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1、第十七章 波粒二象性 第二节 光的粒子性人教版选修人教版选修3-5问题：问题：回顾前面的学习，总结人类对回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程？光的本性的认识的发展过程？ 用弧光灯照射擦得很亮的锌板，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带注意用导线与不带电的验电器相连），电的验电器相连），使验电使验电 器张角增大到约为器张角增大到约为 30度时，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。针张角会变大。表明锌板在射线照射下失去电子而带正电表明锌板在射线照射下失去电子而带正电一、光电效应的实验规律一、光电
2、效应的实验规律 当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为出的现象，称为光电效应光电效应。逸出的电子称为逸出的电子称为光光电子。电子。光电子定向移动形成的电流叫光电子定向移动形成的电流叫光电流光电流 1、什么是光电效应、什么是光电效应2 2、光电效应实验、光电效应实验规律规律（1）存在饱和电流）存在饱和电流光照不变，增大光照不变，增大UAK，G表中电流表中电流达到某一值后不再增大，即达到达到某一值后不再增大，即达到饱和值。饱和值。因为光照条件一定时，因为光照条件一定时，K发射的发射的电子数目一定。电子数目一定。实验表明：实验表明：入射光越强，饱和
3、电流越大，单位时间内发射的光入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。电子数越多。阳极阳极阴极阴极：使光电流减小到零的反向电压：使光电流减小到零的反向电压+ + + + + + + + + + + + 一一一一 一一一一 一一一一 一一一一 一一一一 一一一一v加反向电压，如右图所示：加反向电压，如右图所示：光电子所受电场力方向与光电子光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子作减速运速度方向相反，光电子作减速运动。若动。若最大的初动能最大的初动能U=0时，时，I0， 因为电子有初速度因为电子有初速度则则I=0，式中，式中UC为为遏止电压遏止电压(2) 存在存在遏止电压和截
4、止频率遏止电压和截止频率a.存在存在遏止电压遏止电压UCEEUFKA驾驶员之家 http:/ 2016年新题库科目一模拟考试驾驶员之家 http:/ 2016年安全文明驾驶常识模拟考试驾驶员之家 http:/ C1驾驶证能开什么车驾驶员之家 http:/ C2驾驶证能开什么车驾驶员之家 http:/ C3驾驶证能开什么车驾驶员之家 http:/ C4驾驶证能开什么车驾驶员之家 http:/ A1驾驶证能开什么车驾驶员之家 http:/ A2驾驶证能开什么车驾驶员之家 http:/ A3驾驶证能开什么车驾驶员之家 http:/ B1驾驶证能开什么车驾驶员之家 http:/ B2驾驶证能开什么车I
5、IsUaOU黄光（黄光（ 强）强）黄光（黄光（ 弱）弱）光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流兰光兰光Ub(2) 存在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率阳极阳极阴极阴极实验表明实验表明:对于一定对于一定颜色颜色(频率频率)的光的光, 无论光的强弱如何无论光的强弱如何,遏遏止电压是一样的止电压是一样的. 光的频率光的频率 改改变是，变是，遏止电压也会改变。遏止电压也会改变。(2) 存在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率a.存在存在遏止电压遏止电压UC C光电子的光电子的最大初动能最大初动能只与只与入射光的频率入射光的频率有关，有关，与入射光的强弱无关
6、。与入射光的强弱无关。阳极阳极阴极阴极经研究后发现：经研究后发现：b. 存在存在截止频率截止频率 c对于每种金属，对于每种金属，都相应确定的截都相应确定的截止频率止频率 c 。 当入射光频率当入射光频率 c 时，电子时，电子才能逸出金属才能逸出金属表面；表面；当入射光频率当入射光频率 WW0 0时，才有光电子逸出，时，才有光电子逸出， 就是就是光电效应的截止频率。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积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。生的。光强较大时，包含的光子数较多，照射金光强较大时，包含的
7、光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。属时产生的光电子多，因而饱和电流大。由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电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效应的实验规律, ,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并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。动理论。4 4、光电效应理论的验证、光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效光电效应
8、应”实验，结果在实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的的值与理论值完全一致，又一次证明了值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子”理论理论的正确。的正确。爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和光电效应光电效应，特别是通过著名，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验，证明电荷有最小单位。小单位。获得获得19231923年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖思考与讨论思考与讨论放大器放大器控制机构
9、控制机构 可以用于自动控制，可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动计数、自动报警、自动跟踪等。自动跟踪等。1 1、光控继电器、光控继电器可对微弱光线进行放大，可对微弱光线进行放大，可使光电流放大可使光电流放大105108 倍，灵敏度高，用在工倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事程、天文、科研、军事等方面等方面。2 2、光电倍增管、光电倍增管四、光电效应在近代技术中的应用四、光电效应在近代技术中的应用应 用光电管光电源电流计IAK1、光的散射、光的散射光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方因而传播方向发生改变向发生改变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散
10、射 1923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实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长的改变量与散射角有关，而与入射线波长有关，而与入射线波长 和和散射物质都无关散射物质都无关。四、康普顿效应四、康普顿效应2、康普顿效应、康普顿效应3 3、康普顿散射的实验装置与规律：、康普顿散射的实验装置与规律：晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 康
11、普顿正在测晶体康普顿正在测晶体对对X 射线的散射射线的散射 按经典电磁理论：按经典电磁理论： 如果入射如果入射X光是某光是某 种波长的电磁波，种波长的电磁波， 散射光的波长是散射光的波长是 不会改变的！不会改变的！康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点： a. 除原波长除原波长 0外出现了移向外出现了移向长波方向的新的散射波长长波方向的新的散射波长 。 b. 新波长新波长 随散射角的增大随散射角的增大而增大。而增大。 散射中出现散射中出现 0 的现象，的现象，称为称为康普顿散射。康普顿散射。波长的偏移为波长的偏移为=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . .o
12、（A）0.7000.750波长波长. . 0 称为电子的称为电子的Compton波长波长只只有有当当入入射射波波长长 0与与 c可可比比拟拟时时，康康普普顿顿效效应应才才显显著著，因因此此要要用用X射射线线才才能能观观察察到到康康普普顿顿散散射射，用用可可见光观察不到康普顿散射。见光观察不到康普顿散射。波波长长的的偏偏移移只只与与散散射射角角 有有关关，而而与与散散射射物物质质种种类类及及入射的入射的X X射线的波长射线的波长 0 0 无关，无关， c = 0.0241=2.41 10-3nm（实验值）实验值）1 1、经典电磁理论在解释康普顿效应时、经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难遇到
13、的困难 根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率其频率等于入射光频率等于入射光频率，所以它所发射的，所以它所发射的散射光频散射光频率率应等于应等于入射光频率入射光频率。 无法解释波长改变和散射角关系。无法解释波长改变和散射角关系。五、康普顿效应解释中疑难五、康普顿效应解释中疑难2 2、光子理论对康普顿效应的解释、光子理论对康普顿效应的解释 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，量传给电子，散射光子散射光子的能量减少，于是的能量减少，于是散射光散
14、射光的波长大于的波长大于入射光入射光的波长。的波长。 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子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，子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量几碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。乎不变，波长不变。 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。所以波长改变和散射角有关。1 1、有力地支持了爱因斯坦、有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； 2 2、首次在实验上证实了、首次在实验上证实了“光子具有动
15、量光子具有动量”的假设；的假设；3 3、证实了、证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量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。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篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进混进来了某种荧光辐射来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，；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。后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。六、康普顿散射实验的意义六、康普
16、顿散射实验的意义康普顿康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家美国物理学家康康普普顿顿效效应应19251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线( 0 =5.62nm) 为入射线为入射线, 以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重不同的元素为散射物质，4、吴有训对研究康普顿效应的贡献、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年，参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了对证实康普顿效应作出了重要贡献。重要贡献。在同一散射角在同一散射角( )测量测量各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，作了
17、大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。（1897-19771897-1977） 吴有训吴有训七、光子的动量七、光子的动量动量能量是描述粒子的动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的频率和波长则是用来描述波的光的粒子性光的粒子性一、光电效应的基本规律一、光电效应的基本规律1.光电效应现象光电效应现象2.光电效应实验规律光电效应实验规律 对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的对于任何一种金属，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；于这个频率就不能发生光电效应； 当入射光
18、的频率大于极限频率时，光电流的强度与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；入射光的强度成正比； 光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着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；入射光的频率增大而增大； 入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过一般不超过10-9秒秒.（3 3）光子说对光电效应的解释）光子说对光电效应的解释（2）爱因斯坦的光电效应方程）爱因斯坦的光电效应方程三、爱因斯坦的光电效应方程三、爱因斯坦的光电效应方程（1 1）光子：）光子：二、光电效应解释中的疑难二、光
19、电效应解释中的疑难1 1、在演示光电效应的实验中，原来不带电的一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，时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，这时这时( )( )A.A.锌板带正电，指针带负电锌板带正电，指针带负电B.B.锌板带正电，指针带正电锌板带正电，指针带正电C.C.锌板带负电，指针带正电锌板带负电，指针带正电D.D.锌板带负电，指针带负电锌板带负电，指针带负电B课堂练习课堂练习2 2、一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应
20、，则下列措施中可能使该金属产生光电效效应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是应的是( )( )A.A.延长光照时间延长光照时间B.B.增大光束的强度增大光束的强度C.C.换用红光照射换用红光照射D.D.换用紫光照射换用紫光照射D3 3、关于光子说的基本内容有以下几点，不正确关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是的是( )( )A.A.在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子每一份叫一个光子B.B.光是具有质量、能量和体积的物质微粒子光是具有质量、能量和体积的物质微粒子C.C.光子的能量跟它的频率成正比光子的能量跟它的频率成正
21、比D.D.光子客观并不存在，而是人为假设的光子客观并不存在，而是人为假设的B4 4、能引起人的视觉感应的最小能量为能引起人的视觉感应的最小能量为1010-18-18J J，已知可见光的平均波长约为已知可见光的平均波长约为0.60.6 m m，则进则进入人眼的光子数至少为入人眼的光子数至少为 个，恰能引起人个，恰能引起人眼的感觉眼的感觉. .35 5、关于光电效应下述说法中正确的是关于光电效应下述说法中正确的是( )( )A.A.光电子的最大初动能随着入射光的强度增大光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大而增大B.B.只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，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就一定能产生光电效应C.C.在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关的频率无关D.D.任何一种金属都有一个极限频率，低于这个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频率的光不能发生光电效应D
