17.2《科学转折：光粒子性》课件-新人教选修3-5(精品).ppt

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1、物理难题：物理难题：1888年，霍瓦年，霍瓦(Hallwachs)发现发现一充负电的金属板被紫外光照射会放电一充负电的金属板被紫外光照射会放电。近近10年以后，因为年以后，因为1897年年，J.Thomson才才发现电子发现电子，此时，此时，人们认识到那就是从金人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子作光电子(photoelectron)，相应的效应叫相应的效应叫做光电效应做光电效应。人们本着对光的完美理论。人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？现什么结果？光电效应光

2、电效应 光子光子第二节第二节(2(2课时课时)第第1课时课时问题问题1：回顾前面的学习，总结回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展人类对光的本性的认识的发展过程？过程？用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电 器张角增大到约为 30度时，再用与丝绸摩擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。一、光电效应现象一、光电效应现象表明锌板在射线照射下失去电子而带正电定义：定义：在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫做光电子1.1.什么是光电效应什么是光电效应 当光线照射在金属表面时，金属当光线照射在金属表面时，金属

3、中有电子逸出的现象，称为光电效应。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逸出的电子称为光电子。一、光电效应一、光电效应阳阳极极阴阴极极石英窗石英窗 光线经石英窗照在阴极上，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出便有电子逸出-光电子光电子。光电子在电场作用下形成光电流。光电子在电场作用下形成光电流。2.2.光电效应的实验规律光电效应的实验规律1.1.光电效应实验光电效应实验阳阳极极阴阴极极 将换向开关反接，电场反向，将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。场阻碍作用。当当 K K、A A 间加反向电压，光间加反向电压，光电子克服

4、电场力作功，当电压达电子克服电场力作功，当电压达到某一值到某一值 U Uc c 时，光电流恰为时，光电流恰为0 0。U Uc c称称遏止电压遏止电压。遏止电压遏止电压IUcOU光光 强强 较较 弱弱光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线光电效应实验装置光电效应实验装置遏遏止止电电压压 一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律阳阳极极阴阴极极IIsUaOU光光 强强 较较 强强光光 强强 较较 弱弱光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线光电效应实验装置光电效应实验装置遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流 一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律阳阳极极阴阴极极阳阳极极阴阴极极石英石英窗窗

5、2.2.光电效应实验规律光电效应实验规律.光电流与光强的关系光电流与光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比。饱和光电流强度与入射光强度成正比。.截止频率截止频率c-极限频率极限频率对于每种金属材料，都相应的有一确对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率定的截止频率c。当入射光频率当入射光频率 c 时，电子才能逸时，电子才能逸出金属表面；出金属表面；当入射光频率当入射光频率 c时，无论光强多大也无电子逸出金时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。属表面。光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间时间 10-9s。经典理论无法解释光电效应的实

6、验结果经典理论无法解释光电效应的实验结果。经典认为，经典认为，按照经典电磁理论，入按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，就越大，光电子逸出的能量也应该越大。光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率率有关，更不应该有什么截止频率。光电效应实验表明：饱和电流不仅与光光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光

7、电子初动能也强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。率时，无论光强再大也没有光电流。光电效应具有瞬时性。而光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。积累过程。为了解释光电效应，为了解释光电效应，爱因斯坦在能量爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论子假说的基础上提出光子理论，提出了光，提出了光量子假设。量子假设。3.3.爱因斯坦

8、的光量子假设爱因斯坦的光量子假设1.1.内容内容 光不仅在发射和吸收时以能量为光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为频率为 的的光是由大量能量为光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流，这光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。运动。在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子逸出后另一部分变为光电子逸出后的动能的动能 Ek。由能量守恒可得出：由

9、能量守恒可得出：2.2.爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；为光电子的最大初动能。为光电子的最大初动能。3.3.从方程可以看出光电子初动能和照射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光的频率成线性关系 4.4.从光电效应方程中，当初动能为零时，从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极极限频率：可得极极限频率：爱因斯坦对光电效应的解释：爱因斯坦对光电效应的解释：1.1.光强大，光子数多，释放的光电子也光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。多，所以光电流也大。2.2.电子只要吸收一个光

10、子就可以从金属电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。表面逸出，所以不需时间的累积。由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电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效应的实验规律,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解释了光电效应，但当时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。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

11、光电效应应”实验，结果在实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的的值与理论值完全一致，又一次证明了值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子”理论理论的正确。的正确。爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和光电效应光电效应，特别是通过著名，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验，证明电荷有最小单位。小单位。获得获得19231923年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖。放大器放大器控制机构控制机构

12、可以用于自动控可以用于自动控制，自动计数、自动制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。报警、自动跟踪等。4.4.光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用1.1.光控继电器光控继电器可对微弱光线进行放可对微弱光线进行放大，可使光电流放大大，可使光电流放大105108 倍，灵敏度倍，灵敏度高，用在工程、天文、高，用在工程、天文、科研、军事等方面。科研、军事等方面。2.2.光电倍增管光电倍增管应 用光电管光电源电流计IAK 康普顿效应康普顿效应第第2课时课时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,因而传因而传播方向发生改变播方向发生改变,这种现象叫做这种

13、现象叫做光的散射光的散射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 射线通过物射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有质散射的实验时，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，其波长的改入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角变量与散射角有关，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。一一.康普顿散射的实验装置与规律：康普顿散射的实验装置与规律：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 康普顿正在

14、测晶体康普顿正在测晶体对对X 射线的散射射线的散射 按经典电磁理论：按经典电磁理论：如果入射如果入射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 不会改变的！不会改变的！康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点：1.除原波长除原波长 0外出现了移向外出现了移向长波方向的新的散射波长长波方向的新的散射波长 。2.新波长新波长 随散射角的增大随散射角的增大而增大。而增大。散射中出现散射中出现 0 的现象，称的现象，称为为康普顿散射。康普顿散射。波长的偏移为波长的偏移为=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj.o（A）0.7000.750波长波长.0 称为电子的称为

15、电子的Compton波长波长只只有有当当入入射射波波长长 0与与 c可可比比拟拟时时，康康普普顿顿效效应应才才显显著著，因因此此要要用用X射射线线才才能能观观察察到到康康普普顿顿散散射射，用用可可见光观察不到康普顿散射。见光观察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角波长的偏移只与散射角 有关，有关，而与散射物质而与散射物质种类及入射的种类及入射的X X射线的波长射线的波长 0 0 无关，无关，c=0.0241=2.41 10-3nm（实验值）实验值）遇到的困难遇到的困难经典电磁理论在解释康普顿效应时经典电磁理论在解释康普顿效应时2.2.无法解释波长改变和散射角的关系。无法解释波长改变和散射角的关

16、系。射光频率应等于入射光频率。射光频率应等于入射光频率。其频率等于入射光频率，所以它所发射的散其频率等于入射光频率，所以它所发射的散过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，1.1.根据经典电磁波理论，当电磁波通根据经典电磁波理论，当电磁波通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 康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的子能量几乎不变，波长不变。子能量几乎不变，波长不变。小于原子质量，根据碰撞理论，小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光碰撞前后光光子将与整个原子交换能量光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远由于光子质

17、量远2.若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，是散射光的波长大于入射光的波长。是散射光的波长大于入射光的波长。部分能量传给电子部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于散射光子的能量减少，于1.若光子和外层电子相碰撞，光子有一若光子和外层电子相碰撞，光子有一结果，具体解释如下：结果，具体解释如下：3.因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度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。有关，所以波长改变和散射角有关。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三三.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

18、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

19、顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。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，四、吴有训对研究康普顿效应的贡献四、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。（1897-19771897-1977）吴有训吴有训光子的能量和动量光子的能量和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