-光的粒子性

光的粒子性1672牛顿微粒说T/年惠更斯波动说1690麦克斯韦电磁说18641905爱因斯坦光子说波动性粒子性1801托马斯·杨双缝干涉实验1814菲涅耳衍射实验赫兹电磁波实验1888赫兹发现光电效应牛顿微粒说占主导地位波动说渐成真理……….光的本性历史回顾紫靛光的颜色波长频率红色约625—740纳米约480—405兆赫橙色约590—625纳米约510—480兆赫黄色约565—590纳米约530—510兆赫绿色约500—565纳米约600—530兆赫青色约485—500纳米约620—600兆赫蓝色约440—485纳米约680—620兆赫紫色约380—440纳米约790—680兆赫波长λ频率ν大小低高一.光电效应现象1.演示实验（2）光电子：在光电效应中逸出的电子称为光电子。（3）光电流：光电子定向移动形成的电流叫光电流2.几个概念（1）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。二.光电效应的实验规律实验电路疑问：光电子的发射与什么因素有关呢？光电效应实验有着怎样的规律？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表中电流增大到某一值后，即使再增大UAK，光电流也不再增大，即达到饱和值。饱和电流意义：饱和电流反映的是单位时间内发射的光电子数。饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。饱和电流光电子数光电效应规律.ifox实验表明：同种颜色的入射光，光越强，饱和电流越大。说明光越强，逸出的光电子越多IIsUaOU黄光（强）黄光（弱）光电效应伏安特性曲线饱和电流使光电流减小到零的反向电压－++++++一一一一一一加反向电压，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所有光电子都无法到达A极板，光电流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vEEUFKA实验表明:对于同一颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.光的频率增大，遏止电压也增大。一.光电效应的实验规律光电效应伏安特性曲线IUaOU黄光（强）黄光（弱）遏止电压蓝光Ub遏止电压光电子最大初动能入射光的频率越高，光电子的最大初动能越大。与入射光的强弱无关。经研究后发现：二.光电效应的实验规律对于每种金属，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。(3)存在截止频率温度不很高时，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。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W0。截止频率逸出功实验结果：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二.光电效应的实验规律(4)具有瞬时性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；③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；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。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.三.光电效应解释中的疑难经典理论认为光的强度反映光的能量，光越强光的能量越大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：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思考与讨论课本P33ceUWh0cceKeUvm：E221因为可得代入0WhEk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eh2.爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0ν0EKν－W00截止频率逸出功3.光子说对光电效应的解释②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，频率越大最大初动能越大，与光强无关。③只有当hνW0时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率。hWc0④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。①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E光强=nhνn：单位时间打到单位面积上的光子数一个电子只能吸收一个光子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康普顿效应科学的转折：光的粒子性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。一.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一.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！一.康普顿效应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①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。②无法解释波长改变和散射角关系。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。③因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。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j（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的粒子性一、光电效应的基本规律小结1.光电效应现象2.光电效应实验规律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，光电流的强度与入射光的强度成正比；③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；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.（3）光子说对光电效应的解释（2）爱因斯坦的光电效应方程三、爱因斯坦的光电效应方程（1）光子：二、光电效应解释中的疑难五、光子的动量四、康普顿效应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，验电器的指针张开了一个角度，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，指针带负电D．锌板带负电，指针带正电练习2．利用光子说对光电效应的解释，下列说法正确的是()A．金属表面的一个电子只能吸收一个光子B．电子吸收光子后一定能从金属表面逸出，成为光电子C．金属表面的一个电子吸收若干个光子，积累了足够的能量才能从金属表面逸出D．无论光子能量大小如何，电子吸收光子并积累了能量后，总能逸出成为光电子练习3.人们发现光电效应具有瞬时性和对各种金属都存在极限频率的规律。请问谁提出了何种学说很好地解释了上述规律?已知锌的逸出功为3．34eV，用某单色紫外线照射锌板时，逸出光电子的最大速度为106m／s，求该紫外线的波长λ。(电子质量m。=9．11x10—31kg，普朗克常量h=6．63x10—34j·s，1eV=1．60x10—19J)练习