光的粒子性(公开课)讲解

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1、第十七章 波粒二象性 第二节 光的粒子性 一、光电效应（实验） 二、光电效应的规律 三、研究波动理论在解释光电效应时的矛盾 四、理解爱因斯坦的光子说和光电效应方程 学习目标： 运用光子说解决矛盾 一、光电效应现象 点击演示：光电效应实验： 用紫外线照射锌板 可清楚看到： 灵敏验电器指针张开 金属在光（包括不可见光）的照射下，从表 面逸出电子的现象叫 光电效应 发射出来的电子叫 光电子 光电子定向移动形成的电流叫光电流 在紫外线的照射下， 有电子从锌板飞出， 锌板带了正电。 1、光电效应的规律 如锌板用紫外线照射， 能产生光电效应， 用可见光照射则不能 产生光电效应。 实 验 结 论 入射光的频

2、率必须大于某个值才能产生光电效应 ，低于这个值的光，无论光的强度怎样大，也不能 产生光电效应。 实验现象： 这一频率的界限叫做极限频率. （1）某光恰能使锌发生光电效应，那么能使表格内哪 些金属发生光电效应? （2）表中哪种金属最易发生光电效应? （3）为什么各种金属的极限频率不同? /Hz 196260372558660 /nm 15.3101411.510148.0710145.3810144.551014 铂银锌钾铯 几种金属的极限频率 和极限波长 问题： 1. 任何一种金属，都有一个极限频率 2、光电效应产生的时间 即使入射光强度非常弱，只要 入射光频率大于极限频率，电流 表指针也几乎

3、随着入射光照射立 即偏转，精确实验表明，光电子 发射的时间为10-9秒。 3、光电子最大初动能 (1)最大初动能的概念 (2)最大初动能的决定因素 光电效应中从金属出来 的电子，有的从金属表面直 接飞出，有的从内部出来沿 途与其它粒子碰撞，损失部 分能量，因此电子速度会有 差异，直接从金属表面飞出 的速度最大，其动能为最大 初动能。 (1)最大初动能的概念 v V （2）最大初动能的决定因素 光电子的最大初动能与入 射光强度无关，只随入射光频 率的增大而增大。 光电效应的规律 3、光电子的最大初动能Ek 与入射光强度无 关，只随入射光频率的增大而增大 2、光电效应的发生几乎是瞬时的10-9s

4、1、任何一种金属，都存在极限频率，只有 当入射 光的频率大于极限频率，才能发 生光电效应 思考 为什么说光的波动理论无法解释光电效应的规律？ 光的波 动理论是怎 样描述光的 能量的呢？ 1、能量是连续的 2、光强（振幅）越大，光能越大，光的能量与 频率无关 光的波动理论描述光的能量 1、波动理论无法解释极限频率 2、光电子最大初动能的大小应与光强有关，与 频率无关 波动理论在解释光电效应时的矛盾 3、弱光照射时应有能量积累过程，不应瞬时发生 光子说 爱因斯坦在1905年提出，在空间中传播 的光也不是连续的，而是一份一份的，每一 份叫做一个光量子，简称光子. 光子的能量和频率成正比： 逸出功：电

5、子从金属中飞出时需要克服 原子核对它的吸引而做功，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。用 W 表示 爱因斯坦光电效应方程 EK 表示最大初动能 光电效应有力地证明了光具有粒子性 EK=hv-w 当光子照射到金属上时，当光子照射到金属上时，它的能量可以被它的能量可以被 金属中的某个电子全部吸收，电子的动能立电子的动能立 刻增大刻增大并不需要积累能量的过程，如果电子的过程，如果电子 的动能足够大，能克服内部原子的动能足够大，能克服内部原子 核对它的核对它的 引力，就可以离开金属的表面逸离出来，成引力，就可以离开金属的表面逸离出来，成 为光电子。为光电子。 如果入射光子的频率比

6、较低，它的能 量不能产生光电效应，而将所吸收的光子 能量立刻转化为内能，这就是金属存在极 限频率的原因。 光的强度：指的是单位时间里入 射到(金属)单位面积的光子总能量 光的强度取决于：单位时间内照 射的光子的个数和单个光子的能 量 4、光电流强度的决定 当入射光的频率大于极限频率时， 光电流强度与入射光的强度成正比。 实验结论是: 光电效应的规律 2、光电子的最大初动能EK 与入射光强度无关， 只随入射光频率的增大而增大 3、光电效应的发生几乎是瞬时的 4、光电流随入射光强度的增大而增大 1、任何一种金属，都存在极限频率，只有当入射 光的频率大于极限频率，才能发生光电效应 （2）爱因斯坦的光

7、电效应方程 四、爱因斯坦的光电效应方程 （1）光子： 或 光电子最大初动能 金属的逸出功 W0 一个电子吸收一个光子的能量h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： 2、存在着遏止电压和截止频率 下面我们来继续探讨 二、光电效应的基本规律 3、效应具有瞬时性 1、存在着饱和电流 1、存在着饱和电流 实验表明： 入射光越强，饱和电流越大； 入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。 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。 单色光 阳极 G V A K R 阴极 2、存在着遏

8、止电压和截止频率 (1)存在遏止电压U :c 使光电流减小到零的 反向电压 U + + + + + + 一 一 一 一 一 一 v加反向电压，如右图所示： 光电子所受电场力方向与光电子 速度方向相反，光电子作减速运 动。若 最大的初动能 U=0时，I0， 因为电子有初速度 则I=0，式中UC为遏止电压 我们来看如图所示的实验： G V A K R 单色光 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. 当图中电流表G 的读数为0时 ，伏特表V的读数就是下式中 的“Uc”。 阳极 阴极 3、效应具有瞬时性 G V A K R 单色光 实验结果：即使入射光的强度 非常微

9、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 射所经过的时间不超过109 秒 （这个现象一般称作“光电子 的瞬时发射”）。 光电效应在极短的时间内完成 2、存在着遏止电压和截止频率 科学家曾做过类似于左图 的实 验，他们用不同的单色光照射 某种金属，看看哪些频率的光 照射时能产生光电效应。再用 不同的单色光照射别的金属， 又看看哪种频率的光照射时产 生光电效应。 任何一种金属，都有一个截止频率，入射光的频率必 须大于这个截止频率才能产生光电效应，低于这个频 率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。不 同金属的截止频

10、率不同。 (2)存在截止频率 :c 经研究后发现： （3）光子说对光电效应的解释 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hW0时，才有光电子逸出， 就是 光电效应的截止频率。 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。 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。 光电效应的规律 2、光电子的最大初动能EK 与入射光强度无关， 只随入射光频率的增大而增大 3、光电效应的发生几乎是瞬时的 4、光电流随入射光强度的增大而增大 1、任何一种金属，都存在极限频率，只有当入射 光的频率大

11、于极限频率，才能发生光电效应 目标检测： 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 灯照射时，验电器张开了一个角度，如 用一带负电的金属属小球与锌板接触， 验电器张角变小，说明（ ） 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，指针带负电 D、锌板带负电，指针带正电 B 2红、橙、黄、绿4种单色光中，光子 能量最小的是：( ) A红光 B橙光 C黄光 D绿光 A 3.用某种单色光照射某种金属表面，发生光 电效应.现将该单色光的光强减弱则：( ) A.光电子的最大初动能不变 B.光电子的最大初动能减少 C.单位时间内产生的光电子数减少

12、 D.可能不发生光电效应 AC 4.用爱因斯坦光子说解释光电效应时正确的 说法是 ：( ) A每个光电子都是吸收一个光子后跑出来的 B光电子克服原子核的引力并从金属内部逸 出来所需要的能量等于逸出功 C. 光电子的最大初动能与入射光的频率成正 比 D. 以上说法都不正确 A 5、（06年高考题）已知能使某金属产生光电 效应的极限频率为0，则（ ） A、当用2 0 的单色光照射时，一定能产生 光电子 B、当用2 0 的单色光照射时，所产生光电 子的最大初动能为h0 C、当照射光的频率大于0时，若增大 一倍，则逸出功增大 D、当照射光的频率大于0时，若增大 一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍 A

13、B 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。 五、康普顿效应 3、康普顿散射的实验装置与规律： 晶体 光阑 X 射线管 探 测 器 X 射线谱仪 石墨体 (散射物质) 0 散射波长 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！ 康普顿散射曲线的特点： 1.除原波长0外

14、出现了移向 长波方向的新的散射波长 。 2.新波长 随散射角的增大 而增大。 散射中出现 0 的现象，称 为康普顿散射。 波长的偏移为 =0 O =45 O =90 O =135 O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o （A） 0.7000.750 波长 . . . 0 称为电子的Compton波长 只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显 著，因此要用X射线才能观察到

15、康普顿散射，用可 见光观察不到康普顿散射。 波长的偏移只与散射角 有关，而与散射物质 种类及入射的X射线的波长0 无关， c = 0.0241=2.4110-3nm（实验值） 遇到的困难 经典电磁理论在解释康普顿效应时 2. 无法解释波长改变和散射角的关系。 射光频率应等于入射光频率。 其频率等于入射光频率，所以它所发射的散 过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动， 1. 根据经典电磁波理论，当电磁波通 光子理论对康普顿效应的解释 康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的 子能量几乎不变，波长不变。 小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光 光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远 2. 若光子和束缚

16、很紧的内层电子相碰撞， 是散射光的波长大于入射光的波长。 部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于 1. 若光子和外层电子相碰撞，光子有一 结果，具体解释如下： 4.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 康 普 顿 效 应 康普顿,1927年获诺贝尔物