2014.3.17光的粒子性_LI

h mc
2
h h p c
5、康普顿效应的意义 (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”。 康普顿于1927年获诺贝尔物理学奖。
第十七章
波粒二象性
17.2 光的粒子性
惠更斯 波动说 1690 1672
托马斯· 杨 双缝干涉 实验
菲涅耳 衍射实验
赫兹 电磁波实验
麦克斯韦 电磁说 1864 1888 ………. 1905
波 动 性
1801 1814
T/年
粒 子 性
牛顿 微粒说
牛顿微粒说 占主导地位
赫兹 发现光电效应 波动说 渐成真理
3.爱因斯坦光电效应方程对实验结论的解释 Ek＝hν－W0
●解释截止频率 ●解释饱和光电流 ●解释瞬时性
0 －W0 EK
ν0
ν
五、光电效应方程的图像：
1、外加电压和光电流的关系（同种金属）
I
黄光（强）
蓝光
黄光（弱）
U c1 Uc2
O
U
光的强弱影响饱和电流 光的频率影响遏制电压
2、遏止电压-入射光频率：Uc-ν图像
七、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 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波长相同的射 线外，还有比入射波长更长的射线，其波长 的改变量与散射角有关，而与入射波长和散 射物质都无关。
3、康普顿散射实验的装置
【课堂练习】
例1、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 答案：D
【课堂练习】
例2、关于光电效应下述说法中正确的是( ) 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 答案：D
爱因斯坦 光子说
二、光电效应现象
用弧光灯照射擦得很亮的锌板，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。 再用与丝绸磨擦过的玻璃去靠近锌板，则验电 器的指针张角会变大。 结论：锌板在射线照射下失去电子而带正电。
2几个概念
（1）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。
Ek h W0
上式即为爱因斯坦的光电效应方程。 如果电子克服阻力做功大于逸出功，则逸出后 电子的初动能小于最大初动能。
影响饱和电流、遏制电压、截止频率的因素 1、只要入射光频率超过截止频率，饱和电流 的大小只与单位时间内的光子数有关。
2、截止频率只与金属的逸出功有关，即只与 金属的种类有关。
Uc
W0 h Uc e e
c
ν -W0/e
思考1：截距和斜率的物理意义分别是什么？ 思考2：如果将两种不同金属的Uc-ν曲线画在 同一张图像中，会是怎样的？六、光电效应方程的验证
密立根设计实验，测量金属的遏止电压与入射 光频率的关系曲线，根据曲线斜率算出普朗克常数 h，进而与普朗克从黑体辐射得出的h相比较。 实验结论：两种方法计算出的普朗克常数几乎一样， 从而证明了光子假说的正确性。 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。 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
对存在饱和电流的解释：
K板逸出的电子向各 个方向运动，如果不加电 压，很多电子无法到达A 板，无法形成较大电流。 加上电压后，越来越 多的电子到达A板，电流 越来越大。 但是，如果所有电子 都达到了A板，继续增大 电压，就无法再增大电流。
思考1：如果AK之间不加电压，电流是否为0？
思考2：如何才能使电流为0？
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)
4、康普顿效应的解释 经典理论：光的散射不会改变光的波长和频率。 光子模型解释：根据动量守恒定律，发生碰撞 后光子的动量会发生变化。 光子的动量与波长存在一定的关系：
p mc
发生碰撞后，光子的动量减小，即光的波长增 大。 散射角不同，说明碰撞后光子的动量也不同， 光的波长也不同。
U E v
－
K
+ + + + + +
1 2 me vc eU c 2
2
一 一
F
E
其中，vc是所有光电子的最大初速度， 1 2 是光电子的最大初动能。 me vc eU c
实验测得的光电效应曲线
I
黄光（ 强）
饱和电流Is
遏 止 电 压
蓝光 黄光（ 弱）
Uc1 Uc2
O
U
3、存在截止频率νc
【课堂练习】 例3、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？ 答案： 在可见光范围内，紫光的光子能量最大， 因为其频率最高，但紫光不是最亮的。 光的亮度由两个因素决定，一为光强， 二为人眼的视觉灵敏度。 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。
2、存在遏止电压Uc （反向截止电压）
当A接负极，K接正极 时，控制入射光的强度一 定，使UKA从0开始增大， 观察到电流表的示数逐渐 减小到0。 电流刚减小到0时对应 的UKA叫做遏止电压Uc。
对存在遏止电压的解释：
加上反向电压后，电 子受到的电场力方向与运 A 动方向相反，电子减速。 一 如果反向电压足够大， 一 电子将无法达到A板。临界 一 的电压值即为遏止电压Uc。 一
四.爱因斯坦的光电效应方程
1.光子说(爱因斯坦于1905年提出)
在空间传播的光不是连续的而是一 份一份的，每一份叫做一个光子，光 子的能量跟它的频率成正比。即:E＝ hν ，ν 表示光的频率，h 叫普朗克 常量，h＝6.63×10-34焦耳．秒
四、爱因斯坦的光电效应方程
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。 2、电子从金属中逃逸，需要克服阻力做功。使电子 脱离金属所要做的最小的功，叫做金属的逸出功。 不同金属的逸出功是不同的。 3、一个电子一瞬间吸收一个光子的能量，一部分能 量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出 后电子的最大初动能Ek，即：
当入射光的频率减小 到某一数值νc时，无论光 的强度多大，加上怎样的 电压，都不会有光电流。 这个临界频率叫做截 止频率νc。
4、光电效应的瞬时性
当入射光的频率超过截止频率时，无论光 如何微弱，几乎在瞬间就会产生光电流。时 间间隔不超过10-9s。
经典的理论无法解释光电效应中的一些现象：
推论1：光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏 止电压Uc应与光的强弱有关。 实验结果：遏止电压只与光的频率有关。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。 推论2：不管光的频率如何，只要光足够强，电子都 可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。 实验结果：对于不同的物体，都有相应的截止频率。 推论3：如果光很弱，电子需要很长时间才能获得逸 出表面需要的能量。 实验结果：时间小于10-9s
（2）光电子：在光电效应中逸出的电子称为 光电子。 （2）光电流：光电子定向移动形成的电流叫光 电流
三、实验研究光电效应的规律
1、存在饱和电流 当A接正极，K接负极 时，控制入射光的强度一 定，使UAK从0开始增大， 观察到电流表的示数一开 始增大，到某一数值后就 不再增大。 这个最大电流就叫做 饱和电流。
W0 c h
3、遏制电压与入射光频率和逸出功有关。
h W0 Uc e
思考1：同种频率的光射到同种金属上，增强 入射光时，饱和电流、遏止电压分别如何变 化？ 答案：饱和电流增大，遏止电压不变。 思考2：相同强度（单位时间内的能量）的单 色光射到同种金属上，增加入射光的频率时， 饱和电流、遏止电压分别如何变化？ 答案：饱和电流减小，遏止电压增大。