光的粒子性

1、光的粒子性,問(wèn)題1：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過(guò)程？,用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電 器張角增大到約為 30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過(guò)的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會(huì)變大。,一、光電效應(yīng)現(xiàn)象,表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電,,,1、定義：,在光(包括不可見(jiàn)光)的照射下，從金屬中發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。,發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。,（1）存在飽和電流。,實(shí)驗(yàn)表明：入

2、射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。,二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)定律：,（2）存在遏止電壓和最大初動(dòng)能。,實(shí)驗(yàn)表明:對(duì)于一定顏色(頻率)的光,無(wú)論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓是一樣的. 光的頻率? 改變時(shí)，遏止電壓也會(huì)改變。,光電子的最大初動(dòng)能只與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。,（3）存在截止頻率：,對(duì)于每種金屬，都有相應(yīng)確定的截止頻率?c 。,當(dāng)入射光頻率? > ?c 時(shí)，電子才能逸出金屬表面；,當(dāng)入射光頻率? &l

3、t; ?c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。,（4） 具有瞬時(shí)性：,實(shí)驗(yàn)結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的極限頻率，電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn)。時(shí)間不超過(guò)10－9 秒，稱作“光電子的瞬時(shí)發(fā)射”。,實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：,①對(duì)于任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)； ②入射光照到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)

4、的，一般不超過(guò)10-9秒.③光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；④當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大；,逸出功W0：,由于受到金屬表面層的引力作用，電子要從金屬中掙脫出來(lái)，必須克服這個(gè)引力做功。,使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。,①光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。,②光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以遏止電壓UC應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。,√,實(shí)驗(yàn)表

5、明:對(duì)于一定顏色(頻率)的光,無(wú)論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓是一樣的.,×,×,③不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率。,④如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能獲得逸出表面所需的能量，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10-9 S。,×,以上有三個(gè)結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾，所以無(wú)法用經(jīng)典的波動(dòng)理論來(lái)解釋光電效應(yīng)。,三、光電效應(yīng)解釋中的疑難：,1.光子：愛(ài)因斯坦

6、從普朗克的能量子說(shuō)中得到了啟發(fā)，他提出：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為?的光的能量子為h ? 。這些能量子后來(lái)被稱為光子。,愛(ài)因斯坦的光子說(shuō),2.愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程：,一個(gè)電子吸收一個(gè)光子的能量h ?后，一部分能量用來(lái)克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動(dòng)能Ek，即：,四、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程：,W0逸出功 不同的金屬逸出功不同,3.光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋,①愛(ài)因斯坦方程表明，光電子的初

7、動(dòng)能Ek與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。只有當(dāng)h ? >W0時(shí)，才有光電子逸出， 就是光電效應(yīng)的截止頻率。,②電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。,③光強(qiáng)較大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)入射的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。,4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證：,,愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光

8、的波動(dòng)理論。,美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，h 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確,由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功地說(shuō)明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),小結(jié),1.光電效應(yīng)現(xiàn)象,2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律,①極限頻率②光電子的發(fā)射幾乎

9、是瞬時(shí)的,一般不超過(guò)10-9秒③光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；④.光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比,3.光電效應(yīng)解釋中的疑難,4.愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程,①光子②愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程③光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋,五、康普頓效應(yīng)：,1、光的散射：,光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射。,1923年康普頓在做 X 射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線

10、波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線。,2、康普頓效應(yīng)：,康普頓正在測(cè)晶體對(duì)X 射線的散射,按經(jīng)典電磁理論： 如果入射X光是某 種波長(zhǎng)的電磁波， 散射光的波長(zhǎng)是 不會(huì)改變的！,3. 因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度,有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。,3、光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋：,X射線的光子不僅具有能量，也像其他粒子那樣具有動(dòng)量， X射線的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)要遵守能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律，求解這些方程，

11、可以得出散射光波長(zhǎng)的變化值，理論和實(shí)驗(yàn)符合得很好。,4、光子的能量和動(dòng)量：,,動(dòng)量能量是描述粒子的,頻率和波長(zhǎng)則是用來(lái)描述波的。,光子能量：,光子動(dòng)量：,解釋康普頓效應(yīng)：當(dāng)入射的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，要把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，因而光子動(dòng)量減小。從 看，動(dòng)量減小波長(zhǎng)變大，因此光子散射后波長(zhǎng)變大。,5、康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義：,（1）有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子”假設(shè)；,（2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量”的假設(shè)