1、光電效應(yīng) 光子,光的粒子性,問題：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對光的本性的認(rèn)識的發(fā)展過程？,光的本性,T/年,波動(dòng)性,粒子性,1801,托馬斯楊 雙縫干涉 實(shí)驗(yàn),1814,菲涅耳 衍射實(shí)驗(yàn),赫茲 電磁波實(shí)驗(yàn),赫茲 發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng),牛頓微粒說占主導(dǎo)地位,波動(dòng)說 漸成真理,.,當(dāng)光(包括不可見光）照射在金屬表面時(shí)，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。,光電子定向移動(dòng)形成的電流叫光電流,一.光電效應(yīng)現(xiàn)象,光電流：單位時(shí)間陰極發(fā)射的光電子數(shù)決定,二.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,實(shí)驗(yàn)裝置,觀察,光電效應(yīng)規(guī)律：,存在著飽和電流,入射光的頻率一定，光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)陰極發(fā)射的光電子數(shù)越多,入射光的

2、頻率一定，飽和電流的大小與光的強(qiáng)度成正比。,光照條件不變（光的顏色和強(qiáng)度),電流較小時(shí)，光電流隨著電壓的增大而增大；當(dāng)電流增大到一定值時(shí)，即使電壓再增大，電流也不會增大，達(dá)到一個(gè)飽和值（飽和電流）,同一頻率光照射，無論光強(qiáng)如何，遏止電壓都相同。,光照頻率越高，遏止電壓越高。,存在著遏止電壓和截止頻率,使光電流減小到0的反向電壓Uc為遏止電壓。,遏止電壓與光的頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)度無關(guān)。,：光電子的能量(光電子的最大初動(dòng)能）,光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。,入射光的頻率減小到某一數(shù)值c時(shí)，不會發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象。c為截止頻率（極限頻率）(最低頻率）,光電效應(yīng)現(xiàn)象的條件： c,

3、截止頻率與被照金屬有關(guān)。不同金屬截止頻率不同。,光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性,當(dāng)頻率超過截止頻率時(shí)，無論入射光怎樣微弱，幾乎在照到金屬時(shí)立即產(chǎn)生光電流。,精確測量表明產(chǎn)生電流的時(shí)間不超過109 秒，即光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的。,三.光電效應(yīng)解釋中的疑難,按照光的電磁理論，應(yīng)得出以下結(jié)論：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) ；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 ；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。,以上三個(gè)結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾的，所以無法用經(jīng)典的波

4、動(dòng)理論來解釋光電效應(yīng)。,1.光子說(愛因斯坦于1905年提出),光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的，光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，這些能量子成為光子。,四.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程,在空間傳播的光不是連續(xù)的而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子，光子的能量跟它的頻率成正比。即:Eh ， 表示光的頻率，h 叫普朗克常量，h6.6310-34焦耳秒,2.光電效應(yīng)方程,逸出功：金屬表面上的電子逸出時(shí)要克服金屬原子核的引力所做功的最小值。不同金屬,其逸出功不同。,光電效應(yīng)方程：EkhW0,三.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程,：最大初動(dòng)能Ek只與光的頻率和金屬有關(guān)。,3.愛因斯坦光電效應(yīng)方程對實(shí)驗(yàn)結(jié)論的

5、解釋,解釋飽和光電流,光的強(qiáng)度：單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面 單位面積上的光子的總能量。 E=n h E：光強(qiáng) :照射光的頻率 h：一份光子的能量 n：單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面 單位面積上的光子數(shù),一個(gè)電子只能吸收一份光子,同一頻率的光（一定），光越強(qiáng),E越大，n越大,越大,飽和光電流I越大,解釋遏止電壓和截止頻率,EkhW0,h W0時(shí)才會發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象 即： W0 /h c=W0/h截止頻率的存在,對于同一種單色光照射同一金屬，存在遏止電壓。 遏止電壓的存在,解釋瞬時(shí)性,一個(gè)電子一次只能吸收一個(gè)光子，不需要時(shí)間的積累。,光電效應(yīng)現(xiàn)象中的幾個(gè)物理量：,光電流,飽和光電流,遏止電壓UC,截止頻率

6、VC,逸出功W0,最大初動(dòng)能EK,光子的能量,只由光的頻率決定,若光的頻率的一定，由加速電壓決定,若光的頻率的一定，由光強(qiáng)成正比,只由金屬?zèng)Q定,由光的頻率和金屬?zèng)Q定,只由金屬?zèng)Q定,由光的頻率和金屬?zèng)Q定,愛因斯坦光子假說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`背了光的波動(dòng)理論。,4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證,美國物理學(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。,愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的理論解釋和對理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得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

7、通過著名的油滴實(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),例題：由密立根實(shí)驗(yàn)(Uc和v的關(guān)系)計(jì)算普朗克常量,由圖象求參數(shù)的方法： 電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻（直接求參數(shù)） 用單擺測重力加速度（用圖象求平均值）,反饋練習(xí)：,1、在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連，用弧光燈照射鋅板時(shí)，驗(yàn)電器指針張開一個(gè)角度，如圖所示，這時(shí) ( ) A鋅板帶正電，指針帶負(fù)電 B鋅板帶正電，指針帶正電 C鋅板帶負(fù)電，指針帶正電 D鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電,B,2、若用綠光照射某種金屬板不能發(fā)生光電效應(yīng)，則下列哪一種方法可能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)（ ） A. 增大入射光的強(qiáng)度 B. 增加光的照

8、射時(shí)間 C. 改用黃光照射 D. 改用紫光照射,D,3、三種不同的入射光線甲、乙、丙分別照射在三種不同的金屬a、b、c上，均恰能使金屬中逸出光電子。已知三種光線的波長甲乙丙，則（ ） A、用三種入射光照射金屬a ，均可發(fā)生光電效應(yīng) B、用三種入射光照射金屬c ，均可發(fā)生光電效應(yīng) C、用入射光甲和乙同時(shí)照射金屬c，可能發(fā)生光電效應(yīng) D、用入射光甲照射金屬b ，可能發(fā)生光電效應(yīng),A,4、用綠光照射一光電管能產(chǎn)生光電效應(yīng)，欲使光電子從陰極逸出時(shí)的最大初動(dòng)能增大應(yīng)（ ） A改用紅光照射 B增大綠光的強(qiáng)度 C增大光電管上的加速電壓 D改用紫光照射,D,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

9、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),一.康普頓效應(yīng),康普頓在研究石墨對X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長 相同的成分外還有波長大于 的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。,經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)遇到的困難,二.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難,根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，光是電磁振動(dòng)的傳播，光射入物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)內(nèi)部帶電粒子將作受迫振動(dòng)，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.光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋,二.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難,X射線的光子不僅具有能量，也具有動(dòng)量，X射線的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)遵守能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。 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。 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。,1.有力地支持了愛因斯坦“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),3.證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。,光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)：揭示了