17.2光的粒子性20120411

一.康普顿效应
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！
二.康普顿效应解释中的疑难
根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时， 它所发射的散射光频率应等于入射光频率。
光子理论对康普顿效应的解释 ①若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能 量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射 光的波长大于入射光的波长。 ②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 原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量 几乎不变，波长不变。
四.爱因斯坦的光量子假设
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，又一次证明了“光量子”理论 的正确。 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电
U=0时，I≠0， 因为电子有初速度 A 加反向电压，如右图所示： 一 一 光电子所受电场力方向与光电子 一 速度方向相反，光电子作减速运 一 动。若
U E v
－
K
+ + + + + +
1
2
mev
2 c
eU
一 一
F
c
E
速率最大的是
则I=0，式中UC为遏止电压
vc
最大的初动能
二.光电效应的实验规律
4、具有瞬时性
阴极
A K
阳极
G
实验结果：即使入射光的强度 非常微弱，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 －9 射所经过的时间不超过10 秒 （这个现象一般称作“光电子 的瞬时发射”）。
V
二.光电效应的实验规律
勒纳德等人通过实验得出以下结论：
练习
课本例题P36
h W 0 eU
U
c
分析 由上面讨论结果
可得：
因为 ：E
K
c

h e

W0 e

1 2
mev
2 c
eU
c
遏止电压Uc与光电子 的最大初动能Ek有关
W0
Ek越大， Uc越高；Uc为零， W e Ek为零，即没有光电子
0
h
所以与遏止电压Uc=0对应的频率应该是截止频率νc
以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所 以无法用经典的波动理论来解释光电效应。
四.爱因斯坦的光量子假设
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ν 的光的能量子为hν。这些能 量子后来被称为光子。
E h
四.爱因斯坦的光量子假设
1.光子： 2.爱因斯坦的光电效应方程
一个电子吸收一个光子的能量hν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：
h W 0 eU
c
0
h C W 0
由以上分析可知： 遏止电压Uc=0对应的频率就是截止频率νc h Uc—ν图象是一条斜率为 的直线
e
根据数据作Uc—ν图象即可求得
练习
课本P39
5、根据图17.2-2所示研究光电效应的电路，利用能 够产生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进 行实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实 验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普 朗克常量的关系式。 单色光 分析：阳极与电源负极相接 阴极与电源正极相接 测出两种不同频率ν1、ν2 光的遏止电压U1、U2
V
光电子的最大初动能只与入 射光的频率有关，与入射光 的强弱无关。
二.光电效应的实验规律
3.存在截止频率c
经研究后发现：
对于每种金属，都相应确定的截止频率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。
Hale Waihona Puke 二.光电效应的实验规律G
V R
K
A
代入公式：
h W 0 eU
c
当入射光频率分别为ν1、ν2时，测出遏止电压U1、 U2，由爱因斯坦光电效应方程可得
h 1 W 0 eU
1
h 2 W 0 eU
联立上两式，解得
h
2
2 2
U1 U
1
e
其中e为电子的电量，测出U1与U2就可测出普朗克 常量
h U1 U
2 2
1
e
计算h。
（4）多次测量取平均值。
康普顿效应
一.康普顿效应
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。
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。
2、存在遏止电压
阴极
A K
光电效应伏安特性曲线
饱 和 电 流 遏 止 电 压
I
黄光（ 强） 兰光 黄光（ 弱）
O
阳极
G
Is
V
Ub Ua
U
二.光电效应的实验规律
2、存在遏止电压
1 2
A
阴极
K
mev
2 c
eU
阳极
c
G
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. 光的频率 改变是，遏止电压也会改变。
实验步骤：
（1）将图17.2-2电路图电源正负对调，滑动变阻器 滑动触头滑至最左边，用频率为ν1 的光照射，此时 电流表中有电流。 将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑， 同时观察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。 记下伏特表的示数U1。
（2）用频率为ν2的光照射，重复（1）的操作，记 下伏特表的示数U2。 （3）应用
h E k W 0
E k h W 0
或
Ek 1 2 m ev
2 c
——光电子最大初动能 ——金属的逸出功
W0
四.爱因斯坦的光量子假设
3.光子说对光电效应的解释 ①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hν>W0时，才有光电子逸出， c W 0就是 h 光电效应的截止频率。 ②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。 ③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。
二.光电效应的实验规律
1、存在饱和电流
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。
阴极
A K
阳极
G
V
实验表明：
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。
二.光电效应的实验规律
2、存在遏止电压UC ：使光电流减小到零的反向电压
三.光电效应解释中的疑难
逸出功W0
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。 光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受 √ 到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣 ①光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电 脱出来，必须克服这个引力做功。 压UC应与光的强弱有关。 实验表明:对于一定颜色(频率)的光, ②不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的. 得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。 ③如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分 钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量， -9 这个时间远远大于10 S。
效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。
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
思考与讨论
因为 ：E
K

1 2
mev
2 c
eU
4. 能引起人的视觉感应 -18J，已 的最小能量为10 知可见光的平均波长约为 0.6m，则进入人眼的光 3 个，恰能 子数至少为 引起人眼的感觉.
5.关于光电效应下述说法中正确的是 ( D) 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
二、光电效应解释中的疑难 三、爱因斯坦的光电效应方程 （1）光子： （2）爱因斯坦的光电效应方程 （3）光子说对光电效应的解释
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 照射锌板时，验电器的指针就张开一个角 度，如图所示，