1、物理选修3-5 第十七章 波粒二象性,2 光的粒子性,光是什么？,光是一种电磁波，有波长和频率 c =,不同颜色的光频率不同,光的颜色（频率）由光源来决定，在不同介质中传播时波速会变，但频率不变。,不同颜色的光在真空中传播速度都等于c。,不同颜色的光在同一种介质中传播速度不相同，频率大的速度小,光的干涉、衍射现象说明光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。19世纪60年代，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。然而，出人意料的是，正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候，又发现了用波动说无法解释的新现象光电效应现象。对这一现象及其他相关问题的研究，使得人们对光的又一本质性认识得到了发
2、展。,课本P30,17世纪明确形成了两大对立学说,牛顿,惠更斯,微粒说,波动说,19世纪初证明了波动说的正确性,由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得微粒说一直占上风,19世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在20世纪初提出了光子说：光具有粒子性,对光学的研究,从很早就开始了 ,光的发展过程,T/年,波动性,粒子性,1801,托马斯杨 双缝干涉实验,1814,菲涅耳衍射实验,赫兹电磁波实验,赫兹发现 光电效应,牛顿微粒说占主导地位,波动说 渐成真理,实验装置,一、光电效应现象,一、光电效应现象,当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。,光电子：逸出的电子称为光电子。 光电流：
3、光电子定向移动形成的电流。,光电效应的实质：光现象电现象 光包括不可见光，使锌板发射出电子的光是弧光灯发出的紫外线。,阅读课本P31第一段,二、光电效应的实验规律,电流表：测光电流的大小电压表：测两极之间的电压大小滑动变阻器：改变两极之间的电压大小,光电管,阅读课本P31第二段,实验表明：保持光频率、光强不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后 ，即达到 值。 保持光频率不变，增大光强，饱和电流 。,I,O,UAK,Is,黄光（强）,黄光（弱）,不再增大,饱和,增大,1.存在饱和电流,二、光电效应的实验规律,Is,实验结论： 存在饱和电流，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越 。饱和电流越
4、，,大,多,二、光电效应的实验规律,Is,I,0,UAK,Is,黄光（强）,黄光（弱）,UAK=0时，Is =0吗？,怎样才能让电流减小为0？,二、光电效应的实验规律,反向电压的获取,使光电流减小到零的反向电压.,+ + + + + +,一 一 一 一 一 一,vC,当加反向电压时，如右图所示：,光电子作减速运动。设其中速率最大的是Vc；,最大的初动能,U=0时，I0，,因为电子有初速度；,则I=0，式中UC为遏止电压,2.存在遏止电压UC ：,U,K,A,二、光电效应的实验规律,实验表明：,对于一定颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压 的。,I,I,黄光（ 强）,黄光（ 弱）,遏 止
5、 电 压,蓝光,U2,U1,光的频率改变时， 遏止电压是否会改变？,都是一样,也会改变,2.存在遏止电压,二、光电效应的实验规律,实验结论：光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。,遏止电压与光的频率有关，与入射光的强弱无关， 光的频率v越高，遏止电压越 。,大,二、光电效应的实验规律,2.存在遏止电压,经研究后发现：,3.存在截止频率c,对于每种金属，都相应确定的截止频率c 。,当入射光频率 c 时，电子才能逸出金属表面；,当入射光频率 c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。,乙丙，则（ ） A 用三种入射光照射金属a ，均可发生光电效应 B 用三种入射光照射金属c ，
6、均可发生光电效应 C 用入射光甲和乙同时照射金属c，可能发生光电效应 D 用入射光甲照射金属b ，可能发生光电效应,A,5、用绿光照射一光电管能产生光电效应，欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大应（ ） A、改用红光照射 B、增大绿光的强度 C、增大光电管上的加速电压 D、改用紫光照射,D,以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。,实验结论,经典电磁理论,入射光的越强，饱和电流越大,强度越大，逸出的光电子数越多，光电流越大,遏止电压只与频率有关，而与强度无关。,遏止电压应与入射光的强度有关。,如果光较弱，只要积累足够长时间，电子获得足够能量就会形成光电子,存
7、在截止频率c 当入射光频率低于截止频率，不能发生光电效应,光电效应具有瞬时性,能量的可以随时间积累,对比,吻合,不符,不符,不符,为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。,光电效应解释中的疑难,1.光子说(爱因斯坦于1905年提出),三.爱因斯坦的光电效应方程,阅读课本28页”能量子”和课本32页最后一段，回答以下问题：,（1）在空间传播的光是连续还是是一份一份的？,（2）光子的能量与什么有关系？,（3）光子的能量如何表示？,在空间传播的光不是连续的而是一份一份的，每一份叫做一个光子.,光子的能量跟它的频率成正比,Eh ,表示光的频率,h 叫普朗克常量，h
8、6.6310-34焦耳秒,2.光电效应方程,使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功.,EkhW0,阅读课本32-33页，回答以下问题：,逸出功：,有：W0= h0,不同金属，其逸出功 同。,不,光电效应方程：,一个电子吸收一个光子的能量h后，一部分能量用来克服金属的 ，剩下的表现为逸出后电子的 ，即： 。,逸出功W0,初动能Ek,或,三.爱因斯坦的光电效应方程,三.爱因斯坦的光电效应方程,3.用图象表示光电效应方程,(2)由曲线可以得到的物理量 极限频率：图线与轴交点的横坐标0。 逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0E。 普朗克常量：图线的斜率kh。,(1)最大初动能Ek与
9、入射光频率的关系图线如图,4.对光电效应的实验现象解释：,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。,任何一种金属都存在极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应； 当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比； 光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大； 入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9秒。,三.爱因斯坦的光电效应方程,影响饱和电流、截止频率、遏止电压的因素 1、只要入射光频率超过截止频率，饱和电流的大小只与单位时间内的光子数有关。 2、
10、截止频率只与金属的逸出功有关，即只 与金属的种类有关。 3、遏止电压与入射光频率和逸出功有关。,爱因斯坦提出光子说解释光电效应的时候，实验测量尚不精确，加上这种观点与当时的理论大相径庭，因此并未被物理学家们广泛承认，甚至被说成是“在思辨中迷失目标”的“冒昧的假设”。,光电效应理论的实验证据,美国物理学家密立根，花了十年时间做光电效应实验，测量金属的遏止电压与入射光的频率，由此算出普朗克常量h ，并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，在1915年证实了爱因斯坦的光电效应方程，两种方法得到的普朗克常量h 在0.5%的误差范围内一致，又一次证明了“光量子假说 ”理论的正确。,光电效应显示了光的粒子性
11、。光子不但具有能量，也具有动量。,三.爱因斯坦的光电效应方程,爱因斯坦由于对光电效应的解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖.,密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖.,例题：由密立根实验(Uc和v的关系)计算普朗克常量,EkhW0,可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。,5.光电效应在近代技术中的应用,1.光控继电器,可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105108 倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。,2.光电倍增管,应 用,光电管,光,电源,电流计,I,A,K,光在介质中与物质微粒
12、相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射。,2.康普顿效应,1923年康普顿在做 X 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0相同的射线外，还有波长比0更大的成分。,四.康普顿效应,康普顿正在测晶体对X 射线的散射,1.光的散射,3.康普顿散射的实验装置：,晶体,光阑,探 测 器,0,散射波长,四.康普顿效应,经典电磁理论在解释康普顿效应的困难,根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。即：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光也应该是X光！不会出现波长更长的波。,四.康普顿效
13、应,四.康普顿效应,光子理论对康普顿效应的解释,若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光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，相当于光子与整个原子碰撞，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。,四.康普顿效应,4.康普顿散射实验的意义,（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；,（2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；,（3）证实了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。,康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。,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
14、散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；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。,四.康普顿效应,5.吴有训对研究康普顿效应的贡献,1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作.,19251926年，吴有训用银的X射线(0 =5.62nm) 为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质，,在同一散射角( )测量各种波 长的散射光强度，作了大量 X 射线 散射实验。,对证实康普顿效应作出了重要贡献。,动量、能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的,光子的能量：,光子的动量：,五.光子的动量,课堂小结,1.光电效应现象,3.爱因斯坦光电效应方程及其对实验结论的解释,EkhW
15、0,解释截止频率,解释饱和光电流,解释瞬时性,入射光越强，单位时间中发射的光电子越多,光电子的能量只与入射光的频率有关。入射光的频率低 于截止频率（极限频率）时不能发生光电效应。,2.光电效应规律,光电效应具有瞬时性,光子说的实验证据：康普顿效应,6. 能引起人的视觉感应的最小能量为10-18J，已知可见光的平均波长约为0.6m，则进入人眼的光子数至少为 个，恰能引起人眼的感觉.,练习,3,练习,7、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想想看，这种光是否一定最亮？为什么？,在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高。,紫光不是最亮的。,一为光强，,因为光的亮度由两个因素决定，,二为人眼的视觉灵敏度。,在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。,
