高中物理选修3-5：17.2-光的粒子性

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、光电效应现象用导线将带负电的锌板与验电器相连，验电器指针张开。用弧光灯照射擦得很亮的锌板，验电器张角先闭合后再张开。结论：锌板在射线照射下失去电子而带正电。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。1.什么是光电效应三、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。VGAK阳极阴极实验表明：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。对存在饱和电流的解释：在一定的光照条件下，单位时间内阴极发射出的光电子数目是一定的，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。VGAK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。VGAK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遏止电压的存在说明光电子具有一定的最大初动能遏止电压与光的颜色（频率）有关，与入射光的强弱无关对存在遏止电压的解释：++++++一一一一一一EEF－vUKAc221eUvmcec221eUvmce1.遏止电压的存在说明光电子具有一定的最大初动能2.遏止电压与光的颜色（频率）有关，与入射光的强弱无关3.光电子的能量只与入射光的颜色（频率）有关，与入射光的强弱无关3、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或极限频率。VGAK阳极阴极注（1）入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。（2）不同金属的截止频率不同。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Is4、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。即光效应几乎是瞬时发生的。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.一.光电效应的实验规律逸出功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。√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。二.光电效应解释中的疑难经典的理论无法解释光电效应中的一些现象：困难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。困难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。困难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10-9s1.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：三.爱因斯坦的光电效应方程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：三.爱因斯坦的光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。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。三.爱因斯坦的光光电效应方程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。三.爱因斯坦的光光电效应方程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。思考与讨论课本P36ceUWh0cceKeUvm：E221因为可得代入0WhEk放大器控制机构可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。四.光电效应在近代技术中的应用1.光控继电器K1K2K3K4K5KA可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105~108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。2.光电倍增管•光电管•光电源电流计IAK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。