光的粒子性(公开课)

第十七章波粒二象性第二节光的粒子性一、光电效应现象点击演示：光电效应实验：用紫外线照射锌板可清楚看到：灵敏验电器指针张开金属在光（包括不可见光）的照射下，从表面逸出电子的现象叫光电效应发射出来的电子叫光电子光电子定向移动形成的电流叫光电流在紫外线的照射下，有电子从锌板飞出，锌板带了正电。2、存在着遏止电压和截止频率下面我们来继续探讨二、光电效应的基本规律3、效应具有瞬时性1、存在着饱和电流1、存在着饱和电流实验表明：入射光越强，饱和电流越大；入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。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。单色光阳极GVAKR阴极2、存在着遏止电压和截止频率(1)存在遏止电压U:c使光电流减小到零的反向电压－U++++++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eUcvmce221cv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为遏止电压我们来看如图所示的实验：GVAKR单色光实验表明: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.当图中电流表G的读数为0时，伏特表V的读数就是下式中的“Uc”。阳极阴极eUcvmce2212、存在着遏止电压和截止频率科学家曾做过类似于左图的实验，他们用不同的单色光照射某种金属，看看哪些频率的光照射时能产生光电效应。再用不同的单色光照射别的金属，又看看哪种频率的光照射时产生光电效应。任何一种金属，都有一个截止频率，入射光的频率必须大于这个截止频率才能产生光电效应，低于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。不同金属的截止频率不同。(2)存在截止频率ν:c经研究后发现：3、效应具有瞬时性GVAKR单色光实验结果：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”）。光电效应在极短的时间内完成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。三、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。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.温度不很高时，电子不能大量逸出，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。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。爱因斯坦的光子说hE爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：（2）爱因斯坦的光电效应方程四、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：（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。思考与讨论课本P33ceUWh0cceKeUvm：E221因为可得代入0WhEk练习课本例题P36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eh1.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3、康普顿散射的实验装置与规律：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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！康普顿散射曲线的特点：1.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长。2.新波长随散射角的增大而增大。散射中出现≠0的现象，称为康普顿散射。波长的偏移为0=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj................................................................................o（A）0.7000.750λ波长.......0称为电子的Compton波长)cos1(jc只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角j有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长0无关，0c=0.0241Å=2.4110-3nm（实验值）遇到的困难经典电磁理论在解释康普顿效应时2.无法解释波长改变和散射角的关系。射光频率应等于入射光频率。其频率等于入射光频率，所以它所发射的散过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，1.根据经典电磁波理论，当电磁波通光子理论对康普顿效应的解释康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的子能量几乎不变，波长不变。小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远2.若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，是散射光的波长大于入射光的波长。部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于1.若光子和外层电子相碰撞，光子有一结果，具体解释如下：4.康普顿散射实验的意义（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”；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。康普顿效应康普顿效应康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖(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，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j（1897-1977）吴有训六、光子的能量和动量2mcEhchcchmcP2hE2chm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本节课小结光的粒子性一、光电效应现象二、光电效应的基本规律2、存在着遏止电压和截止频率3、效应具有瞬时性1、存在着饱和电流入射光越强，饱和电流越大;入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多.入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，不同金属的截止频率不同；（3）光子说对光电效应的解释（2）爱因斯坦的光电效应方程四、爱因斯坦的光电效应方程（1）光子：三、光电效应解释中的疑难五、康普顿效应六、光子的动量五、康普顿效应