光的粒子性公开课ppt课件.ppt

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1、1717世纪明确形成世纪明确形成了两大对立学说了两大对立学说牛顿牛顿惠更斯惠更斯微粒说微粒说波动说波动说1919世纪初证明了世纪初证明了波动说的正确性波动说的正确性由于波动说没有由于波动说没有数学基础以及牛数学基础以及牛顿的威望使得微顿的威望使得微粒说一直占上风粒说一直占上风1919世纪末光电效应现象使得世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在爱因斯坦在2020世纪初提出了世纪初提出了光子说：光具有粒子性光子说：光具有粒子性 对光的研究对光的研究从很早就开始了从很早就开始了 复习：普朗克的能量子说复习：普朗克的能量子说 黑体在辐射或吸收能量时，是一份黑体在辐射或吸收能量时，是一份一份地辐射或吸收的，每

2、一份叫做一个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能量子，每一个能量子的能量ch =h第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性第二节第二节 光的粒子性光的粒子性一、光电效应现象一、光电效应现象点击点击演示：光电效应实验：演示：光电效应实验：用紫外线照射锌板用紫外线照射锌板可清楚看到：可清楚看到：灵敏验电器指针张开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面逸出电子的现象叫 光电效应光电效应发射出来的电子叫发射出来的电子叫光电子光电子光电子定向移动形成的电流叫光电子定向移动形成的电流叫光电流光电流在紫外线的

3、照射下，在紫外线的照射下，有电子从锌板飞出，有电子从锌板飞出，锌板带了正电。锌板带了正电。2 2、存在着遏止电压和截止频率、存在着遏止电压和截止频率下面我们来继续探讨下面我们来继续探讨二、光电效应的基本规律二、光电效应的基本规律3 3、效应具有瞬时性、效应具有瞬时性1 1、存在着饱和电流、存在着饱和电流1 1、存在着饱和电流、存在着饱和电流实验表明：实验表明：入射光越强，饱和电流越大；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。入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。光照不变，增大光照不变，增大UAK，G表中电流表中电流达到某一值后不再增大，即达到达到某一值后不再增大

4、，即达到饱和值。饱和值。因为光照条件一定时，因为光照条件一定时，K发射的发射的电子数目一定。电子数目一定。单色光单色光阳极GVAKR阴极2 2、存在着遏止电压和截止频率、存在着遏止电压和截止频率(1)(1)存在遏止电压存在遏止电压U :U :c使光电流减小到零的使光电流减小到零的反向电压反向电压U+ + + + + + 一 一 一 一 一 一v加反向电压，加反向电压，如右图所示：如右图所示：光电子所受电场力方向与光电子光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子作减速运速度方向相反，光电子作减速运动。若动。若eUcvmce221cv速率最大的是最大的初动能最大的初动能U=0时，时，I0，

5、因为电子有初速度因为电子有初速度则则I=0，式中，式中UC为为遏止电压遏止电压我们来看如图所示的实验：我们来看如图所示的实验：GVAKR单色光单色光实验表明实验表明:对于一定颜色对于一定颜色(频率频率)的光的光, 无论光的强弱如何无论光的强弱如何,遏止电压是一样的遏止电压是一样的.当图中电流表当图中电流表G G 的读数为的读数为0 0时，时，伏特表伏特表V V的读数就是下式中的的读数就是下式中的“U Uc c”。阳极阴极eUcvmce2212 2、存在着遏止电压和截止频率、存在着遏止电压和截止频率科学家曾做过类似于左图科学家曾做过类似于左图 的实的实验，他们用不同的单色光照射验，他们用不同的单

6、色光照射某种金属，看看哪些频率的光某种金属，看看哪些频率的光照射时能产生光电效应。再用照射时能产生光电效应。再用不同的单色光照射别的金属，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又看看哪种频率的光照射时产生光电效应。生光电效应。任何一种金属，都有一个任何一种金属，都有一个截止频率率，入射光的频率必，入射光的频率必须大于这个须大于这个截止截止频率频率才能产生光电效应，低于这个频才能产生光电效应，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。同金属的截止频率不同。(2)(2)存在截止频率存在截止频率 : :c

7、经研究后发现：经研究后发现：3 3、效应具有瞬时性、效应具有瞬时性GVAKR单色光单色光实验结果：即使入射光的强度实验结果：即使入射光的强度非常微弱，非常微弱，只要入射光频率大只要入射光频率大于被照金属的极限频率，于被照金属的极限频率，电流电流表指针也几乎是随着入射光照表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。射就立即偏转。更精确的研究推知，光电子发更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过射所经过的时间不超过10109 9 秒秒（这个现象一般称作（这个现象一般称作“光电子光电子的瞬时发射的瞬时发射”）。）。光电效应在极短的时间内完成 光电效应实验规律小结光电效应实验规律小结入射光越入射光越

8、强强，饱和电流越，饱和电流越大大。光电子的最大初动能光电子的最大初动能( (或或遏止电遏止电压压) )与入射光的强度无关，只随与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大。着入射光的频率增大而增大。表明存在表明存在截止频率截止频率（极限频率）（极限频率）。入射光的频率必须大于这个频。入射光的频率必须大于这个频率，才能发生光电效应。不同金率，才能发生光电效应。不同金属属截止频率不同截止频率不同。入射光照到金属上时，光电子入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是的发射几乎是瞬时的瞬时的，一般不超，一般不超过过1010-9-9秒。秒。 VGAK阳极阳极阴极阴极经典电磁理论观点经典电磁理论观点: :

9、 光的能量是由光的强度决定的光的能量是由光的强度决定的, ,与频率与频率无关。光的能量是连续的。无关。光的能量是连续的。三、光电效应解释中的疑难三、光电效应解释中的疑难经典电磁理论认为经典电磁理论认为.而实验结论而实验结论.光越强，逸出的电子数越多光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大，光电流也就越大发生光电效应时，入射光越强，发生光电效应时，入射光越强，饱和电流越大饱和电流越大光越强，光电子的初动能应光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压该越大，所以遏止电压U UC C应应与光的强弱有关与光的强弱有关对一定频率的光对一定频率的光, ,无论光的强弱如无论光的强弱如何何, ,遏止电压是一

10、样的。光的频率遏止电压是一样的。光的频率 改变时会改变改变时会改变; ;光电子的最大初光电子的最大初动能只与入射光的频率有关动能只与入射光的频率有关不管光的频率如何，只要光不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存能量从而逸出表面，不应存在截止频率在截止频率当入射光的频率低于截止频率当入射光的频率低于截止频率时，不能发生光电效应时，不能发生光电效应如果光很弱，按经典电磁理如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间表面所需的能量，这个时间远远

11、大于远远大于1010-9-9s s入射光照到金属上时，光电子入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不的发射几乎是瞬时的，一般不超过超过1010-9-9秒秒相符相符矛盾矛盾矛盾矛盾矛盾矛盾逸出功逸出功W0 使电子脱离某种金属所做功的使电子脱离某种金属所做功的最小值最小值，叫，叫做这种金属的逸出功。做这种金属的逸出功。每种金属都有自己一定的逸出功每种金属都有自己一定的逸出功W W0 0 光照到金属表面，电子吸收能量，当具有的光照到金属表面，电子吸收能量，当具有的能量大于金属的逸出功能量大于金属的逸出功W W0 0 ，就可能从表面飞出成，就可能从表面飞出成为光电子。为光电子。四、爱因斯坦

12、的光电效应方程四、爱因斯坦的光电效应方程（1 1）光子：）光子：光本身就是由一个个不可分割的光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为能量子组成的，频率为的光的的光的能量子为能量子为h 。这些能量子后来被。这些能量子后来被称为称为光子光子。爱因斯坦的光子说爱因斯坦的光子说hE 爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：发，他提出：（2）爱因斯坦的光电效应方程）爱因斯坦的光电效应方程四、爱因斯坦的光电效应方程四、爱因斯坦的光电效应方程（1 1）光子：）光子：0WEhk0WhEk或光电子最大初动能光电子最大初动能 金属的逸出功金属的逸出功 W0221

13、cekvmE一个电子吸收一个光子的能量一个电子吸收一个光子的能量h后，一部分能后，一部分能量用来克服金属的逸出功量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸，剩下的表现为逸出后电子的初动能出后电子的初动能Ek，即：，即：光电子的光电子的最大初动能最大初动能与入射与入射光的强度无关，只随入射光光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大频率的增大而增大入射光照到金属上时，光电子入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是的发射几乎是瞬时瞬时的（的（ t t1010-9-9秒）秒）入射光越强，单位时间内入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。发射的光电子数越多。光电效应规律光电效应规律光子理论的解释光子理论

14、的解释任何一种金属，都有一个任何一种金属，都有一个极限极限频率频率，入射光频率必须大于这，入射光频率必须大于这个极限频率才能产生光电效个极限频率才能产生光电效（3 3）爱因斯坦方程对光电效应的解释）爱因斯坦方程对光电效应的解释0WhEk光强越大，光子数目越多，即单光强越大，光子数目越多，即单位时间内产生光电子数目越多，位时间内产生光电子数目越多，光电流光电流越大越大. . （ ） 0（由频率决定由频率决定）hW0产生光电效应条件产生光电效应条件（截止频率截止频率）一个光子携带的能量一个光子携带的能量 一次性一次性被一个电子吸收，若被一个电子吸收，若 ，电子立即逸出，无需时间积累。电子立即逸出，

15、无需时间积累。h0最大初动能最大初动能0WhEk思考与讨论思考与讨论课本课本P33ceUWh0cceKeUvm：E221因为可得代入0WhEk练习练习课本例题课本例题P34分析ceUWh0由上面讨论结果由上面讨论结果eWehUc0可得：可得： 对于一定金属，逸出功对于一定金属，逸出功W0是确定的，电子电荷是确定的，电子电荷e和普朗克常量和普朗克常量h都是常量。都是常量。所以遏止电压UC与光的频率之间是线性关系eW0hW0即：Uc图象是一条斜率为 的直线eh练习练习课本例题课本例题P34分析ceUWh0由上面讨论结果由上面讨论结果eWehUc0可得：eW0hW0cceKeUvm：E221因为遏止

16、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所以与遏止电压U Uc c=0=0对应的频率应该是截止频率对应的频率应该是截止频率c c00ceUWh0WhC由以上分析可知：由以上分析可知：根据数据作根据数据作Uc图象即可求得图象即可求得遏止电压遏止电压U Uc c=0=0对应的频率就是截止频率对应的频率就是截止频率c cU Uc c图象是一条斜率为图象是一条斜率为 的直线的直线eh康康普普顿顿效效应应康康普普顿顿效效应应A.H.Conpton康普顿康普顿(1892-1962)美国物理学家A.H.Conpton康普顿康普顿（五）（五）一、

17、光的散射一、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, ,因而传因而传播方向发生改变播方向发生改变, ,这种现象叫做光的散射。这种现象叫做光的散射。 1918-19221918-1922年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质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散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长0 0相同的射线外，还有相同的射线外，还有比入射线波长比入射线波长0 0更长的更长的射线射线，这个现象称为康普顿效应。，这个现象称为康普顿效应。二、康普顿效应二、康普顿效应 根据经典电磁波理论，由于光是电磁振动根据经典电磁波理论，由于光是电磁振

18、动的传播，入射光引起物质内部带电微粒的受迫的传播，入射光引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒从入射光吸收能量，振动，振动着的带电微粒从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光。并向四周辐射，这就是散射光。 散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射光的频率。这与实验事实的频率，也就是入射光的频率。这与实验事实不符。不符。经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到了困难。经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到了困难。光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释1.1.康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果。康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞

19、的结果。2.2.光子不仅有能量还有动量。光子不仅有能量还有动量。3.3.用动量守恒定律和能量守恒定律可以完美地用动量守恒定律和能量守恒定律可以完美地解释康普顿效应。解释康普顿效应。康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义（1 1）有力地支持了爱因斯坦）有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； （2 2）首次在实验上证实了）首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量” 的假设；的假设；（3 3）证实了）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，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。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，在他早期的康普顿的成功也不是

20、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混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只；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。考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。19251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线( 0 =5.62nm) 为入射线为入射线, 以以15种轻重不同的元素为散射物质，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吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年年,参加了发现康普顿效应的研究工作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对证实康普顿效应作出了重要贡献。重要贡献。在同一散射角在同一散射角( )测量测量各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，作了大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。0120 （1897-19771897-1977） 吴有训吴有训六、光子的能量和动量六、光子的能量和动量2mcE hchcchmcP2hE 2chm