科學的轉(zhuǎn)機--光的粒子性1887年赫茲在做電磁波實驗時發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。什么是光電效應(yīng)

當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。一、光電效應(yīng)光線經(jīng)石英窗照在陰極上時有電子逸出----光電子。光電子在電場作用下形成光電流。當A加正向電壓，電流增加，到一定值時達到飽和。光線越強，飽和光電流越大。光電效應(yīng)實驗陽極陰極二.光電效應(yīng)實驗規(guī)律與經(jīng)典理論矛盾之處經(jīng)典認為光強越大，電磁場的幅度越大，光電子的初動能也該大。但實驗上光電子初動能只與頻率有關(guān)。2、存在截止頻率

0：對于各種金屬材料，都相應(yīng)有一確定的截止頻率

0

。

而經(jīng)典理論認為有光線照射，電子就會吸收能量，時間足夠長，就可以產(chǎn)生光電流。有無光電效應(yīng)和光的照射時間有關(guān)，不應(yīng)與頻率有關(guān)。只要頻率高于

0

，既使光強很弱也有光電流；頻率低于

0

，無論光線再強也沒有光電流。遏止電壓Uc與光強無關(guān)，和入射光的頻率成正比。3、光電效應(yīng)是瞬時的。從光開始照射到光電逸出所需時間<10-9s。經(jīng)典理論認為光能量分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。瞬時光電子發(fā)射違背經(jīng)典理論的規(guī)律。3.愛因斯坦的光量子假設(shè)為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論。1.光量子假設(shè)光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。頻率為

的光是由大量能量為

=h光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速c運動。在光電效應(yīng)實驗中：電子吸收了光子的能量，一部分提供給電子逸出金屬表面的功W，另一部分變?yōu)楣怆娮拥膭幽蹺k0。由能量守恒可得出：初動能及反向截止電壓與

成正比，而與光強無關(guān)。(1)由得2.愛因斯坦光電效應(yīng)方程3.光電效應(yīng)的解釋式中：A為電子逸出金屬表面所需作的功，稱為逸出功；為光電子的最大初動能。(2)截止頻率

0的解釋:當入射光頻率

>

0

時，電子才能逸出金屬表面，產(chǎn)生光電效應(yīng)。不同金屬具有不同的截止頻率。（3）光電流正比于光強的解釋

光強正比于單位時間流過單位面積的光子數(shù)。光強越大，光子數(shù)越多。金屬內(nèi)電子吸收一個光子可以釋放一個光電子。光強越大，光電子越多，光電流越大。但是光子的能量小于逸出功時無光電流。入射光頻率低于

0時，光子能量小于(h

<W)

逸出功，無光電子產(chǎn)生。（4）光電效應(yīng)瞬時性的解釋

電子吸收光子時間很短，只要光子頻率大于截止頻率，電子就能立即逸出金屬表面，無需積累能量的時間，與光強無關(guān)。例1：鉑的逸出功為6.3eV，求鉑的截止頻率

0

。解：λ=196nm美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效應(yīng)”實驗，結(jié)果在1915年證實了愛因斯坦方程，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。4.光電效應(yīng)理論的驗證由相對論光子的質(zhì)能關(guān)系光子的質(zhì)量5.光子的質(zhì)量、能量和動量由相對論質(zhì)速關(guān)系有所以，光子的靜止質(zhì)量為零。光子的能量就是動能。由狹義相對論能量和動量的關(guān)系式光子的能量和動量的關(guān)系式為：光子的動量：例：求波長為20nm紫外線光子的能量、動量及質(zhì)量。解：能量動量質(zhì)量二、康普頓效應(yīng)1.光的散射光束通過某些介質(zhì)時，可以看到光的散射現(xiàn)象。2.康普頓效應(yīng)1923年康普頓在做X射線通過物質(zhì)散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長

0

和散射物質(zhì)都無關(guān)。這種波長改變的散射稱為康普頓效應(yīng)。經(jīng)典理論無法解釋康普頓效應(yīng)。經(jīng)典理論認為：物質(zhì)中的電子會隨入射光以相同的頻率振動，并向外輻射，即散射光的頻率與入射光頻率相等。而無法解釋有Δλ

存在的實驗規(guī)律。

X射線是由一些能量為

=h的光子組成，并且這些光子與自由電子發(fā)生完全彈性碰撞，X-ray3.康普頓效應(yīng)的光量子理論解釋可見，康普頓效應(yīng)中，發(fā)生波長改變的原因是：當一個光子與散射物質(zhì)中的一個自由電子碰撞后，電子獲得一部分能量，散射的光子能量減小，頻率減小，波長變長。

康普頓散射進一步證實了光子理論的正確性，還證明了在微觀領(lǐng)域中也是嚴格遵守能量、動量守恒定律。三、光的波粒二象性光具有波動性，又有粒子性，即波粒二象性。

光在傳播過程中表現(xiàn)出波動性，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。

光在與物質(zhì)發(fā)生作用時表現(xiàn)出粒子性，如光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)。光子能量和動量為上兩式左邊是描寫