17.2《光的粒子性》電磁波譜c-光速λ-波長ν-頻率紫靛光的顏色波長頻率紅色約625—740納米約480—405兆赫橙色約590—625納米約510—480兆赫黃色約565—590納米約530—510兆赫綠色約500—565納米約600—530兆赫青色約485—500納米約620—600兆赫藍色約440—485納米約680—620兆赫紫色約380—440納米約790—680兆赫波長λ頻率ν大小低高1672牛頓微粒說T/年惠更斯波動說1690麥克斯韋電磁說18641905愛因斯坦光子說波動性粒子性1801托馬斯·楊雙縫干涉實驗1814菲涅耳衍射實驗赫茲電磁波實驗1888赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)牛頓微粒說占主導(dǎo)地位波動說漸成真理……….光的本性歷史回顧光電效應(yīng)的實質(zhì)：光現(xiàn)象

電現(xiàn)象一.光電效應(yīng)現(xiàn)象（1）光電效應(yīng)：當光線（包括不可見光）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)。1.幾個概念（2）光電子：在光電效應(yīng)中逸出的電子稱為光電子。（3）光電流：光電子定向移動形成的電流叫光電流實驗電路：裝置介紹：研究光電效應(yīng)的實驗裝置陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極，K在受到光照時能夠發(fā)射光電子．電源加在K與A之間的電壓大小可以調(diào)整，正負極也可以對調(diào)．疑問：光電子的發(fā)射與什么因素有關(guān)呢？光電效應(yīng)實驗有著怎樣的規(guī)律？二.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律（1）存在飽和電流Im光照不變，增大UAK，A表中電流達到某一值后不再增大，即達到飽和值。因為光照條件一定時，K發(fā)射的電子數(shù)目一定，電壓增加到一定值時，所有光電子都被陽極A吸收，這時再增大電壓，電流也不會增大。實驗表明：在光的頻率（顏色）不變的情況下，入射光越強，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多，飽和電流越大。（單位時間內(nèi)逸出的光電子個數(shù)與光照強度成正比；即飽和電流的大小與光照強度成正比）：使光電流減小到零的反向電壓－++++++

一一一一一一v加反向電壓，如右圖所示：光電子作減速運動。若最大的初動能（金屬表面射出）U=0時，I≠0，因為電子有初速度則I=0，式中UC為遏止電壓二.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律(2)存在遏止電壓和截止頻率a.存在遏止電壓UCEEUFKAIImUc2OU黃光（強）黃光（弱）光電效應(yīng)伏安特性曲線遏止電壓飽和電流二.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律藍光Uc1(2)存在遏止電壓和截止頻率實驗表明:對于一定顏色(頻率)的光,無論光的強弱如何,遏止電壓是一樣的.光的頻率

改變，遏止電壓也會改變。a.存在遏止電壓UC二.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律(2)存在遏止電壓和截止頻率實驗結(jié)論：光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強弱無關(guān)。遏止電壓與光的頻率

有關(guān)。經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)：二.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律b.存在截止頻率

c

對于每種金屬，都有相應(yīng)確定的截止頻率

c

（極限頻率）。

當入射光頻率

>

c

時，電子才能逸出金屬表面；

當入射光頻率

<

c時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面。(2)存在遏止電壓和截止頻率陽極陰極實驗結(jié)果：即使入射光的強度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的截止頻率，電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn)。更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過的時間不超過10－9s（這個現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時發(fā)射”）。結(jié)論：光電效應(yīng)幾乎是瞬時發(fā)生的。二.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律(3)具有瞬時性陽極陰極通過實驗得出以下結(jié)論：

當入射光的頻率大于極限頻率時，入射光強度越強，飽和電流越大；光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；對于任何一種金屬，都有一個截止頻率

c

，入射光的頻率必須大于這個截止頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不超過10-9s.

二.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律（1）存在飽和電流(2)存在遏止電壓和截止頻率(3)具有瞬時性

溫度不很高且沒有光照時，電子能否大量逸出金屬表面？三.光電效應(yīng)解釋中的疑難逸出功W0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.（電子從金屬表面逸出克服阻力做功最小，這個值就是逸出功W0）

不能。由于受到金屬表面層內(nèi)的一種引力作用，電子要從金屬中掙脫出來，必須克服這個阻力做功。

當光照射金屬表面時，電子吸收能量。若電子吸收的能量與原有的熱運動能量之和超過逸出功，電子就從表面逸出，這就是光電子。

以上三個結(jié)論都與實驗結(jié)果相矛盾的，所以無法用經(jīng)典的波動理論來解釋光電效應(yīng)。光越強，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。①光越強，光電子的初動能應(yīng)該越大，所以遏止電壓UC應(yīng)與光的強弱有關(guān)。②不管光的頻率如何，只要光足夠強，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。③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間才能獲得逸出表面所需的能量，這個時間遠遠大于10S。-9√實驗表明:對于一定顏色(頻率)的光,無論光的強弱如何,遏止電壓是一樣的.經(jīng)典理論認為光的強度反映光的能量，光越強光的能量越大1.光子：光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν。這些能量子后來被稱為光子。愛因斯坦的光子說愛因斯坦從普朗克的能量子假說中得到了啟發(fā)，他提出：四.愛因斯坦的光量子假說2.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程1.光子：或——光電子最大初動能

——金屬的逸出功

W0一個電子吸收一個光子的能量hν后，一部分能量用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動能Ek，即：四.愛因斯坦的光量子假說使電子脫離某種金屬所做功的最小值影響飽和電流、截止頻率、遏止電壓的因素1、只要入射光頻率超過截止頻率，飽和電流的大小只與單位時間內(nèi)的光子數(shù)有關(guān)。2、截止頻率只與金屬的逸出功有關(guān)，即只與金屬的種類有關(guān)。3、遏止電壓與入射光頻率和逸出功有關(guān)。3.光子說對光電效應(yīng)的解釋①愛因斯坦方程表明，光電子的初動能Ek與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強無關(guān)。只有當hν>W0時，才有光電子逸出，就是光電效應(yīng)的截止頻率。②電子1次只能吸收1個光子的全部能量，不能積累能量，光電流幾乎是瞬時發(fā)生的。③光強較大時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。四.愛因斯坦的光量子假說愛因斯坦提出光子說解釋光電效應(yīng)的時候，實驗測量尚不精確，加上這種觀點與當時的理論大相徑庭，因此并未被物理學家們廣泛承認，甚至被說成是“在思辨中迷失目標”的“冒昧的假設(shè)”。4.光電效應(yīng)理論的驗證美國物理學家密立根，花了十年時間做光電效應(yīng)實驗，測量金屬的遏止電壓與入射光的頻率，由此算出普朗克常量h

，并與普朗克根據(jù)黑體輻射得出的h相比較，在1915年證實了愛因斯坦的光電效應(yīng)方程，兩種方法得到的普朗克常量h在0.5%的誤差范圍內(nèi)一致，又一次證明了“光量子假說

”理論的正確。四.愛因斯坦的光量子假說光電效應(yīng)顯示了光的粒子性。光子不但具有能量，也具有動量。愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的解釋和對理論物理學的貢獻獲得1921年諾貝爾物理學獎密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學獎。練習課本例題P34分析由上面討論結(jié)果可得：

對于一定金屬，逸出功W0是確定的，電子電荷e和普朗克常量h都是常量。所以遏止電壓UC與光的頻率ν之間是線性關(guān)系即：Uc—ν圖象是一條斜率為的直線練習課本例題P34分析由上面討論結(jié)果可得：遏止電壓Uc與光電子的最大初動能Ek有關(guān)Ek越大，Uc越高；Uc為零，Ek為零，即沒有光電子所以與遏止電壓Uc=0對應(yīng)的頻率應(yīng)該是截止頻率νc(1892-1962)美國物理學家康普頓效應(yīng)

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)，而與入射線波長和散射物質(zhì)都無關(guān)?？灯疹D正在測晶體對X射線的散射1.光的散射3.康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：晶體

光闌X射線管探測器X射線譜儀

石墨體(散射物質(zhì))j

0散射波長

四.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難①根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通過物質(zhì)時，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動，散射光波長不會改變，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。②無法解釋波長改變和散射角關(guān)系。五.光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋①若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。

②若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰