17.2光的粒子性

第十七章波粒二象性第2节光的粒子性普朗克的能量子说:带电微粒辐射或吸收能量时，是一份一份地辐射或吸收的，每一份叫做一个能量子，每一个能量子的能量ε=hνh为普朗克常量：h=6.626×10-34Js上节提要：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……圆屏衍射圆孔衍射钢针的衍射增透膜薄膜干涉镜面检测光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波c=λυ爱因斯坦康普顿光电效应以及康普顿效应等无可辩驳的证实了光是一种粒子．光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性重新提出“光的粒子性”光是电磁波，它能很好地解释光的干涉、衍射等现象，但是，光的电磁说并不能成功地说明光的所有现象。早在1887年赫兹在做电磁的实验时，就偶然发现了一个后来被称作光电效应的现象，这个现象使光的电磁说遇到了无法克服的困难.光的本质是什么？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），使验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。一、光电效应表明锌板在射线照射下失去电子而带正电一、光电效应光电子定向移动形成的电流叫光电流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。二.光电效应的实验规律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。因此光照条件一定时，K发射的电子数目一定。实验表明：入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。VGAK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：光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子作减速运动。若c221eUvmce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为遏止电压二.光电效应的实验规律2、存在遏止电压UCEEUFKAIIsUaOU黄光（强）黄光（弱）光电效应伏安特性曲线遏止电压饱和电流蓝光Ub2、存在遏止电压二.光电效应的实验规律VGAK阳极阴极实验表明: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改变是，遏止电压也会改变。c221eUvmce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。2、存在遏止电压二.光电效应的实验规律VGAK阳极阴极经研究后发现：3.存在截止频率c对于每种金属，都相应确定的截止频率c。•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。二.光电效应的实验规律实验结果：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极限频率，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10－9秒（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。4、具有瞬时性二.光电效应的实验规律VGAK阳极阴极勒纳德等人通过实验得出以下结论：①对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；②当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大(即逸出的电子越多）；③光电子的最大初动能（或初速度）与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；④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10-9秒.二.光电效应的实验规律以上三个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。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。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。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.温度不高时，电子不能逸出，是由于受到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣脱出来，必须克服这个引力做功。三.光电效应解释中的疑难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。h四.爱因斯坦的光量子假设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初动能Ek，即：四.爱因斯坦的光量子假设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电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。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。四.爱因斯坦的光量子假设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。爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。4.光电效应理论的验证美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。四.爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦由于对光电效应的理论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。1.在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，这时()A.锌板带正电，指针带负电B.锌板带正电，指针带正电C.锌板带负电，指针带正电D.锌板带负电，指针带负电B2.一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D3.关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是()A.在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子B.光是具有质量、能量和体积的物质微粒子C.光子的能量跟它的频率成正比D.光子客观并不存在，而是人为假设的B4.能引起人的视觉感应的最小能量为10-18J，已知可见光的平均波长约为0.6m，则进入人眼的光子数至少为个，恰能引起人眼的感觉.35.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D练习课本例题P36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由以上分析可知：根据数据作Uc—ν图象即可求得遏止电压Uc=0对应的频率就是截止频率νcUc—ν图象是一条斜率为的直线eh101eUWh202eUWh当入射光频率分别为ν1、ν2时，测出遏止电压U1、U2，由爱因斯坦光电效应方程可得联立上两式，解得eUUh2121其中e为电子的电量，测出U1与U2就可测出普朗克常量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相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。五.康普顿效应康普顿正在测晶体对X射线的散射按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！五.康普顿效应六.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，它所发射的散射光频率应等于入射光频率。光子理论对康普顿效应的解释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。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。七.康普顿散射实验的意义康普顿效应康普顿效应(1892-1962)美国物理学家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）吴有训七.康普顿散射实验的意义2mcEhchcchmcP2hE2chm八.光子的动量动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的.