選修3-5-光的粒子性#公開課堂

1、光電效應(yīng) 光子,17.2光的粒子性,第1課時(shí),1,上課資料,T/年,波動(dòng)性,粒子性,1801,托馬斯楊 雙縫干涉 實(shí)驗(yàn),1814,菲涅耳 衍射實(shí)驗(yàn),赫茲 電磁波實(shí)驗(yàn),赫茲 發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng),牛頓微粒說占主導(dǎo)地位,波動(dòng)說 漸成真理,.,光的本性歷史回顧,2,上課資料,3,上課資料,紫 靛,波長(zhǎng),頻率,大,小,低,高,4,上課資料,一.光電效應(yīng)現(xiàn)象,1.演示實(shí)驗(yàn),5,上課資料,（2）光電子：在光電效應(yīng)中逸出的電子稱為光電子。,（3）光電流：光電子定向移動(dòng)形成的電流叫光電流,2.幾個(gè)概念,（1）光電效應(yīng)：當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)， 金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。,6,上課資料,二.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)

2、律,實(shí)驗(yàn)電路,疑問：光電子的發(fā)射與什么因素有關(guān)呢？ 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)有著怎樣的規(guī)律？,7,上課資料,二.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,（1）存在飽和電流,光照不變，增大UAK，G表中電流增大到某一值后，即使再增大UAK，光電流也不再增大，即達(dá)到飽和值。,8,上課資料,飽和電流意義： 飽和電流反映的是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)。 飽和電流越大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。,飽和電流,光電子數(shù),9,上課資料,10,上課資料,實(shí)驗(yàn)表明： 同種顏色的入射光，光越強(qiáng)，飽和電流越大。,說明光越強(qiáng)，逸出的 光電子越多,11,上課資料,使光電流減小到零的反向電壓,+ + + + + +,一 一 一 一 一 一,加反向電壓，

3、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)，I0，,因?yàn)殡娮佑谐跛俣?則所有光電子都無(wú)法到達(dá)A極板，光電流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,U,K,A,12,上課資料,實(shí)驗(yàn)表明:對(duì)于同一顏色(頻率)的光, 無(wú)論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓是一樣的. 光的頻率 增大，遏止電壓也增大。,一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,光電效應(yīng)伏 安特性曲線,遏止電壓,光電子最大初動(dòng)能,入射光的頻率越高，光電子的最大初動(dòng)能越大。與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。,13,上課資料,經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)：,二.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,對(duì)于每種金屬，都相應(yīng)確定的截止

4、頻率c 。,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(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。,(3)存在截止頻率,14,上課資料,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。,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W0。,截止頻率,逸出功,15,上課資料,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)過的時(shí)間不超過109 秒（這個(gè)現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時(shí)發(fā)射”）。,光電效應(yīng)在極短的時(shí)間內(nèi)

5、完成,二.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,(4)具有瞬時(shí)性,16,上課資料,勒納德等人通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：,對(duì)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)； 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； 光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大； 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.,二.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,17,上課資料,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)理論來解釋光電效應(yīng)。,光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。,光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能

6、應(yīng)該越大，所以遏止電壓UC應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。,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。,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10 S。,-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.,三.光電效應(yīng)解釋中的疑難,經(jīng)典理論認(rèn)為光的強(qiáng)度反映光的能量，光越強(qiáng)光的能量越大,18,上課資料,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，頻率為的光的能量子為h。這些能量子后來被稱為光子。,愛因斯坦的光子說,愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：,

7、四.愛因斯坦的光量子假設(shè),19,上課資料,2.愛因斯坦的光電效應(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h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(dòng)能Ek，即：,四.愛因斯坦的光量子假設(shè),20,上課資料,21,上課資料,2.愛因斯坦光電效應(yīng)方程,EkhW0,截止頻率,逸出功,22,上課資料,3.光子說對(duì)光電效應(yīng)的解釋,愛因斯坦方程表明，光電子的初動(dòng)能Ek與入射光的頻率成線性關(guān)系，頻率越大最大初動(dòng)能越大，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。 只有當(dāng)hW0時(shí)，才有光電子逸出， 就是光電效應(yīng)的截止頻率。,電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)

8、間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。,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。,四.愛因斯坦的光量子假設(shè),E光強(qiáng) = nh n：?jiǎn)挝粫r(shí)間打到單位面積上的光子數(shù),一個(gè)電子只能 吸收一個(gè)光子,23,上課資料,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(jiǎng)。,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(dòng)理論。,4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證,美國(guó)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。,四

9、.愛因斯坦的光量子假設(shè),24,上課資料,愛因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),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(jiǎng),。,25,上課資料,可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。,五.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用,1.光控繼電器,可對(duì)微弱光線進(jìn)行放大，可使光電流放大105108 倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。,2.光電倍增管,26,上課資料,光電管,光,電源,電流計(jì),I,A,K,27,上課資料,康普頓效應(yīng),第2課時(shí),17.1科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性,28,上

10、課資料,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(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng) 和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。,一.康普頓效應(yīng),29,上課資料,3.康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：,晶體,光闌,探 測(cè) 器,0,散射波長(zhǎng),一.康普頓效應(yīng),30,上課資料,康普頓正在測(cè)晶體對(duì)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(zhǎng)的電磁波， 散射光的波長(zhǎng)是 不會(huì)改變的！,一.康普頓效應(yīng),31,上課資料,1.經(jīng)典電磁理論

11、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,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(dòng)，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。,無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角關(guān)系。,32,上課資料,2.光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋,二.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難,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(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。,若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)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(zhǎng)不變。,因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和

12、散射角有關(guān)。,33,上課資料,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(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。,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(shí)到還要用動(dòng)量守恒。,康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。,三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義,34,上課資料,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,35,上課資料,19251926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(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 射線散射實(shí)驗(yàn)。,三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義,36,上課資料,四.光子的動(dòng)量,37,上課資料,動(dòng)量能量是描述粒子的, 頻率和波長(zhǎng)則是用來描述波的,38,上課資料,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(shí)驗(yàn)規(guī)律,對(duì)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