《高中物理选修3-5：17.2 光的粒子性 LI》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理选修3-5：17.2 光的粒子性 LI（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、17 2 光的粒子性 第十七章 波粒二象性 一 光的波动性 光是电磁波 理论证明 麦克斯韦的经典电磁场理论 实验验证 赫兹的电火花实验 发现电磁波的 速度和光速相同 其它实验证据 1 光的干涉 托马斯 杨 2 光的衍射 菲涅尔 3 光的偏振 马吕斯 演示 二 光电效应现象 用弧光灯照射擦得很亮的锌板 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 再用与丝绸磨擦过的玻璃去靠近锌板 则验电 器的指针张角会变大 结论 锌板在射线照射下失去电子而带正电 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 三 实
2、验研究光电效应的规律 1 存在饱和电流 当A接正极 K接负极 时 控制入射光的强度一 定 使UAK从0开始增大 观察到电流表的示数一开 始增大 到某一数值后就 不再增大 这个最大电流就叫做 饱和电流 A 阳极 阴极 对存在饱和电流的解释 K板逸出的电子向各 个方向运动 如果不加电 压 很多电子无法到达A 板 无法形成较大电流 加上电压后 越来越 多的电子到达A板 电流 越来越大 但是 如果所有电子 都达到了A板 继续增大 电压 就无法再增大电流 A 阳极 阴极 思考1 如果AK之间不加电压 电流是否为0 思考2 如何才能使电流为0 2 存在遏止电压Uc 反向截止电压 当A接负极 K接正极 时
3、控制入射光的强度一 定 使UKA从0开始增大 观察到电流表的示数逐渐 减小到0 电流刚减小到0时对应 的UKA叫做遏止电压Uc A 阳极 阴极 对存在遏止电压的解释 加上反向电压后 电 子受到的电场力方向与运 动方向相反 电子减速 如果反向电压足够大 电子将无法达到A板 临界 的电压值即为遏止电压Uc 其中 vc是所有光电子的最大初速度 是光电子的最大初动能 一 一 一 一 一 一 E E F v U KA I Uc2OU 黄光 强 黄光 弱 实验测得的光电效应曲线 蓝光 U c1 遏 止 电 压 饱和电流Is 3 存在截止频率 c 当入射光的频率减小 到某一数值 c时 无论光 的强度多大 加
4、上怎样的 电压 都不会有光电流 这个临界频率叫做截 止频率 c A 阳极 阴极 4 光电效应的瞬时性 当入射光的频率超过截止频率时 无论光 如何微弱 几乎在瞬间就会产生光电流 时 间间隔不超过10 9s 经典的理论无法解释光电效应中的一些现象 推论1 光越强 光电子的初动能应该越大 所以遏 止电压Uc应与光的强弱有关 实验结果 遏止电压只与光的频率有关 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 推论2 不管光的频率如何 只要光足够强 电子都 可获得足够能量从而逸出表面 不应存在截止频率 实验结果 对于不同的物体 都有相应的截止频率 推论3 如果光很弱 电子需要很长时间才
5、能获得逸 出表面需要的能量 实验结果 时间小于10 9s 四 爱因斯坦的光电效应方程 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 的光的能量子为h 这些能量子后 来被称为光子 2 电子从金属中逃逸 需要克服阻力做功 使电子 脱离金属所要做的最小的功 叫做金属的逸出功 不同金属的逸出功是不同的 3 一个电子一瞬间吸收一个光子的能量 一部分能 量用来克服金属的逸出功W0 剩下的表现为逸出 后电子的最大初动能Ek 即 上式即为爱因斯坦的光电效应方程 如果电子克服阻力做功大于逸出功 则逸出后 电子的初动能小于最大初动能 影响饱和电流 遏制电压 截止频率的因素 1 只要入射光频率超过截
6、止频率 饱和电流 的大小只与单位时间内的光子数有关 2 截止频率只与金属的逸出功有关 即只与 金属的种类有关 3 遏制电压与入射光频率和逸出功有关 思考1 同种频率的光射到同种金属上 增强 入射光时 饱和电流 遏止电压分别如何变 化 答案 饱和电流增大 遏止电压不变 思考2 相同强度 单位时间内的能量 的单 色光射到同种金属上 增加入射光的频率时 饱和电流 遏止电压分别如何变化 答案 饱和电流减小 遏止电压增大 五 光电效应方程的图像 1 外加电压和光电流的关系 同种金属 光的强弱影响饱和电流 光的频率影响遏制电压 I Uc2OU 黄光 强 黄光 弱 蓝光 U c1 2 遏止电压 入射光频率
7、Uc 图像 思考1 截距和斜率的物理意义分别是什么 思考2 如果将两种不同金属的Uc 曲线画在 同一张图像中 会是怎样的 Uc W0 e c 六 光电效应方程的验证 密立根设计实验 测量金属的遏止电压与入射 光频率的关系曲线 根据曲线斜率算出普朗克常数 h 进而与普朗克从黑体辐射得出的h相比较 实验结论 两种方法计算出的普朗克常数几乎一样 从而证明了光子假说的正确性 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 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 七 康普顿效应 1 光的散
8、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 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波长相同的射 线外 还有比入射波长更长的射线 其波长 的改变量与散射角有关 而与入射波长和散 射物质都无关 3 康普顿散射实验的装置 晶体 光阑 X 射线管 探 测 器 X 射线谱仪 石墨体 散射物质 j 0 散射波长 4 康普顿效应的解释 经典理论 光的散射不会改变光的波长和频率 光子模型解释 根据动量守恒定律 发生碰撞 后光子的动量会发生变化 光子的动量与波长存在一定的关系 发生碰撞后 光子的动量减小 即光的波长增 大 散射角不同
9、 说明碰撞后光子的动量也不同 光的波长也不同 也可以从光子能量的角度解释康普顿效应 发生碰撞后 光子能量减小 因此光的 频率减小 碰撞的角度不同时 光子能量的减小也 不同 频率的减小也不同 5 康普顿效应的意义 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 康普顿于1927年获诺贝尔物理学奖 例1 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
10、电效应的是 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 答案 D 课堂练习 例2 关于光电效应下述说法中正确的是 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 答案 D 课堂练习 课堂练习 例3 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 答案 在可见光范围内 紫光的光子能量最大 因为其频率最高 但紫光不是最亮的 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
