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1、同学们好,密立根以卓越的研究方法和精湛的实验技术，检验了爱因斯坦1905年提出的光电效应公式。于1916年发表论文证实了光电效应方程的正确性，并直接运用光电方法对普朗克常数h作了首次测量。1922年，康普顿发现了“康普顿效应”，他采用单个光子和自由电子的简单碰撞理论，对这个效应做出了满意的理论解释，进一步证实了爱因斯坦的光子理论。,上一讲：,一、普朗克能量子假说,黑体：由大量包含各种固有频率 的谐振子组成的系统;,能量子能量,“光量子”假设,爱因斯坦认为:既然带电谐振子辐射和吸收光时其能量具有分立性，存在着能量的最小单元，那么光本身的能量也具有分立性，也应存在能量的最小单元。,在这思想指引下，
2、爱因斯坦假设光也是一种粒子流，频率为v的光的每一个粒子对应能量为E=hv。每份能量称为一个光量子，通常称为光子。,爱因斯坦光子理论, 光是以光速运动的光子流, 每个光子能量和动量, 光强即光的能流密度,一、光电效应,1.实验规律,光照射在某种金属导体上时，有可能使金属中的电子逸出金属表面。这种现象称为光电效应。,(1) 光电效应是瞬时发生的,(2) 入射光频率一定，饱和光电流与入射光强成正比, 不变,截止电压的存在说明光电子具有初动能，,(3)在光电管上加反向电压，电压不太大时，仍有一定的光电流，电压加到 时，光电流为零， 称为截止电压,(4)对于任何金属,入射光有一个极限频率0 截止频率（红
3、限）。当入射光频率 0 时，才能产生光电效应；在该截止频率以下 0 时，光电子的最大初动能（或截止电压）与入射光的频率成线性关系，而与光的强度无关。,2. 光电效应方程,3.经典电磁波理论的困难,光电子（最大）初动能与入射光的频率 成线性关系，而与入射光强无关无法解释。经典理论认为光电效应与频率无关，光电子的能量来源于电子直接吸收的入射光的能量，应与光的强度有关. 截止频率无法解释。经典理论认为光强足够大，就能产生光电效应. 光电效应的瞬时性无法解释。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程.,普朗克的能量子假说当时并未引起人们的广泛重视，人们把他的黑体辐射公式只看成一个
4、与实验符合最好的经验或半经验公式，但是爱因斯坦却看到了能量子假说的重要性。光电效应用经典的光的波动论是没办法解释的，只有用量子论才能解释。,爱因斯坦在普朗克能量子假说基础上提出了光量子理论。,1905 年爱因斯坦连续发表了三篇震憾世界的论文，其中“关于光的发生和转变的一个新观点”。提出了光量子假设，成功地解释了光电效应，由此获得 1921 年诺贝尔物理学奖。,4 .爱因斯坦光子理论,光在发射或吸收时表现出量子性; 光在空间传播时也表现出量子性;,3) 频率为 的光是由大量粒子流光量子（简称光子）构成的，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动，频率为 的光子的能量为 =h;,4) 越高光子能量越
5、大，光子能量与光强无关;,5) 当 一定时，光强越大，光子数越多。,爱因斯坦光量子理论：,光电效应实验规律,(1) 光电效应是瞬时发生的；,(2) 入射光频率一定，饱和光电流与入射光强成正比；,(3) 存在截止电压Ua；,(4) 对于任何金属,入射光有一个极限频率0 截止频率（红限）；,(5) 当 0 时，光电子的最大初动能（或截止电压）与入射光的频率成线性关系，而与光的强度无关。,4 .爱因斯坦光子理论对光电效应的解释,2)光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以饱和光电流也大。,1) 电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积过程。,4) 从光电效应方程中，当初动能为零时
6、，可得到红限频率：,3) 从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系。,吸收光子的是金属原子外层电子还是内层电子？,思考,吸收光子的是金属原子外层电子还是内层电子？,思考,证明：采用反证法。假设外层自由电子吸收了一个光子。,以光子和电子的质心为参考系。运用能量守恒可得：,由此有m 0 m ，而这是不可能的。所以假设错误。光电效应过程只可能是金属原子核附近的“静止电子”吸收的。,二.康普顿效应,爱因斯坦对光电效应的解释是对普朗克能量子概念 的极大支持，但普朗克不同意爱因斯坦的光量子假说， 这一点流露在普朗克推荐爱因斯坦为普鲁士科学院院士 的推荐信中。,“总而言之，我们可以说，在近代物理学
7、结出硕果的 那些重大问题中，很难找到一个问题是爱因斯坦没有 做过重要贡献的，在他的各种推测中，他有时可能也 曾经没有射中标的，例如，他的光量子假设就是如此， 但是这确实并不能成为过分责怪他的理由，因为即使 在最精密的科学中，也不可能不偶尔冒点风险去引进 一个基本上全新的概念。”,康普顿散射被认为是光量子概念的判定性实验。,1923年，美国物理学家康普顿在观察X射线被物质散射时，发现散射线中含有波长发生变化了的成分.,康普顿 （A. H.Compton)(1892-1962） 1927年诺贝尔奖,1.实验装置示意图,X光被石墨散射,来自伦琴射线管的X射线通过光阑照射到石墨上产生的散射光线 进入光
8、谱仪，该散射线的波长及强度可由光谱仪测定。调节X 射线管和石墨体的位置，可使不同方向的散射光线通过光阑而进入 光谱仪。于是可测到与入射X射线成不同角度的散射谱线的波长。,2.实验结果,波长改变量,原子量越小的物质，康普顿效应越显著,吴有训的康普顿效应散射实验曲线,吴有训 中国 （ 18971977）,2. 经典物理遇到的困难,3.用光子论解释康普顿效应,* 光子、电子均视为“点粒子”，所以不考虑一般非弹性碰撞, 完全非弹性碰撞：,光子被电子吸收，电子能量增加, 当电子能量足够大时，成为光电子逸出。,即光电效应, 弹性碰撞,原子量越小外层电子数占总电子数的比例大，因此发生第二种碰撞概率越大，康普
9、顿效应显著。, 定量计算,电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理.,入射光子（ X 射线或 射线）能量大 .,固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子.,电子热运动能量 ，可近似为静止电子.,范围为：,建立方程,余弦定理：,（3）,求解得：,解： 波长改变量相同,对紫光,发生康普顿效应与光电效应的概率,解：1),2) 反冲电子动能即光子损失的能量,3) 反冲电子动量,复习: P.157 165 练习: 15.1, 15.2, 15.4, 预习: 15.2 15.3 P.166 175,No.6 光的衍射,基本题型,单缝衍射的规律，计算半波带数目、条纹线宽度、 条纹间距和位置、入射光波长。 2. 光栅衍射的规律，计算光栅常数、条纹（最高）级次 、条纹间距和位置、入射光波长。 3. 光学仪器的分辨本领，计算光学仪器的最小分辨角。,计算题,1、解（1）,（2）,2、解（1）,（2）单缝衍射第一级暗纹与光栅衍射第3级明纹重合,（3）垂直入射,3、解：,（1）单缝衍射中央明纹线宽度,（2）,
