伟大的转折：光的粒子性.ppt
科学的转折：科学的转折：富阳中学 汪燕青光的粒子性光的粒子性光电效应实验规律的研究光电效应实验规律的研究用经典光的电磁理论解释实验规律用经典光的电磁理论解释实验规律难以解决的矛盾难以解决的矛盾爱因斯坦光量子的假设爱因斯坦光量子的假设数学推理（光电效应方程）数学推理（光电效应方程）与实验事实的对照（密立根实验）与实验事实的对照（密立根实验）提出课题：提出课题：光到底是什么？光到底是什么？（从最初的微粒说到波动说的发展历程介绍）（从最初的微粒说到波动说的发展历程介绍）赫赫赫赫 兹兹兹兹Heinrich Heinrich Heinrich Heinrich Rudolf Hertz Rudolf Hertz Rudolf Hertz Rudolf Hertz(1857(1857(1857(18571894)1894)1894)1894)1919世世 纪纪末末，光光的的电电磁磁说说使使光光的的波波动动理理论论发发展展到到了了相相当当完美的地步完美的地步光电效应光电效应 但但是是这这时时又又出出现现了了用用波波动动说说无无法法解解释释的的新新现象现象实验研究实验研究用紫外线灯照射锌板，观察指针的变化。这用紫外线灯照射锌板，观察指针的变化。这个实验说明了什么问题？个实验说明了什么问题？在在光光(包包括括不不可可见见光光)的的照照射射下下物物体体发发射出电子的现象叫做射出电子的现象叫做光电效应光电效应。光电效应光电效应光光电电子子：在在光光的的照照射射下下从从物物体体表表面面发发射出来的射出来的电子。电子。你你在在研研究究过过程程中中，如如果果从从控控制制变变量量方方向向入手展开研究，切入点可选在何处？入手展开研究，切入点可选在何处？入射光的强度入射光的强度入射光的频率入射光的频率金属板的材料金属板的材料照射时间长短照射时间长短光电效应的实验规律光电效应的实验规律可以用光电管进行替代可以用光电管进行替代性实验。性实验。结合电场力做功原理、结合电场力做功原理、光电效应的概念说明实光电效应的概念说明实验电路的工作原理。验电路的工作原理。光电效应的实验规律光电效应的实验规律存在着饱和电流存在着饱和电流入射光越强，单位时入射光越强，单位时间内发射的光电子数间内发射的光电子数越多。越多。光电效应的实验规律光电效应的实验规律存在着遏止电压存在着遏止电压和截止频率和截止频率当当入入射射光光的的频频率率减减小小到到某某一一数数值值时时，即即使使不不加加反反向向电电压压也也没没有有光光电电流流。这这表表明明：入入射射光光的频率低于截止频率时，不能发生光电效应。的频率低于截止频率时，不能发生光电效应。光光的的频频率率改改变变时时，遏遏止止电电压压也也会会改改变变。这这表表明明：光光电电子子的的能能量量只只与与入入射射光光的的频频率率有有关关，而而与与入入射射光光的的强强弱无关。弱无关。光电效应的实验规律光电效应的实验规律光电效应具有瞬时性光电效应具有瞬时性光电效应具有光电效应具有瞬时性瞬时性，从光照射到金，从光照射到金属表面到属表面到 发射出光电子，时间不超过发射出光电子，时间不超过1010-9-9秒。秒。逸出功逸出功W:某种金属中的不同电子，脱离这种金属所需的功不一某种金属中的不同电子，脱离这种金属所需的功不一样，使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种样，使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的金属的逸出功。逸出功。几种金属的逸出功几种金属的逸出功W铯铯钙钙镁镁铍铍钛钛逸出功逸出功W/eV1.92.73.73.94.1金金4.8光电效应解释中的疑难光电效应解释中的疑难 *经典理论认为经典理论认为光强越大，光强越大，光电子的初动能也该大。光电子的初动能也该大。但实验上得出不仅与光强有关而且与频率有关，光电但实验上得出不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。子初动能也与频率有关。*只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为有无光电效应不应与频率有关。而经典认为有无光电效应不应与频率有关。*瞬时性。瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收经典认为光能量分布在波面上，吸收 能量要时间，即需能量的积累过程。能量要时间，即需能量的积累过程。疑难何在？疑难何在？众多的疑难呼唤着新的思想、新的观念、众多的疑难呼唤着新的思想、新的观念、新的理论。新的理论。普朗克普朗克 普朗克普朗克MaxkarlErnstLudwigPlanck（年月日年月日年月日）年月日）量子论：量子论：电磁波的发射和电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一吸收不是连续的，而是一份一份进行的，每一份能份一份进行的，每一份能量叫做能量子。量叫做能量子。普朗克常量：普朗克常量：h=6.63=6.631010-3434J J.s s爱因斯坦爱因斯坦(AlbertEinstein,18791955)爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程1)1)在空间传播的光不是连续的在空间传播的光不是连续的,而是一份一份而是一份一份的的,每一份叫做一个光量子每一份叫做一个光量子,简称简称光子光子。2)2)频率为频率为的光的能量子为的光的能量子为h h，每个光子的能量每个光子的能量跟光的频率成正比跟光的频率成正比爱因斯坦的光子说爱因斯坦的光子说爱因斯坦爱因斯坦光电效应方程：光电效应方程：EKm=h-W0=W/h光电子的最大初动能光电子的最大初动能EK与入射光的频率与入射光的频率有有关，而与光的强弱无关。只有当关，而与光的强弱无关。只有当hW0时时，才才有光电子逸出有光电子逸出。就是截止频率。就是截止频率。电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积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产生累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产生的。的。光较强时，包含的光子数较多，照射金属时光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。产生的光电子较多，因而饱和电流较大。用光子说解释光电效应现象用光子说解释光电效应现象 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当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。就连量子物理创始人普朗克也认为光的波动理论。就连量子物理创始人普朗克也认为太过分了。他在太过分了。他在1907年给年给 爱因斯坦的信中写到：爱因斯坦的信中写到：“我为基本量子（光量子）所我为基本量子（光量子）所寻找的不是它在真空中的意义，寻找的不是它在真空中的意义，而是它在吸收和发射地方的意而是它在吸收和发射地方的意义，并且我认为真空中过程已义，并且我认为真空中过程已由麦克斯韦方程作了精辟的描由麦克斯韦方程作了精辟的描述述”。直到。直到1913年他还对光年他还对光子说持否定态度。子说持否定态度。思考与讨论：思考与讨论：密立根实验：密立根实验：康普顿效应：康普顿效应：光的散射：光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。散射。康普顿效应：康普顿效应：研究石墨对研究石墨对X X射线的散射时，发射线的散射时，发现在散射的现在散射的X X射线中，除了与入射波长射线中，除了与入射波长0 0相同相同的成分外，还有波长大于的成分外，还有波长大于0 0的成分，这种现的成分，这种现象叫做象叫做康普顿效应康普顿效应。用经典理论解释：用经典理论解释：受迫振动的频率应该相同。受迫振动的频率应该相同。用光子模型解释：用光子模型解释：中国留学生中国留学生吴有训吴有训（1897-19771897-1977）测试了多种）测试了多种物质对物质对X X射线的散射，射线的散射，证实了康普顿效应的普证实了康普顿效应的普遍性遍性。光电效应：光电效应：表明光子具有能量。表明光子具有能量。E=h康普顿效应：康普顿效应：表明光子具有能量外，还具表明光子具有能量外，还具有动量。有动量。动量动量p：p=mv光子能量和动量为光子能量和动量为上两式左边是描写粒子性的上两式左边是描写粒子性的、P；右边是描写波动性的右边是描写波动性的、。几种金属的极限频率几种金属的极限频率0和极限波长和极限波长0铯铯钾钾锌锌银银铂铂 0/nm 0/Hz4.5510145.3810148.07101411.5101415.31014660558372260196
