光的粒子性(公开课)概要.ppt

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（实验）一、光电效应（实验）二、光电效应的规律二、光电效应的规律三、研究波动理论在解释光电效应时的矛盾三、研究波动理论在解释光电效应时的矛盾四、理解爱因斯坦的光子说和光电效应方程四、理解爱因斯坦的光子说和光电效应方程学习目标：学习目标：运用光子说解决矛盾运用光子说解决矛盾一、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。1 1、光电效应的规律、光电效应的规律 如锌板用如锌板用紫外线紫外线照射，照射，能产生光电效应，能产生光电效应，用用可见光可见光照射则不能照射则不能产生光电效应。产生光电效应。实实验验结结论论 入射光的频率必须大于某个值才能产生光电效应，入射光的频率必须大于某个值才能产生光电效应，低于这个值的光，无论光的强度怎样大，也不能产低于这个值的光，无论光的强度怎样大，也不能产生光电效应。生光电效应。实验现象：实验现象：这一频率的界限叫做这一频率的界限叫做极限频率极限频率.（1 1）某光恰能使锌发生光电效应，那么能使表格内哪）某光恰能使锌发生光电效应，那么能使表格内哪些金属发生光电效应些金属发生光电效应?（2 2）表中哪种金属最易发生光电效应）表中哪种金属最易发生光电效应?（3 3）为什么各种金属的极限频率不同）为什么各种金属的极限频率不同?/Hz196260372558660 /nm15.3101411.510148.0710145.3810144.551014铂银锌钾铯几种金属的极限频率 和极限波长问题：问题：1.任何一种金属，都有一个任何一种金属，都有一个极限频率极限频率2 2、光电效应产生的时间、光电效应产生的时间 即使入射光强度非常弱，只要即使入射光强度非常弱，只要入射光频率大于极限频率，电流入射光频率大于极限频率，电流表指针也几乎随着入射光照射立表指针也几乎随着入射光照射立即偏转，精确实验表明，即偏转，精确实验表明，光电子光电子发射的时间为发射的时间为1010-9-9秒。秒。3 3、光电子最大初动能、光电子最大初动能(1)最大初动能的概念最大初动能的概念(2)最大初动能的决定因素最大初动能的决定因素 光电效应中从金属出来光电效应中从金属出来的电子，有的从金属表面直的电子，有的从金属表面直接飞出，有的从内部出来沿接飞出，有的从内部出来沿途与其它粒子碰撞，损失部途与其它粒子碰撞，损失部分能量，因此电子速度会有分能量，因此电子速度会有差异，直接从金属表面飞出差异，直接从金属表面飞出的速度最大，其动能为的速度最大，其动能为最大最大初动能初动能。(1)(1)最大初动能的概念最大初动能的概念vV（2 2）最大初动能的决定因素）最大初动能的决定因素 光电子的最大初动能与入光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大。率的增大而增大。光电效应的规律光电效应的规律3 3、光电子的最大初动能、光电子的最大初动能E Ek k 与入射光强度无与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大关，只随入射光频率的增大而增大 2 2、光电效应的发生几乎是瞬时的、光电效应的发生几乎是瞬时的1010-9-9s s 1 1、任何一种金属，都存在极限频率，只有、任何一种金属，都存在极限频率，只有当入射当入射 光的频率大于光的频率大于极限频率极限频率，才能发，才能发生光电效应生光电效应 思考思考为什么说光的波动理论无法解释光电效应的规律？为什么说光的波动理论无法解释光电效应的规律？光的波光的波动理论是怎动理论是怎样描述光的样描述光的能量的呢？能量的呢？1 1、能量是连续的、能量是连续的2 2、光强（振幅）越大，光能越大，光的能量与、光强（振幅）越大，光能越大，光的能量与 频率无关频率无关 光的波动理论描述光的能量光的波动理论描述光的能量1 1、波动理论无法解释极限频率、波动理论无法解释极限频率2 2、光电子最大初动能的大小应与光强有关，与、光电子最大初动能的大小应与光强有关，与 频率无关频率无关 波动理论在解释光电效应时的矛盾波动理论在解释光电效应时的矛盾3 3、弱光照射时应有能量积累过程，不应瞬时发生、弱光照射时应有能量积累过程，不应瞬时发生光子说光子说爱因斯坦在爱因斯坦在19051905年提出，在空间中传播年提出，在空间中传播的光也不是连续的，而是一份一份的，每一的光也不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子份叫做一个光量子，简称光子.光子的能量和频率成正比：光子的能量和频率成正比：逸出功逸出功：电子从金属中飞出时需要克服：电子从金属中飞出时需要克服原子核对它的吸引而做功，使电子脱离原子核对它的吸引而做功，使电子脱离某种金属所做功的某种金属所做功的最小值最小值叫做这种金属叫做这种金属的逸出功。用的逸出功。用 W W 表示表示爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程E EK K 表示最大初动能表示最大初动能光电效应有力地证明了光具有粒子性光电效应有力地证明了光具有粒子性EK=hv-w当光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，电子的动能立刻增大并不需要积累能量的过程，如果电子的动能足够大，能克服内部原子 核对它的引力，就可以离开金属的表面逸离出来，成为光电子。如果入射光子的频率比较低，它的能量不能产生光电效应，而将所吸收的光子能量立刻转化为内能，这就是金属存在极限频率的原因。光的强度：光的强度：指的是单位时间里入指的是单位时间里入射到射到(金属金属)单位面积的光子总能量单位面积的光子总能量光的强度取决于：光的强度取决于：单位时间内照单位时间内照射的光子的个数和单个光子的能射的光子的个数和单个光子的能量量4 4、光电流强度的决定、光电流强度的决定 当入射光的频率大于极限频率时，当入射光的频率大于极限频率时，光电流强度与入射光的强度成正比。光电流强度与入射光的强度成正比。实验结论是实验结论是:光电效应的规律光电效应的规律2 2、光电子的最大初动能、光电子的最大初动能E EK K 与入射光强度无关，与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大只随入射光频率的增大而增大 3 3、光电效应的发生几乎是瞬时的、光电效应的发生几乎是瞬时的 4 4、光电流随入射光强度的增大而增大、光电流随入射光强度的增大而增大1 1、任何一种金属，都存在极限频率，只有当入射、任何一种金属，都存在极限频率，只有当入射 光的频率大于极限频率，才能发生光电效应光的频率大于极限频率，才能发生光电效应（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：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 W0一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：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，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反向电压U+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 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经研究后发现：经研究后发现：（3 3）光子说对光电效应的解释）光子说对光电效应的解释爱因斯坦方程表明，光电子的初动能爱因斯坦方程表明，光电子的初动能E Ek k与与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当有当hWhW0 0时，才有光电子逸出，时，才有光电子逸出，就是就是光电效应的截止频率。光电效应的截止频率。电子一次性吸收光子的全部能量，不需要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积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。生的。光强较大时，包含的光子数较多，照射金光强较大时，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。属时产生的光电子多，因而饱和电流大。光电效应的规律光电效应的规律2 2、光电子的最大初动能、光电子的最大初动能E EK K 与入射光强度无关，与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大只随入射光频率的增大而增大 3 3、光电效应的发生几乎是瞬时的、光电效应的发生几乎是瞬时的 4 4、光电流随入射光强度的增大而增大、光电流随入射光强度的增大而增大1 1、任何一种金属，都存在极限频率，只有当入射、任何一种金属，都存在极限频率，只有当入射 光的频率大于极限频率，才能发生光电效应光的频率大于极限频率，才能发生光电效应 目标检测：目标检测：1、在演示光电效应的实验中，原来不带电、在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射时，验电器张开了一个角度，如灯照射时，验电器张开了一个角度，如用一带负电的金属属小球与锌板接触，用一带负电的金属属小球与锌板接触，验电器张角变小，说明（验电器张角变小，说明（）A A、锌板带正电，指针带负电、锌板带正电，指针带负电B B、锌板带正电，指针带正电、锌板带正电，指针带正电C C、锌板带负电，指针带负电、锌板带负电，指针带负电D D、锌板带负电，指针带正电、锌板带负电，指针带正电B2红、橙、黄、绿红、橙、黄、绿4种单色光中，光子种单色光中，光子能量最小的是：能量最小的是：()A红光红光 B橙光橙光 C黄光黄光 D绿光绿光A A 3.3.用某种单色光照射某种金属表面，发生光用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应电效应.现将该单色光的光强减弱则：现将该单色光的光强减弱则：()()A.A.光电子的最大初动能不变光电子的最大初动能不变 B.B.光电子的最大初动能减少光电子的最大初动能减少 C.C.单位时间内产生的光电子数减少单位时间内产生的光电子数减少 D.D.可能不发生光电效应可能不发生光电效应ACAC4.4.用爱因斯坦光子说解释光电效应时正确的用爱因斯坦光子说解释光电效应时正确的说法是说法是 ：()()A A每个光电子都是吸收一个光子后跑出来的每个光电子都是吸收一个光子后跑出来的B B光电子克服原子核的引力并从金属内部逸光电子克服原子核的引力并从金属内部逸出来所需要的能量等于逸出功出来所需要的能量等于逸出功C.C.光电子的最大初动能与入射光的频率成正光电子的最大初动能与入射光的频率成正比比D.D.以上说法都不正确以上说法都不正确A A5 5、（、（0606年高考题）已知能使某金属产生光电年高考题）已知能使某金属产生光电效应的极限频率为效应的极限频率为0 0，则（则（）A A、当用、当用2 2 0 0 的单色光照射时，一定能产生的单色光照射时，一定能产生 光电子光电子B B、当用、当用2 2 0 0 的单色光照射时，所产生光电的单色光照射时，所产生光电子的最大初动能为子的最大初动能为hh0 0 C C、当照射光的频率、当照射光的频率大于大于0 0时，若时，若增大增大一倍，则逸出功增大一倍，则逸出功增大D D、当照射光的频率、当照射光的频率大于大于0 0时，若时，若增大增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍AB1.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。五、康普顿效应五、康普顿效应3 3、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：4.4.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。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。（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本节课小结本节课小结光的粒子性光的粒子性一、光电效应现象一、光电效应现象二、光电效应的基本规律二、光电效应的基本规律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.入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，不同金属的截止频率不同；不同金属的截止频率不同；（3 3）光子说对光电效应的解释）光子说对光电效应的解释（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：三、光电效应解释中的疑难三、光电效应解释中的疑难五、康普顿效应五、康普顿效应六、光子的动量六、光子的动量五、康普顿效应五、康普顿效应