高中物理选修3-5：17.2-光的粒子性-LI

17.2光的粒子性第十七章波粒二象性一、光的波动性光是电磁波理论证明：麦克斯韦的经典电磁场理论实验验证：赫兹的电火花实验，发现电磁波的速度和光速相同。其它实验证据：1、光的干涉：托马斯·杨2、光的衍射：菲涅尔3、光的偏振：马吕斯演示二、光电效应现象用弧光灯照射擦得很亮的锌板，用导线与不带电的验电器相连，使验电器张角增大到约为30度。再用与丝绸磨擦过的玻璃去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。结论：锌板在射线照射下失去电子而带正电。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。光电子定向移动形成的电流叫光电流。三、实验研究光电效应的规律1、存在饱和电流当A接正极，K接负极时，控制入射光的强度一定，使UAK从0开始增大，观察到电流表的示数一开始增大，到某一数值后就不再增大。这个最大电流就叫做饱和电流。VGAAK阳极阴极+-对存在饱和电流的解释：K板逸出的电子向各个方向运动，如果不加电压，很多电子无法到达A板，无法形成较大电流。加上电压后，越来越多的电子到达A板，电流越来越大。但是，如果所有电子都达到了A板，继续增大电压，就无法再增大电流。VGAAK阳极阴极+-思考1：如果AK之间不加电压，电流是否为0？思考2：如何才能使电流为0？2、存在遏止电压Uc（反向截止电压）当A接负极，K接正极时，控制入射光的强度一定，使UKA从0开始增大，观察到电流表的示数逐渐减小到0。电流刚减小到0时对应的UKA叫做遏止电压Uc。VGAAK阳极阴极-+对存在遏止电压的解释：加上反向电压后，电子受到的电场力方向与运动方向相反，电子减速。如果反向电压足够大，电子将无法达到A板。临界的电压值即为遏止电压Uc。其中，vc是所有光电子的最大初速度，是光电子的最大初动能。++++++一一一一一一EEF－vUKAc221eUvmcec221eUvmceIUc2OU黄光（强）黄光（弱）实验测得的光电效应曲线蓝光Uc1遏止电压饱和电流Is3、存在截止频率νc当入射光的频率减小到某一数值νc时，无论光的强度多大，加上怎样的电压，都不会有光电流。这个临界频率叫做截止频率νc。VGAAK阳极阴极-+4、光电效应的瞬时性当入射光的频率超过截止频率时，无论光如何微弱，几乎在瞬间就会产生光电流。时间间隔不超过10-9s。经典的理论无法解释光电效应中的一些现象：推论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。实验结果：遏止电压只与光的频率有关。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。推论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。实验结果：对于不同的物体，都有相应的截止频率。推论3：如果光很弱，电子需要很长时间才能获得逸出表面需要的能量。实验结果：时间小于10-9s四、爱因斯坦的光电效应方程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。2、电子从金属中逃逸，需要克服阻力做功。使电子脱离金属所要做的最小的功，叫做金属的逸出功。不同金属的逸出功是不同的。3、一个电子一瞬间吸收一个光子的能量，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：上式即为爱因斯坦的光电效应方程。如果电子克服阻力做功大于逸出功，则逸出后电子的初动能小于最大初动能。0kEhW影响饱和电流、遏制电压、截止频率的因素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、遏制电压与入射光频率和逸出功有关。0cWh0chWUe思考1：同种频率的光射到同种金属上，增强入射光时，饱和电流、遏止电压分别如何变化？答案：饱和电流增大，遏止电压不变。思考2：相同强度（单位时间内的能量）的单色光射到同种金属上，增加入射光的频率时，饱和电流、遏止电压分别如何变化？答案：饱和电流减小，遏止电压增大。五、光电效应方程的图像：1、外加电压和光电流的关系（同种金属）光的强弱影响饱和电流光的频率影响遏制电压IUc2OU黄光（强）黄光（弱）蓝光Uc12、遏止电压-入射光频率：Uc-ν图像思考1：截距和斜率的物理意义分别是什么？思考2：如果将两种不同金属的Uc-ν曲线画在同一张图像中，会是怎样的？Uc-W0/eνc0cWhUee六、光电效应方程的验证密立根设计实验，测量金属的遏止电压与入射光频率的关系曲线，根据曲线斜率算出普朗克常数h，进而与普朗克从黑体辐射得出的h相比较。实验结论：两种方法计算出的普朗克常数几乎一样，从而证明了光子假说的正确性。由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律，荣获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年诺贝尔物理学奖七、康普顿效应1、光的散射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波长相同的射线外，还有比入射波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射波长和散射物质都无关。3、康普顿散射实验的装置晶体光阑X射线管探测器X射线谱仪石墨体(散射物质)j0散射波长4、康普顿效应的解释经典理论：光的散射不会改变光的波长和频率。光子模型解释：根据动量守恒定律，发生碰撞后光子的动量会发生变化。光子的动量与波长存在一定的关系：发生碰撞后，光子的动量减小，即光的波长增大。散射角不同，说明碰撞后光子的动量也不同，光的波长也不同。pmc2hmchhpc也可以从光子能量的角度解释康普顿效应：发生碰撞后，光子能量减小，因此光的频率减小。碰撞的角度不同时，光子能量的减小也不同，频率的减小也不同。5、康普顿效应的意义(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”。康普顿于1927年获诺贝尔物理学奖。例1、一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是()A、延长光照时间B、增大光束的强度C、换用红光照射D、换用紫光照射答案：D【课堂练习】例2、关于光电效应下述说法中正确的是()A、光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大B、只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一定能产生光电效应C、在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关D、任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能发生光电效应答案：D【课堂练习】【课堂练习】例3、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想想看，这种光是否一定最亮？为什么？答案：在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高，但紫光不是最亮的。光的亮度由两个因素决定，一为光强，二为人眼的视觉灵敏度。在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。