89光的粒子性

17.2《光的粒子性》光电效应第1课时光是什么？光是一种电磁波，有波长和频率c=λν不同颜色的光频率不同,光的颜色（频率）由光源来决定，在不同介质中传播时波速会变，但频率不变。不同颜色的光在真空中传播速度都等于c。不同颜色的光在同一种介质中传播速度不相同，频率大的速度小。17世纪明确形成了两大对立学说牛顿惠更斯微粒说波动说19世纪初证明了波动说的正确性由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得微粒说一直占上风19世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在20世纪初提出了光子说：光具有粒子性对光学的研究从很早就开始了……用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），发现验电器指针张开;再用与丝绸摩擦过的玻璃棒去接触锌板，则验电器的指针张角会更大.一、光电效应现象表明锌板在射线照射下失去电子而带正电.1.什么是光电效应当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应，逸出的电子称为光电子。一.光电效应的实验规律光电效应的实质：光现象电现象光包括不可见光，使锌板发射出电子的光是弧光灯发出的紫外线.光电效应的实验规律研究光电效应的实验装置阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够发射光电子．电源加在K与A之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调．实验结果表明：一.光电效应的实验规律2.光电效应实验规律(研究电子发射情况与照射光的强弱、光的颜色的关系)（1）存在饱和电流光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。因为光照条件一定时，K发射的电子数目一定，电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时再增大电压，电流也不会增大。实验表明：在光的频率（颜色）不变的情况下，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，饱和电流越大。GVAK阳极阴极：使光电流减小到零的反向电压－++++++一一一一一一v加反向电压，如右图所示：光电子作减速运动。若2c102ecmveUcv速率最大的是最大的初动能U=0时，I≠0，因为电子有初速度则I=0，式中UC为遏止电压一.光电效应的实验规律(2)存在遏止电压和截止频率a.存在遏止电压UCEEUFKAIIsUc2OU黄光（强）黄光（弱）光电效应伏安特性曲线遏止电压饱和电流一.光电效应的实验规律蓝光Uc1(2)存在遏止电压和截止频率实验表明:对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.光的频率改变，遏止电压也会改变。2c102ecmveUa.存在遏止电压UC一.光电效应的实验规律(2)存在遏止电压和截止频率实验结论：光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。2c102ecmveU遏止电压与光的频率有关。经研究后发现：一.光电效应的实验规律b.存在截止频率c对于每种金属，都有相应确定的截止频率c（极限频率）。当入射光频率c时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。(2)存在遏止电压和截止频率GVAK阳极阴极实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的截止频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10－9s（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。结论：光电效应几乎是瞬时发生的。一.光电效应的实验规律(3)具有瞬时性GVAK阳极阴极通过实验得出以下结论：当入射光的频率大于极限频率时，入射光强度越强，饱和电流越大；光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；对于任何一种金属，都有一个截止频率c，入射光的频率必须大于这个截止频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9s.一.光电效应的实验规律（1）存在饱和电流(2)存在遏止电压和截止频率(3)具有瞬时性光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。温度不很高时，电子能否大量逸出金属表面？二.光电效应解释中的疑难逸出功W0使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功.经典的波动理论能否解释光电效应的三个实验结论？由于受到金属表面层内的一种引力作用，电子要从金属中挣脱出来，必须克服这个阻力做功。(2)存在遏止电压和截止频率(1)存在饱和电流(3)具有瞬时性以上结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。①光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关。②不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。③如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于10S。-9实验表明:对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.二.光电效应解释中的疑难经典的波动理论认为：④无法解释遏止电压与光的频率的关系1.光子：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。爱因斯坦的光子说hE爱因斯坦从普朗克的能量子假说中得到了启发，他提出：三.爱因斯坦的光量子假说2.爱因斯坦的光电效应方程1.光子：0WEhk0WhEk或——光电子最大初动能——金属的逸出功W0221cekvmE一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能Ek，即：三.爱因斯坦的光量子假说使电子脱离某种金属所做功的最小值影响饱和电流、截止频率、遏止电压的因素1、只要入射光频率超过截止频率，饱和电流的大小只与单位时间内的光子数有关。2、截止频率只与金属的逸出功有关，即只与金属的种类有关。3、遏止电压与入射光频率和逸出功有关。0cWh0chWUe3.光子说对光电效应的解释①爱因斯坦方程表明，光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当hνW0时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率。hWc0②电子1次吸收1个光子的全部能量，不能积累能量，光电流几乎是瞬时发生的。③光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。三.爱因斯坦的光量子假说爱因斯坦提出光子说解释光电效应的时候，实验测量尚不精确，加上这种观点与当时的理论大相径庭，因此并未被物理学家们广泛承认，甚至被说成是“在思辨中迷失目标”的“冒昧的假设”。4.光电效应理论的验证美国物理学家密立根，花了十年时间做光电效应实验，测量金属的遏止电压与入射光的频率，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，在1915年证实了爱因斯坦的光电效应方程，两种方法得到的普朗克常量h在0.5%的误差范围内一致，又一次证明了“光量子假说”理论的正确。三.爱因斯坦的光量子假说光电效应显示了光的粒子性。光子不但具有能量，也具有动量。爱因斯坦由于对光电效应的解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。练习课本例题P34分析ceUWh0由上面讨论结果eWehUc0可得：对于一定金属，逸出功W0是确定的，电子电荷e和普朗克常量h都是常量。所以遏止电压UC与光的频率ν之间是线性关系eW0hW0即：Uc—ν图象是一条斜率为的直线eh练习课本例题P34分析ceUWh0由上面讨论结果eWehUc0可得：eW0hW0cceKeUvm：E221因为遏止电压Uc与光电子的最大初动能Ek有关Ek越大，Uc越高；Uc为零，Ek为零，即没有光电子所以与遏止电压Uc=0对应的频率应该是截止频率νc00ceUWh0WhC光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射2.康普顿效应1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长λ0相同的射线外，还有波长比λ0更大的成分。一.康普顿效应康普顿正在测晶体对X射线的散射1.光的散射1.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难二.康普顿效应解释中的疑难根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光也应该是X光！不会出现波长更长的波。2.光子理论对康普顿效应的解释二.康普顿效应解释中的疑难①若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。光子与晶体中的电子碰撞时遵从那些规律？1.有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；2.首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；3.证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。三.康普顿散射实验的意义1925—1926年，吴有训用银的X射线(0=5.62nm)为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质，4.吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了重要贡献。在同一散射角()测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验。0120（1897-1977）吴有训三.康普顿散射实验的意义2mcEhchcchmcP2hE2chm四.光子的动量hEhP动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的。光子的能量：光子的动量：