高二物理光的粒子性

康 普 顿 效 应
19 康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖 27
(1892-1962)美国物理学家
三.康普顿散射实验的意义
4.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. 1925—1926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， 在同一散射角( j 120 0)测量
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。
一.光电效应的实验规律 2.光电效应实验规律
（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。
一.光电效应的实验规律
(2)存在遏止电压和截止频率
康普顿散射曲线的特点：
a.除原波长0外出现了移向 长波方向的新的散射波长 。 b.新波长 随散射角的增大 而增大。 波长的偏移为
0
. ... ........ . .. .... ... ........ . . ... .... ... . . ... . ..... .... .. ..... .. .... .... .. .. ...... . . .
vc
最大的初动能
一.光电效应的实验规律
(2)存在遏止电压和截止频率
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
一.光电效应的实验规律
(2)存在遏止电压和截止频率
A
阴极
K
a.存在遏止电压UC
1 2 mev
2 c
eU
阳极
0
0.700 0.750
j =45O
j =90O
j =135O
波长 （A） λ
o
一.康普顿效应
波长的偏移只与散射角j 有关，而与散射物质 种类及入射的X射线的波长0 无关，



0
c (1 cos j )
c = 0.0241Å=2.4110-3nm（实验值）
称为电子的Compton波长 只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显
各种波长的散射光强度，作
了大量 X 射线散射实验。 对证实康普顿效应作出了 重要贡献。
吴有训
四.光子的动量
E mc
m
P mc
2
h
h c
2
E h
c h c h
c
2

E h
P h

动量能量是描述粒子的,
频率和波长则是用来描述波的
小结
光的粒子性
一.光电效应的实验规律
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。。
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
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。 光电子定向移动形成的电流叫光电流
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。
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。
一.光电效应的实验规律
(2)存在遏止电压和截止频率 b.存在截止频率c
经研究后发现：
阳 极
A K
阴 极
对于每种金属， 都相应确定的截 止频率c 。
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 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
三.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。
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。
三.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 爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到 的光的能量子为hν。这些能 了启发，他提出： 量子后来被称为光子。
爱因斯坦的光子说
E h
三.爱因斯坦的光量子假设
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
练习 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， 这时( )B A.锌板带正电，指针带负电 B.锌板带正电，指针带正电 C.锌板带负电，指针带正电 D.锌板带负电，指针带负电
高中物理新人教版 选修３- 5系列课件
17.2《科学的转折： 光的粒子性》
教学目标
知识与技能： • 1．通过实验了解光电效应的实验规律。2．知道爱因斯坦 光电效应方程以及意义。3．了解康普顿效应，了解光子 的动量 过程与方法： • 经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学 探究的方法研究物理问题，验证物理规律。 3、情感态度与价值观： • 领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲， 乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜 悦。 • 【重点难点】 • 1、重点：光电效应的实验规律 • 2、难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义
2 c
eU
c
代入 E k h W 0 可得
h W 0 eU
c
四.光电效应在近代技术中的应用
1.光控继电器
K
可以用于自动控 制，自动计数、自动 报警、自动跟踪等。
放大器
K2
K1
K4
K3
K5
2.光电倍增管
控制机构
A
可对微弱光线进行放 大，可使光电流放大 105~108 倍，灵敏度 高，用在工程、天文、 科研、军事等方面。
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。
二.康普顿效应解释中的疑难
1.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难 ①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，其频率 等于入射光频率，所以它所发射的散射光频 率应等于入射光频率。 ②无法解释波长改变和散射角关系。
•当入射光频率 > c 时，电 子才能逸出金 属表面；
G
V
•当入射光频率 < c时，无论光强 多大也无电子逸出金属表面。
一.光电效应的实验规律
(3)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”）。
二.康普顿效应解释中的疑难
2.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。 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。
V
光电效应在极短的时间内完成
一.光电效应的实验规律
勒纳德等人通过实验得出以下结论： ①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，低于这个频率就不能发生光 电效应； ② 当入射光的频率大于极限频率时，入射 光越强，饱和电流越大； ③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； ④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10-9秒.
问题1：回顾前面的学习，总结 人类对光的本性的认识的发展 过程？
一、光电效应现象
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。。
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电
三.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
a.存在遏止电压UC：使光电流减小到零的反向电压
U=0时，I≠0， 因为电子有初Leabharlann Baidu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
应
• 光电管
•光
用
I
A
K
电流计
电源
17.1科学的转折： 光的粒子性
第2课时
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。
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
课本P36
因为 ：E
K

1 2
mev
一、光电效应的基本规律 1.光电效应现象 2.光电效应实验规律
①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 于这个频率就不能发生光电效应； ② 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； ③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； ④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10-9秒.
二.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。
一.康普顿效应
3.康普顿散射的实验装置与规律：
X 射线管
晶体
散射波长
光阑
0
j
探 测 器 X 射线谱仪
石墨体 (散射物质)
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！
一.康普顿效应
j =0O
散射中出现 ≠0 的现象， 称为康普顿散射。