1、17.2 光的粒子性,光電效應(yīng),第1課時(shí),17世紀(jì)明確形成了兩大對(duì)立學(xué)說(shuō),牛頓,惠更斯,微粒說(shuō),波動(dòng)說(shuō),19世紀(jì)初證明了波動(dòng)說(shuō)的正確性,由于波動(dòng)說(shuō)沒(méi)有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得微粒說(shuō)一直占上風(fēng),19世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得愛(ài)因斯坦在20世紀(jì)初提出了光子說(shuō)：光具有粒子性,對(duì)光學(xué)的研究,從很早就開(kāi)始了 ,用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線(xiàn)與不帶電的驗(yàn)電器相連），發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器指針張開(kāi); 再用與絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒去接觸鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會(huì)更大.,一、光電效應(yīng)現(xiàn)象,表明鋅板在射線(xiàn)照射下失去電子而帶正電.,1.什么是光電效應(yīng),當(dāng)光線(xiàn)照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱(chēng)為光電效應(yīng)，逸出的電子

2、稱(chēng)為光電子。,一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)：光現(xiàn)象電現(xiàn)象 光包括不可見(jiàn)光，使鋅板發(fā)射出電子的光是弧光燈發(fā)出的紫外線(xiàn).,光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置陰極K和陽(yáng)極A是密封在真空玻璃管中的兩個(gè)電極，K在受到光照時(shí)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(fù)極也可以對(duì)調(diào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：,一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律(研究電子發(fā)射情況與照射光的強(qiáng)弱、光的顏色的關(guān)系),（1）存在飽和電流,光照不變，增大UAK，G表中電流達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值。,因?yàn)楣庹諚l件一定時(shí)，K發(fā)射的電子數(shù)目一定，電壓增加到一定值時(shí)，所有光電 子都被陽(yáng)極 A 吸收，這

3、時(shí)再增大電壓，電流也不會(huì)增大。,實(shí)驗(yàn)表明： 在光的頻率（顏色）不變的情況下，入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多，飽和電流越大。,：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(yùn)動(dòng)。 若,最大的初動(dòng)能,U=0時(shí)，I0，,因?yàn)殡娮佑谐跛俣?則I=0，式中UC為遏止電壓,一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,(2)存在遏止電壓和截止頻率,a.存在遏止電壓UC,U,K,A,I,I,s,U,c2,O,U,黃光（ 強(qiáng)）,黃光（ 弱）,光電效應(yīng)伏安特性曲線(xiàn),遏 止 電 壓,飽 和 電 流,一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,藍(lán)光,U,c1,(2)存在遏止

4、電壓和截止頻率,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，遏止電壓也會(huì)改變。,a.存在遏止電壓UC,一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,(2)存在遏止電壓和截止頻率,實(shí)驗(yàn)結(jié)論：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)。,遏止電壓與光的頻率 有關(guān)。,經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)：,一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,b.存在截止頻率c,對(duì)于每種金屬，都有相應(yīng)確定的截止頻率c （極限頻率）。,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 c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。,(2)存在遏止電壓和截止頻率,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

5、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(guò)的時(shí)間不超過(guò)109 s（這個(gè)現(xiàn)象一般稱(chēng)作“光電子的瞬時(shí)發(fā)射”）。,結(jié)論：光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。,一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,(3)具有瞬時(shí)性,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：,當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，入射光強(qiáng)度越強(qiáng)，飽和電流越大； 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； 對(duì)于任何一種金屬，都有一個(gè)截止頻率c ，入射光的頻率必須大于這個(gè)截止頻率，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)； 入射光照到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過(guò)10-9s.,

6、一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(shí)性,光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。,溫度不很高時(shí)，電子能否大量逸出金屬表面？,二.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.,經(jīng)典的波動(dòng)理論能否解釋光電效應(yīng)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論？,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(lái)，必須克服這個(gè)阻力做功。,以上結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾的，所以無(wú)法用經(jīng)典的波動(dòng)理論來(lái)解釋光電效應(yīng)。,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

7、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 S。,-9,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.,二.光電效應(yīng)解釋中的疑難,經(jīng)典的波動(dòng)理論認(rèn)為：,無(wú)法解釋遏止電壓與光的頻率的關(guān)系,1.光子：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(chēng)為光子。,愛(ài)因斯坦的光子說(shuō),愛(ài)因斯坦從普朗克的能量子假說(shuō)中得到了啟發(fā)，他提出：,三.愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō),2.愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程,1.光子：,或,光電子最大初動(dòng)能,金屬的逸出功,W0,一個(gè)電

8、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：,三.愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō),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(guò)截止頻率，飽和電流的大小只與單位時(shí)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(lèi)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(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋,愛(ài)因斯坦方程表明，光電子的初動(dòng)能Ek與入射光的頻率成線(xiàn)性關(guān)系，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。 只有當(dāng)hW0時(shí)，才有光電子逸出， 就是光電效應(yīng)的截止頻率。,電子1次吸收1個(gè)光子的全部能量，不能積累能量，光電流幾

9、乎是瞬時(shí)發(fā)生的。,光強(qiáng)較大時(shí)，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。,三.愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō),愛(ài)因斯坦提出光子說(shuō)解釋光電效應(yīng)的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)測(cè)量尚不精確，加上這種觀點(diǎn)與當(dāng)時(shí)的理論大相徑庭，因此并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，甚至被說(shuō)成是“在思辨中迷失目標(biāo)”的“冒昧的假設(shè)”。,4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證,美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)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(shí)了愛(ài)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(shuō) ”理論的正確。,三

10、.愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō),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(dòng)量。,愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的解釋和對(duì)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),。,練習(xí),課本例題P34,分析,由上面討論結(jié)果,可得：,對(duì)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與光的頻率之間是線(xiàn)性關(guān)系,即：Uc圖象是一 條斜率為 的直線(xiàn),練習(xí),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(dòng)能Ek有關(guān),Ek越大， Uc越高；Uc為零，

11、Ek為零，即沒(méi)有光電子,所以與遏止電壓Uc=0對(duì)應(yīng)的頻率應(yīng)該是截止頻率c,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(xiàn)通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線(xiàn)中除有與入射線(xiàn)波長(zhǎng)0相同的射線(xiàn)外，還有波長(zhǎng)比0更大的成分。,一.康普頓效應(yīng),康普頓正在測(cè)晶體對(duì)X 射線(xiàn)的散射,1.光的散射,1.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，當(dāng)電磁波通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中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。 如果入射X光是某種波長(zhǎng)的電磁波，散射光也應(yīng)

12、該是X光！不會(huì)出現(xiàn)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的波。,2.光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋,二.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難,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(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。,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(zhǎng)不變。,光子與晶體中的電子碰撞時(shí)遵從那些規(guī)律？,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)；,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。,康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的 幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于 “混進(jìn)來(lái)了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只 考慮能量守恒，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒。,康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。,三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義,19251926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(xiàn)