17.2-2+康普顿效应

17.2科学的转折：
光的粒子性
第2课时：康普顿效应
回顾：光电效应实验现象
①任何一种金属，都有极限频率，入射光的频率低于极限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由入射光频率决定；
④光电子的发射几乎是瞬时的。

爱因斯坦光子说：E=hν
E=hν-W 爱因斯坦光电效应方程
k0
①爱因斯坦方程（E k =h v -W 0）表明，光电子的初动能E k 与入射光的频率成线性关系，与光强无关。

只有当hν>W 0 ，才有光电子逸出，v c =W 0 /h 就是光电效应的截止频率。

3、光子说对光电效应的解释
②电子一次性吸收光子全部能量，不需吸收时间，因此光电流自然几乎是瞬时发生。

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。

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
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，出现了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。

3、康普顿散射的实验装置与规律：
晶体
光阑
X 射线管探测器
X 射线谱仪石墨体
(散射物质)
j λ0散射波长λ
康普顿在测晶体对X 射线的散射
散射中出现
λ≠λ
0的现象，称为
康普顿散射。

二、经典电磁理论在解释康普顿效应时的疑难
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。

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。

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“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。

康普顿的成功不是一帆风顺，在他早期的论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进了某种荧光辐射”；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。

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(φ=1200 )测量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
2E mc = ∴P =mc E h ν
=2h νm =c
∴四.光子的动量
2h ν=c c h ν=c
h =λ
E hν
=
h
P=
λ
动量能量是用来描述粒子，频率和波长是用来描述波。

小结
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，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由入射光的频率决定；
④光电子的发射几乎是瞬时的，不超过10-9秒.
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四、康普顿效应
分析又k 0E =h ν-W 0c W h U =ν-e e
得：2K e c c 1E =m v =eU 2当遏止电压Uc = 0 时，对应的是截止频率v c
课本例题P33
∴0c h ν-W =eU 作U c —ν图象即可求解Uc —v 图象斜率为h e
遏止电压Uc 与光电子最大初动能Ek 有关。

Ek 越大，Uc
越高；Uc 为零，
Ek 为零，没有光
电子.
由以上分析可知：
当遏止电压Uc = 0 时，对应的是截止频率v c 作U c —v 图象：Uc —v 图象斜率为h e ①截止频率v c ：
v c =4.27×1014Hz
②由图计算斜率:
=3.93×10-15V ·s h e
又e=1.6×10-19C
∴h=6.30×10-34J·s
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
2.一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则下列措施中可能使该金属产生光
D
电效应的是( )
A.延长光照时间
B.增大光束的强度
C.换用红光照射
D.换用紫光照射
3、关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是( )
BD
A、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
B、光是具有质量、能量和体积的物质微粒子
C、光子的能量跟它的频率成正比
D、光子客观并不存在，而是人为假设的
4. 能引起人的视觉感应的最小能量为10-18J,已知可见光的平均波长约为0.6 m，则进入人
3
眼的光子数至少为个，恰能引起人眼的感觉.
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
课本P36
1、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想想看，这种光是否一定最亮？为什么？在可见光范围内，紫光的光子能量最大，
因为其频率最高。

紫光不是最亮的。

因为光的亮度由两个因素决定，
一是光强，二是人眼的视觉灵敏度。

在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。

课本P36
2、在光电效应实验中
（1）如果入射光强度增加，将产生什么结果？（2）如果入射光频率增加，将产生什么结果？
（1）当入射光频率高于截止频率时，光强增加，发射的光电子数增多；当入射光频率低于
截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光
电子发射出来。

（2）入射光的频率增加，发射的光电子最大初
动能增加。

5、根据图中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。

G V
A K
R 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U 1、U 2代入公式：0c
h W eU ν-=
101
h W eU ν-=202
h W eU ν-=当入射光频率分别为ν1、ν2时，测出遏止电压U 1、U 2，由爱因斯坦光电效应方程可得
联立上两式，解得1212
U U h e νν-=-其中e 为电子的电量，测出U 1与U 2就可测出普朗克常量
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U 1。

（2）用频率为ν2的光照射，重复（1）的操作，记下伏特表的示数U 2。

（3）应用计算h 。

（4）多次测量取平均值。

1212
U U h e νν-=-
颜色波长
λ/nm
频率
/1014HZ
遏止电
压U/V
最大动能
E Km/eV
绿
兰
紫（光强）
紫
（光弱）。