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17.2光的粒子性20120411


17.2光的粒子性

一、光电效应
用弧光灯照射擦得很 亮的锌板,(注意用导 线与不带电的验电器 相连),使验电 器张 角增大到约为 30度时, 再用与丝绸磨擦过的 玻璃棒去靠近锌板, 则验电器的指针张角 会变大。。

表明锌板在射线照射下失去电子而带正电

一、光电效应

当光线照射在

金属表面时,金属中 有电子逸出的现象,称为光电效应。 逸出的电子称为光电子。 光电子定向移动形成的电流叫光电流

二.光电效应的实验规律
1、存在饱和电流
光照不变,增大UAK,G表中电流 达到某一值后不再增大,即达到 饱和值。 因为光照条件一定时,K发射的 电子数目一定。
阴极
A K

阳极
G

V

实验表明:
入射光越强,饱和电流越大,单位时间内发射的 光电子数越多。

二.光电效应的实验规律
2、存在遏止电压UC :使光电流减小到零的反向电压
U=0时,I≠0, 因为电子有初速度 A 加反向电压,如右图所示: 一 一 光电子所受电场力方向与光电子 一 速度方向相反,光电子作减速运 一 动。若

U E v


K
+ + + + + +

1

2

mev

2 c

? eU

一 一

F

c

E

速率最大的是

则I=0,式中UC为遏止电压

vc

最大的初动能

二.光电效应的实验规律
2、存在遏止电压
阴极
A K

光电效应伏安特性曲线
饱 和 电 流 遏 止 电 压

I
黄光( 强) 兰光 黄光( 弱)
O

阳极
G

Is

V

Ub Ua

U

二.光电效应的实验规律
2、存在遏止电压
1 2
A

阴极
K

mev

2 c

? eU

阳极
c
G

实验表明:对于一定颜色(频率) 的光, 无论光的强弱如何,遏 止电压是一样的. 光的频率? 改变是,遏止电压也会改变。

V

光电子的最大初动能只与入 射光的频率有关,与入射光 的强弱无关。

二.光电效应的实验规律
3.存在截止频率?c
经研究后发现:

对于每种金属,都相应确定的截止频率?c 。

?当入射光频率? > ?c 时,电子才能逸出 金属表面;
?当入射光频率? < ?c时,无论光强多大也无电 子逸出金属表面。

二.光电效应的实验规律
4、具有瞬时性
阴极
A K

阳极
G

实验结果:即使入射光的强度 非常微弱,只要入射光频率大 于被照金属的极限频率,电流 表指针也几乎是随着入射光照 射就立即偏转。 更精确的研究推知,光电子发 -9 射所经过的时间不超过10 秒 (这个现象一般称作“光电子 的瞬时发射”)。

V

二.光电效应的实验规律
勒纳德等人通过实验得出以下结论:

①对于任何一种金属,都有一个极限频率, 入射光的频率必须大于这个极限频率,才能 发生光电效应,低于这个频率就不能发生光 电效应; ② 当入射光的频率大于极限频率时,入射光 越强,饱和电流越大; ③光电子的最大初动能与入射光的强度无关, 只随着入射光的频率增大而增大; ④入射光照到金属上时,光电子的发射几乎 是瞬时的,一般不超过10-9秒.

三.光电效应解释中的疑难
逸出功W0
使电子脱离某种金属所做功的最 小值,叫做这种金属的逸出功。 光越强,逸出的电子数越多,光电流也就越大。 温度不很高时,电子不能大量逸出,是由于受 √ 到金属表面层的引力作用,电子要从金属中挣 ①光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电 脱出来,必须克服这个引力做功。 压UC应与光的强弱有关。 实验表明:对于一定颜色(频率)的光, ②不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可获 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的. 得足够能量从而逸出表面,不应存在截止频率。 ③如果光很弱,按经典电磁理论估算,电子需几分 钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量, -9 这个时间远远大于10 S。

以上三个结论都与实验结果相矛盾的,所 以无法用经典的波动理论来解释光电效应。

四.爱因斯坦的光量子假设
1.光子: 光本身就是由一个个不可分 割的能量子组成的,频率为ν 的光的能量子为hν。这些能 量子后来被称为光子。

E ? h?

四.爱因斯坦的光量子假设
1.光子: 2.爱因斯坦的光电效应方程
一个电子吸收一个光子的能量hν后,一部分能 量用来克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸 出后电子的初动能Ek,即:

h? ? E k ? W 0
E k ? h? ? W 0


Ek ? 1 2 m ev

2 c

——光电子最大初动能 ——金属的逸出功

W0

四.爱因斯坦的光量子假设
3.光子说对光电效应的解释 ①爱因斯坦方程表明,光电子的初动能Ek与 入射光的频率成线性关系,与光强无关。只 有当hν>W0时,才有光电子逸出, c ? W 0就是 ? h 光电效应的截止频率。 ②电子一次性吸收光子的全部能量,不需要 积累能量的时间,光电流自然几乎是瞬时发 生的。 ③光强较大时,包含的光子数较多,照射金 属时产生的光电子多,因而饱和电流大。

四.爱因斯坦的光量子假设
爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应,但当时 并未被物理学家们广泛承认,因为它完全违背了光的 波动理论。

4.光电效应理论的验证
美国物理学家密立根,花了十年时间做了“光电效 应”实验,结果在1915年证实了爱因斯坦方程,h 的 值与理论值完全一致,又一次证明了“光量子”理论 的正确。 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电
效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦由于对光电效 应的理论解释和对理论 物理学的贡献获得1921 年诺贝尔物理学奖



密立根由于研究基本电荷和 光电效应,特别是通过著名 的油滴实验,证明电荷有最 小单位。获得1923年诺贝尔 物理学奖

思考与讨论

因为 :E

K

?

1 2

mev

2 c

? eU

c

代入 E k ? h ? ? W 0 可得

h ? ? W 0 ? eU

c

五、光电效应在近代技术中的应用
1.光控继电器
K

可以用于自动控 制,自动计数、自动 报警、自动跟踪等。
放大器

K2

K1

K4

K3

K5

2.光电倍增管

控制机构

A?

可对微弱光线进行放 大,可使光电流放大 105~108 倍,灵敏度 高,用在工程、天文、 科研、军事等方面。

小结

光的粒子性

一、光电效应的基本规律 1.光电效应现象 2.光电效应实验规律
①对于任何一种金属,都有一个极限频率,入射光的 频率必须大于这个极限频率,才能发生光电效应,低 于这个频率就不能发生光电效应; ② 当入射光的频率大于极限频率时,光电流的强度与 入射光的强度成正比; ③光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随着 入射光的频率增大而增大; ④入射光照到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时的, 一般不超过10-9秒.

二、光电效应解释中的疑难 三、爱因斯坦的光电效应方程 (1)光子: (2)爱因斯坦的光电效应方程 (3)光子说对光电效应的解释

1.在演示光电效应的实验中,原来不带电 的一块锌板与灵敏验电器相连,用弧光灯 照射锌板时,验电器的指针就张开一个角 度,如图所示,
这时( B ) A.锌板带正电,指针带负电 B.锌板带正电,指针带正电 C.锌板带负电,指针带正电 D.锌板带负电,指针带负电

2.一束黄光照射某金属表面时, 不能产生光电效应,则下列措施 中可能使该金属产生光电效应的 是( D ) A.延长光照时间 B.增大光束的强度 C.换用红光照射 D.换用紫光照射

3.关于光子说的基本内容有以下几 点,不正确的是( B) A.在空间传播的光是不连续的,而 是一份一份的,每一份叫一个光子 B.光是具有质量、能量和体积的物 质微粒子 C.光子的能量跟它的频率成正比 D.光子客观并不存在,而是人为假 设的

4. 能引起人的视觉感应 -18J,已 的最小能量为10 知可见光的平均波长约为 0.6?m,则进入人眼的光 3 个,恰能 子数至少为 引起人眼的感觉.

5.关于光电效应下述说法中正确的是 ( D) A.光电子的最大初动能随着入射光的 强度增大而增大 B.只要入射光的强度足够强,照射时 间足够长,就一定能产生光电效应 C.在光电效应中,饱和光电流的大小 与入射光的频率无关 D.任何一种金属都有一个极限频率, 低于这个频率的光不能发生光电效应

课本

1、在可见光范围内,哪种颜色光的光子能量最大?想 想看,这种光是否一定最亮?为什么? 在可见光范围内,紫光的光子能量最大,因为其 频率最高。 紫光不是最亮的。 因为光的亮度由两个因素决定, 一为光强, 二为人眼的视觉灵敏度。 在光强相同的前提下,由于人眼对可见光中心部位 的黄绿色光感觉最灵敏,因此黄绿色光应最亮。

课本

2、在光电效应实验中 (1)如果入射光强度增加,将产生什么结果? (2)如果入射光频率增加,将产生什么结果?
(1)当入射光频率高于截止频率时,光强增加, 发射的光电子数增多; 当入射光频率低于 截止频率时,无论光强怎么增加,都不会有光 电子发射出来。 (2)入射光的频率增加,发射的光电子最大初 动能增加。

练习

课本例题P36
h ? ? W 0 ? eU
U
c

分析 由上面讨论结果
可得:
因为 :E
K

c

?

h e

? ?

W0 e

?

1 2

mev

2 c

? eU

c

遏止电压Uc与光电子 的最大初动能Ek有关
W0

Ek越大, Uc越高;Uc为零, ? W e Ek为零,即没有光电子

0

h

所以与遏止电压Uc=0对应的频率应该是截止频率νc
h ? ? W 0 ? eU
c

?0

h? C ? W 0

由以上分析可知: 遏止电压Uc=0对应的频率就是截止频率νc h Uc—ν图象是一条斜率为 的直线
e

根据数据作Uc—ν图象即可求得

练习

课本P39

5、根据图17.2-2所示研究光电效应的电路,利用能 够产生光电效应的两种(或多种)已知频率的光来进 行实验,怎样测出普朗克常量?根据实验现象说明实 验步骤和应该测量的物理量,写出根据本实验计算普 朗克常量的关系式。 单色光 分析:阳极与电源负极相接 阴极与电源正极相接 测出两种不同频率ν1、ν2 光的遏止电压U1、U2
G
V R

K

A

代入公式:

h ? ? W 0 ? eU

c

当入射光频率分别为ν1、ν2时,测出遏止电压U1、 U2,由爱因斯坦光电效应方程可得

h ? 1 ? W 0 ? eU

1

h ? 2 ? W 0 ? eU
联立上两式,解得
h ?

2
2 2

U1 ?U

?1 ??

e

其中e为电子的电量,测出U1与U2就可测出普朗克 常量

实验步骤:
(1)将图17.2-2电路图电源正负对调,滑动变阻器 滑动触头滑至最左边,用频率为ν1 的光照射,此时 电流表中有电流。 将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑, 同时观察电流表,当电流表示数为零时,停止滑动。 记下伏特表的示数U1。

(2)用频率为ν2的光照射,重复(1)的操作,记 下伏特表的示数U2。 (3)应用
h ? U1 ?U
2 2

?1 ??

e

计算h。

(4)多次测量取平均值。

康普顿效应

一.康普顿效应
1.光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方 向发生改变,这种现象叫做光的散射
2.康普顿效应

1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的 实验时,发现散射线中除有与入射线波长相同 的射线外,还有比入射线波长更长的射线,其 波长的改变量与散射角有关,而与入射线波长 和散射物质都无关。

一.康普顿效应
康普顿正在测晶体 对X 射线的散射 按经典电磁理论: 如果入射X光是某 种波长的电磁波, 散射光的波长是 不会改变的!

二.康普顿效应解释中的疑难
根据经典电磁波理论,当电磁波通过物质时, 它所发射的散射光频率应等于入射光频率。
光子理论对康普顿效应的解释 ①若光子和外层电子相碰撞,光子有一部分能 量传给电子,散射光子的能量减少,于是散射 光的波长大于入射光的波长。 ②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞,光子 将与整个原子交换能量,由于光子质量远小于 原子质量,根据碰撞理论, 碰撞前后光子能量 几乎不变,波长不变。

三.康普顿散射实验的意义
1.有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设;

2.首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设; 3.证实了在微观世界的单个碰撞事件中,动量和 能量守恒定律仍然是成立的。
康普顿的成功也不是一帆风顺的,在他早期的 几篇论文中,一直认为散射光频率的改变是由于 “混进来了某种荧光辐射”;在计算中起先只 考虑能量守恒,后来才认识到还要用动量守恒。 康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。

康 普 顿 效 应
(1892-1962)美国物理学家

三.康普顿散射实验的意义
4.吴有训对研究康普顿效应的贡献
1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作. 1925—1926年,吴有训用银的X射线(?0 =5.62nm) 为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质, 在同一散射角( ? ? 120 0)测量

各种波长的散射光强度,作
了大量 X 射线散射实验。 对证实康普顿效应作出了 重要贡献。
吴有训

四.光子的动量

E ? mc
? m ?
? P ? mc ?

2

h?
h? c
2

E ? h?
?c ? h? c ? h

c

2

?

E ? h?
P ? h

动量能量是描述粒子的,
频率和波长则是用来描述波的

?


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