17.2-光的粒子性解析优秀PPT.ppt

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1、17.2 17.2 光的粒子性光的粒子性一、人类对光的本性相识的历史进程：一、人类对光的本性相识的历史进程：微粒说：微粒说：认为光是一种粒子认为光是一种粒子 代表人物：牛顿代表人物：牛顿 波动说：波动说：认为光是一种波认为光是一种波 代表人物：惠更斯代表人物：惠更斯光的电磁说：光的电磁说：光是电磁波光是电磁波 提出者：提出者：麦克斯韦麦克斯韦二、光电效应与光电流：二、光电效应与光电流：物体在光的照射下放射电子物体在光的照射下放射电子的现象叫光电效应，放射出来的的现象叫光电效应，放射出来的电子叫光电子。电子叫光电子。光电管就是利用光电效应制成光电管就是利用光电效应制成的一种光学元件，它的作用是把

2、光的一种光学元件，它的作用是把光信号转变为电信号信号转变为电信号 由于光电效应由于光电效应在电路中形成的电在电路中形成的电流叫流叫光电流光电流。三三.光电效应的试验规律光电效应的试验规律（1）存在饱和电流）存在饱和电流光照不变，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，即达到饱和值。饱和值。因为光照条件确定时，因为光照条件确定时，K放射的放射的电子数目确定。电子数目确定。试验表明：试验表明：入射光越强，饱和电流越入射光越强，饱和电流越大，大，单位时间内放射的光电子单位时间内放射的光电子数越多。数越多。思索：思索：为为什么要加正什么要加正向向电

3、压电压？不加正向？不加正向电压电压电电路中有路中有电电流流吗吗？分析解答：光束照在阴极分析解答：光束照在阴极K上会上会发生光电效应现象，但只有极少发生光电效应现象，但只有极少的电子能到达阳极的电子能到达阳极A，电路中电，电路中电流很小。加了正向电压后，大量流很小。加了正向电压后，大量的电子在电场力的作用下向阳极的电子在电场力的作用下向阳极运动，形成较大电流。（加正向运动，形成较大电流。（加正向电压的目的是放大试验效果，增电压的目的是放大试验效果，增加试验加试验“可见性可见性”）。）。思索：保持光照条件不变，思索：保持光照条件不变，渐渐加大两极之间的电压，渐渐加大两极之间的电压，大家分析光电流会

4、怎样变更大家分析光电流会怎样变更？阳极阳极阴极阴极：使光电流减小到零的反向电压：使光电流减小到零的反向电压+一一一一 一一一一 一一一一 一一一一 一一一一 一一一一v加反向电压，如右图所示：加反向电压，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。若最大的初动能最大的初动能U=0时，时，I0，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(2)存在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率a.存在存在遏止电压遏止电压UC CEEUFKA试验表明试验表明:对于确定颜色对于确定颜

5、色(频频率率)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.遏止电压遏止电压与什么因素有关呢？与什么因素有关呢？(2)存在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率a.存在存在遏止电压遏止电压UC C光电子的光电子的能量能量只与只与入射入射光的频率光的频率有关，与入射有关，与入射光的强弱无关。光的强弱无关。IIsUaOU黄光（黄光（强）强）黄光（黄光（弱）弱）光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流兰光兰光Ub思索：对刚才的试验，加了思索：对刚才的试验，加了遏止电压后，假如再增大入遏止电压后，假如再增大入射光的强度，电路中会有光射光

6、的强度，电路中会有光电流吗？减弱光的强度，遏电流吗？减弱光的强度，遏止电压会减小吗？止电压会减小吗？经探讨后发觉：经探讨后发觉：b.存在存在截止频率截止频率 c对于每种金属，对于每种金属，都相应确定的截都相应确定的截止频率止频率 c。当入射光频率当入射光频率 c 时，电时，电子才能逸出金子才能逸出金属表面；属表面；当入射光频率当入射光频率 0，亦即 ，c，而c 恰好是光电效应的截止频率(2)Ek曲线如图所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率的变更曲线这里，横轴上的截距是 ；纵轴上的截距是 ；斜率为 hW0W0/hW0/h截止频率(或极限频率)逸出功的负值普朗克常量3.3.爱因斯坦对光电效应规律

7、的说明爱因斯坦对光电效应规律的说明说明截止频率说明截止频率说明饱和光电流说明饱和光电流说明瞬时性说明瞬时性 爱因斯坦光子假说圆满说明白光电效应，但当时爱因斯坦光子假说圆满说明白光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违反了光的并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违反了光的波动理论。波动理论。由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明白光电效由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明白光电效应的试验规律应的试验规律,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。4.4.光电效应理论的验证光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光

8、电光电效应效应”试验，结果在试验，结果在1915年证明白爱因斯坦方程，年证明白爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一样，又一次证明白的值与理论值完全一样，又一次证明白“光量子光量子”理论理论的正确。的正确。金属金属 铯铯 钠钠 锌锌 银银 铂铂 波长波长（m）0.660 00.500 00.372 00.260 00.196 2 频率频率 （Hz）4.54510146.000 10148.065 10141.153 10141.529 1014部分金属的极限频率和波长部分金属的极限频率和波长几种金属的逸出功几种金属的逸出功铯铯钙钙镁镁铍铍钛钛逸出功逸出功W/eV1.92.73.73.94.12、

9、从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系、从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系3、光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大、光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大1、从光电效应方程中，当时动能为零时，可得极限频率：、从光电效应方程中，当时动能为零时，可得极限频率：4、电子只要吸取一个光子就可以从金属表面逸出所以不需时、电子只要吸取一个光子就可以从金属表面逸出所以不需时间的累积。间的累积。爱因斯坦对光电效应的说明：爱因斯坦对光电效应的说明：由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明白光电由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明白光电效应的试验规律效应的试验规律

10、,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。爱因斯坦光子假说圆满说明白光电效应，但当时爱因斯坦光子假说圆满说明白光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违反了光的并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违反了光的波动理论。波动理论。4.4.光电效应理论的验证光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应光电效应”试验，结果在试验，结果在1915年证明白爱因斯坦方程，年证明白爱因斯坦方程，h 的值的值与理论值完全一样，又一次证明白与理论值完全一样，又一次证明白“光量子光量子”理论的正理论的正确。确。爱因斯坦由于对光

11、电效爱因斯坦由于对光电效应的理论说明和对理论应的理论说明和对理论物理学的贡献获得物理学的贡献获得19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于探讨基本电荷和密立根由于探讨基本电荷和光电效应，特殊是通过著名光电效应，特殊是通过著名的油滴试验，证明电荷有最的油滴试验，证明电荷有最小单位。获得小单位。获得19231923年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖。1.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,因而传播方因而传播方向发生变更向发生变更,这种现象叫做光的散射这种现象叫做光的散射2.2.康普顿效应康普顿效应 1923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物

12、质散射的试验时，射线通过物质散射的试验时，发觉散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有发觉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，其波长的变更量与散射角比入射线波长更长的射线，其波长的变更量与散射角有关，而与入射线波长有关，而与入射线波长 和散射物质都无关。和散射物质都无关。六六.康普顿效应康普顿效应3.3.康普顿散射的试验装置与规律：康普顿散射的试验装置与规律：晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 六六.康普顿效应康普顿效应康普顿正在测晶体康普顿正在测晶体对对X 射线的散射射线的

13、散射 按经典电磁理论：按经典电磁理论：假如入射假如入射X X光是某光是某 种波长的电磁波，种波长的电磁波，散射光的波长是散射光的波长是 不会变更的！不会变更的！六六.康普顿效应康普顿效应1.1.经典电磁理论在说明康普顿效应时遇到的困难经典电磁理论在说明康普顿效应时遇到的困难康普顿效应说明中的疑难康普顿效应说明中的疑难 依据经典电磁波理论，当电磁波通过物质依据经典电磁波理论，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，所以它所放射的散射光频等于入射光频率，所以它所放射的散射光频率应等于入射光频率。率应等于入射光频率。无法说明波长变更

14、和散射角关系。无法说明波长变更和散射角关系。2.2.光子理论对康普顿效应的说明光子理论对康普顿效应的说明康普顿效应说明中的疑难康普顿效应说明中的疑难 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量削减，于是散射光量传给电子，散射光子的能量削减，于是散射光的波长大于入射光的波长。的波长大于入射光的波长。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，依据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长变更和散射角有关。所

15、以波长变更和散射角有关。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.首次在试验上证明白首次在试验上证明白“光子具有动量光子具有动量”的假设；的假设；3.3.证明白在微观世界的单个碰撞事务中，动量和证明白在微观世界的单个碰撞事务中，动量和能量守恒定律照旧是成立的。能量守恒定律照旧是成立的。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一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，始终认为散射光频率的变更是由于几篇论文中，始终认为散射光频率的变更是由于“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，后来才相识到还要用

16、动量守恒。考虑能量守恒，后来才相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。康普顿散射试验的意义康普顿散射试验的意义康康普普顿顿效效应应康康普普顿顿效效应应康普顿康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家美国物理学家192719251926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，4.吴有训对探讨康普顿效应的贡献吴有训对探讨康普顿效应的贡献1923年年,参与了发觉康普顿效应的探讨工作参与了发觉康普顿效应的探讨工作.对证明康普顿效应作出了对证明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。（1897-19771897-1977）吴有训吴有训康普顿散射试验的意义康普顿散射试验的意义七七.光子的动量光子的动量动量能量是描述粒子的动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的频率和波长则是用来描述波的2022/10/31