顏色？800K1000K1200K1400K固體在溫度升高時(shí)顏色的變化：熱輻射現(xiàn)象：一切物體在任何溫度下都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫做熱輻射。輻射規(guī)律：1.輻射的電磁波中包含各種波長(zhǎng)的電磁波，不同波長(zhǎng)，輻射強(qiáng)度不同。2.溫度升高，輻射強(qiáng)度增大，同時(shí)輻射電磁波的頻率和波長(zhǎng)也在變化。問(wèn)題：如何研究物體的熱輻射規(guī)律？注意：除了熱輻射外，物體表面還會(huì)吸收和反射外界射來(lái)的電磁波，例如：常溫下我們看到的物體顏色就是物體反射了該頻率的電磁波，吸收了其他頻率的電磁波。一些物體看起來(lái)很黑，其實(shí)是它吸收所有電磁波，反射的電磁波很弱。那么：在研究物體熱輻射中，應(yīng)如何避免反射電磁波的影響？一，黑體及黑體輻射

理想的熱輻射體是“絕對(duì)黑體”，簡(jiǎn)稱(chēng)“黑體”。它在任何溫度下都能全部吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射。

在空腔壁上開(kāi)一個(gè)很小的孔，射入小孔的電磁波在空腔中會(huì)發(fā)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出。這個(gè)小孔就可以看成一個(gè)絕對(duì)黑體。德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫首先提出了絕對(duì)黑體的模型。說(shuō)明：①黑體是個(gè)理想化的模型。例：開(kāi)孔的空腔，遠(yuǎn)處的窗口等可近似看作黑體。②實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類(lèi)及表面狀況有關(guān)，而黑體輻射電磁波的規(guī)律只與黑體的溫度有關(guān)，因而可以反映某種具有普通意義的客觀規(guī)律。于是，在研究熱輻射的規(guī)律時(shí)．人們特別注意對(duì)黑體輻射的研究。0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K二：黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律隨著溫度的升高：1，各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加；2，輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。你能由圖找到黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律嗎？

瑞利公式在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。但在紫外區(qū)(波長(zhǎng)范圍在紫外線(xiàn)附近)竟算得輻射強(qiáng)度為無(wú)窮大，這個(gè)荒謬的結(jié)論被認(rèn)為是物理學(xué)理論的災(zāi)難，當(dāng)時(shí)稱(chēng)為“紫外災(zāi)難”。瑞利理論值維恩理論值實(shí)驗(yàn)T=1646k維恩公式在短波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，但長(zhǎng)波卻不行。三、能量子超越牛頓的發(fā)現(xiàn)

微觀世界的某些規(guī)律，在我們宏觀世弄看來(lái)可能非常奇怪。普朗克能量子理論*微觀粒子的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，E=nε（n=1,2,…），這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫能量子，簡(jiǎn)稱(chēng)量子。n為正整數(shù)，稱(chēng)為量子數(shù)。*帶電微粒吸收和輻射能量時(shí)，也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射和吸收的。

h=6.62610-34

J*S----普朗克常數(shù)

*能量子的能量：ε=h（是輻射吸收的電磁波的頻率）λ(μm)123568947普朗克理論實(shí)驗(yàn)值理論與實(shí)驗(yàn)符合的讓人擊掌叫絕1800K能量量子化：宏觀世界中：能量可以是任意值，可以連續(xù)變化。例如：物體的重力勢(shì)能，彈簧振子的彈性勢(shì)能。微觀世界中：微觀粒子的能量只能是一個(gè)一個(gè)的特定值，不能連續(xù)變化。（能量量子化），例如：物體的帶電量，電子繞原子核運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。量子化：只能取一系列分立值，不能連續(xù)變化你能舉出生活中“量子化”例子嗎？普朗克的量子化理論改變了人們對(duì)世界的根本認(rèn)識(shí)。1900年不僅成為新世紀(jì)的開(kāi)始，也成為物理學(xué)的一個(gè)新紀(jì)元。18年后，普朗克為此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。結(jié)論：1.在宏觀尺度內(nèi)研究物體的能量變化時(shí)我們可以認(rèn)為：物體的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的,能量變化是連續(xù)的,不必考慮量子化。（因?yàn)槊總€(gè)能量子的能量很小，宏觀物體的能量不連續(xù)變化非常不明顯，可以忽略不計(jì)。）2.在研究微觀粒子時(shí)必需考慮能量量子化意義：

普朗克拋棄了經(jīng)典物理中的能量可連續(xù)變化、物體輻射或吸收的能量可以為任意值的舊觀點(diǎn)，提出了能量量子化、物體輻射或吸收能量只能一份一份地按不連續(xù)的方式進(jìn)行的新觀點(diǎn)。這不僅成功地解決了熱輻射中的難題，而且開(kāi)創(chuàng)物理學(xué)研究新局面，標(biāo)志著人類(lèi)對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)已經(jīng)從從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域，為量子力學(xué)的誕生奠定了基礎(chǔ)。

本節(jié)課的主要知識(shí):

微觀粒子的運(yùn)動(dòng)是不連續(xù)的,在發(fā)射和吸收能量的時(shí)候，不是連續(xù)的，而是一份一份的。能量是h的整數(shù)倍。每份能量為:E=hν第十七章波粒二象性第二節(jié)光的粒子性一、光電效應(yīng)現(xiàn)象點(diǎn)擊演示：光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)：用紫外線(xiàn)照射鋅板可清楚看到：靈敏驗(yàn)電器指針張開(kāi)金屬在光（包括不可見(jiàn)光）的照射下，從表面逸出電子的現(xiàn)象叫

光電效應(yīng)發(fā)射出來(lái)的電子叫光電子光電子定向移動(dòng)形成的電流叫光電流在紫外線(xiàn)的照射下，有電子從鋅板飛出，鋅板帶了正電。2、存在著遏止電壓和截止頻率下面我們來(lái)繼續(xù)探討二、光電效應(yīng)的基本規(guī)律3、效應(yīng)具有瞬時(shí)性1、存在著飽和電流1、存在著飽和電流實(shí)驗(yàn)表明：入射光越強(qiáng)，飽和電流越大；入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。光照不變，增大UAK，G表中電流達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值。因?yàn)楣庹諚l件一定時(shí)，K發(fā)射的電子數(shù)目一定。單色光陽(yáng)極GVAKR陰極2、存在著遏止電壓和截止頻率(1)存在遏止電壓U:c使光電流減小到零的反向電壓－U++++++

一一一一一一v加反向電壓，如右圖所示：光電子所受電場(chǎng)力方向與光電子速度方向相反，光電子作減速運(yùn)動(dòng)。若最大的初動(dòng)能U=0時(shí)，I≠0，因?yàn)殡娮佑谐跛俣葎tI=0，式中UC為遏止電壓我們來(lái)看如圖所示的實(shí)驗(yàn)：GVAKR單色光實(shí)驗(yàn)表明:對(duì)于一定顏色(頻率)的光,無(wú)論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓是一樣的.當(dāng)圖中電流表G的讀數(shù)為0時(shí)，伏特表V的讀數(shù)就是下式中的“Uc”。陽(yáng)極陰極2、存在著遏止電壓和截止頻率科學(xué)家曾做過(guò)類(lèi)似于左圖的實(shí)驗(yàn)，他們用不同的單色光照射某種金屬，看看哪些頻率的光照射時(shí)能產(chǎn)生光電效應(yīng)。再用不同的單色光照射別的金屬，又看看哪種頻率的光照射時(shí)產(chǎn)生光電效應(yīng)。任何一種金屬，都有一個(gè)截止頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)截止頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)頻率的光，無(wú)論光強(qiáng)怎樣大，也不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。不同金屬的截止頻率不同。(2)存在截止頻率ν:c經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)：3、效應(yīng)具有瞬時(shí)性GVAKR單色光實(shí)驗(yàn)結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)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(guò)的時(shí)間不超過(guò)10－9秒（這個(gè)現(xiàn)象一般稱(chēng)作“光電子的瞬時(shí)發(fā)射”）。光電效應(yīng)在極短的時(shí)間內(nèi)完成

以上三個(gè)結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾的，所以無(wú)法用經(jīng)典的波動(dòng)理論來(lái)解釋光電效應(yīng)。三、光電效應(yīng)解釋中的疑難逸出功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。①光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)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(duì)于一定顏色(頻率)的光,無(wú)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(lái)，必須克服這個(gè)引力做功。四、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程（1）光子：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hν。這些能量子后來(lái)被稱(chēng)為光子。愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)愛(ài)因斯坦從普朗克的能量子說(shuō)中得到了啟發(fā)，他提出：（2）愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程四、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程（1）光子：或——光電子最大初動(dòng)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(lái)克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)能Ek，即：（3）光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋①愛(ài)因斯坦方程表明，光電子的初動(dòng)能Ek與入射光的頻率成線(xiàn)性關(guān)系，與光強(qiáng)無(wú)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。思考與討論？課本P33練習(xí)課本例題P36分析由上面討論結(jié)果可得：

對(duì)于一定金屬，逸出功W0是確定的，電子電荷e和普朗克常量h都是常量。所以遏止電壓UC與光的頻率ν之間是線(xiàn)性關(guān)系即：Uc—ν圖象是一條斜率為的直線(xiàn)練習(xí)課本例題P36分析由上面討論結(jié)果可得：遏止電壓Uc與光電子的最大初動(dòng)能Ek有關(guān)Ek越大，Uc越高；Uc為零，Ek為零，即沒(méi)有光電子所以與遏止電壓Uc=0對(duì)應(yīng)的頻率應(yīng)該是截止頻率νc由以上分析可知：根據(jù)數(shù)據(jù)作Uc—ν圖象即可求得遏止電壓Uc=0對(duì)應(yīng)的頻率就是截止頻率νcUc—ν圖象是一條斜率為的直線(xiàn)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(xiàn)通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線(xiàn)中除有與入射線(xiàn)波長(zhǎng)相同的射線(xiàn)外，還有比入射線(xiàn)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線(xiàn)，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線(xiàn)波長(zhǎng)

和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。五、康普頓效應(yīng)3、康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：晶體

光闌X射線(xiàn)管探測(cè)器X射線(xiàn)譜儀

石墨體(散射物質(zhì))j0散射波長(zhǎng)康普頓正在測(cè)晶體對(duì)X射線(xiàn)的散射

按經(jīng)典電磁理論：

如果入射X光是某種波長(zhǎng)的電磁波，散射光的波長(zhǎng)是不會(huì)改變的！4.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義（1）有力地支持了愛(ài)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(dòng)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(dòng)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(lái)了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒?？灯疹D于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。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(jiǎng)(1892-1962)美國(guó)物理學(xué)家1925—1926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(xiàn)(0=5.62nm)為入射線(xiàn),以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，吳有訓(xùn)對(duì)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(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。在同一散射角()測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量X射線(xiàn)散射實(shí)驗(yàn)。