选修3-5 光的粒子性

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
五.光电效应在近代技术中的应用
1.光控继电器 可以用于自动控 制，自动计数、自动 报警、自动跟踪等。
EK
Ek＝hν－W0
ν
0
ν0
－W0
截止频率
逸出功
四.爱因斯坦的光量子假设
3.光子说对光电效应的解释
一个电子只能 吸收一个光子
①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。 ②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，频率越大最大初 动能越大，与光强无关。 ③只有当hν>W0时，才有光电子逸出， W0 c 就是光电效应的截止频率。 h ④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。
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 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。
E h
爱因斯坦的光子说
四.爱因斯坦的光量子假设
光电效应在极短的时间内完成
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： 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.
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
E光强 = nhν n：单位时间打到单位面积上的光子数
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
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。
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。
放大器
K
K2
K1
K4
K3
K5
控制机构
2.光电倍增管
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。
• 光电管
•光
A
K
I
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。
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
一.光电效应现象
1.演示实验
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。
（2）光电子：在光电效应中逸出的电子称为 光电子。 （3）光电流：光电子定向移动形成的电流叫 光电流
二.光电效应的实验规律
实验电路 疑问：光电子的发 射与什么因素有关 呢？ 光电效应实验有着 怎样的规律？
实验表明：
同种颜色的入射光， 光越强，饱和电流越 大。
饱 和 电 流
I
光电效应伏 安特性曲线 黄光（ 强）
Is
黄光（ 弱）
Ua
O
U
一.光电效应的实验规律
(2)存在遏止电压
使光电流减小到零的反向电压 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
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 E h
2
h h h P mc 2 c c c
h m 2 c
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
U E v
－
K
+ + + + + +
1 2 me vc eU c 2
一 一
F
E
速率最大的是 vc 则所有光电子都无法到达A极板， 最大的初动能 光电流I=0，式中UC为遏止电压
一.光电效应的实验规律 光电子最大初动能 遏止电压
实验表明:对于同一颜色(频率) 的光, 无论光的强弱如何,遏 止电压是一样的. 光的频率 增大，遏止电压也增大。 遏 止 电 入射光的频率越高， 压 光电子的最大初动能 越大。与入射光的强 弱无关。
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：
或
1 2 Ek me vc ——光电子最大初动能 2 W0 ——金属的逸出功
h Ek W0 Ek h W0
2.爱因斯坦光电效应方程
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 表中电流增 大到某一值 后，即使再 增大UAK，光 电流也不再 增大，即达 到饱和值。
饱和电流意义：
饱和电流反映的是单位时间内发射的光电子 数。 饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数 越多。
饱和电流
光电子数
说明光越强， 逸出的 光电子越多
I
光电效应伏 安特性曲线 黄光（ 强）
蓝光
黄光（ 弱）
O
U b Ua
U
二.光电效应的实验规律
(3)存在截止频率
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。
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 从金属中挣脱出 来，必须克服这 个引力做功。
17.2光的粒子性
第1课时
光电效应
光子
光的本性历史回顾
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
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。
小结
光的粒子性
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.
爱因斯坦 光子说
小 高
紫靛
大 波长λ 低 频率ν
光的颜色
红色 橙色 黄色 绿色 青色 蓝色 紫色
波长 约625—740纳米 约590—625纳米 约565—590纳米 约500—565纳米 约485—500纳米 约440—485纳米 约380—440纳米
频率 约480—405兆赫 约510—480兆赫 约530—510兆赫 约600—530兆赫 约620—600兆赫 约680—620兆赫 约790—680兆赫