高二物理科学的转折光的粒子性.ppt

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1、光电效应 光子,第二节(2课时),第1课时,问题：回顾前面的学习，总结人类对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，(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。,一、光电效应现象,表明锌板在射线照射下失去电子而带正电,定义：,在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。,发射出来的电子叫做光电子,1.什么是光电效应,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。,石英窗,光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出-光电子。,光电子在电场作

2、用下形成光电流。,2.光电效应的实验规律,1.光电效应实验,将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。,当 K、A 间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值 Uc 时，光电流恰为0。Uc称遏止电压。,遏止电压,I,Uc,O,U,光 强 较 弱,光电效应伏安特性曲线,光电效应实验装置,遏止电压,一、光电效应的实验规律,I,I,s,U,a,O,U,光 强 较 强,光 强 较 弱,光电效应伏安特性曲线,光电效应实验装置,遏止电压,饱和电流,一、光电效应的实验规律,2.光电效应实验规律,.光电流与光强的关系,饱和光电流强度与入射光强度成正比。,.截止频率c-极限频率

3、,对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率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。,光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间10-9s。,经典理论无法解释光电效应的实验结果。,经典认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。,光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光

4、强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。,光电效应具有瞬时性。而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。,为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。,3.爱因斯坦的光量子假设,1.内容,光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为 的光是由大量能量为=h 光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。,在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W0，另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek。由能量守恒可得出：,2.爱因斯坦光电效应方程,3

5、.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 4.从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极极限频率：,爱因斯坦对光电效应的解释：1.光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。2.电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。,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

6、了“光量子”理论的正确。,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,。,可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。,4.光电效应在近代技术中的应用,1.光控继电器,可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105108 倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。,2.光电倍增管,应 用,光电管,光,电源,电流计,I,A,K,康普顿效应,第2课时,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

7、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.康普顿散射的实验装置与规律：,晶体,光阑,探测器,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,称为电子的Compton波长,只有当入射波长0与c可比

8、拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，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,

9、由于光子质量远,2.若光子和束缚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：,3.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。,光子理论对康普顿效应的解释,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,1927年获诺贝尔物理学奖,(1892-1962)美国物理学家,1927,19251926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，,四、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.,对证实康普顿效应作出了重要贡献。,在同一散射角()测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。,光子的能量和动量,动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的,