《波粒二象性》17.2 光的粒子性

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、康普顿效应
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
康普顿效应
光子理论对康普顿效应的解释
0
0 0
自
由
原子
电
子
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，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。
吴有训
经典电磁理论在解释康普顿效应中的困难
按经典电磁理论： 光是电磁振动的传播
入射光引起物质内部带电微粒的受迫振动
振动着的带电微粒从入射光吸收能量，并向 四周辐射，这就是散射光。
散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的 频率，也就是入射光的频率
因而散射光的波长与入射光的波长应该相同 ，不会出现λ>λ0的散射光
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、爱因斯坦光量子假说
光量子假说： 光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为 ν 的光量子的能 量为 hν。这些能量子后来被称为光子。
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：
课外拓展 （欣赏一下）
六、光子的动量
爱因斯坦质能方程 E=mc2
粒子性
爱因斯坦的光子说 E=hν
波动性
借用质子、电子等粒子动 量的定义光子动量：
动量、能量
频率、波长
波粒二象性
1、铂的逸出功为6.3eV，求铂的截止频率0 。
解： h 1 mv2 W
2
0
W h
1eV 1.6 10 19 J
0
1918~1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对 X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了有 与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0 的 成分，这个现象称为康普顿效应。
康普顿
康普顿正在测 晶体对X射线 的散射。
康普顿的学生，中国 留学生吴有训测试了 多种物质对X射线的散 射，证实了康普顿效 应的普遍性。
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
光电效应表明光子具有能量，康普顿效应表明光子 除了具有能量之外还具有动量
康普顿于1927年获诺贝尔物理奖
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。
波动说渐成真理
T/年
粒 子 性
一、光电效应
1887年赫兹在做电磁波实验时发现了光电效应。 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。
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，再用与丝绸摩擦 过的玻璃棒去靠近锌板，则验 电器的指针张角会变大。
中学学科
17.2 光的粒子性
光的本性的研究历史
菲涅 托马斯·杨 耳衍
波
惠更斯 双缝干涉 射实 麦克斯韦 赫兹电磁波
动
波动说 实验
验 电磁说 实验
性
1690
1672
牛顿 微粒说
1801 1814
1864 1888
......
1887 1905
爱因斯坦 赫兹发现 光子说 光电效应
牛顿微粒说 占主导地位
光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 √
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。 实验表明:对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如 ②不管光何的,遏频止率电如压何是，一只样要的光.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。
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，这个时间远远大于10-9S。
黄光（强）
效 应 伏
和 电
绿光
安 特 性
流
Is
黄光（弱）
曲
线
Uc2 Uc1
0
UAK
反向电压
光电效应实验装置
光电子的能量 只与入射光的 频率有关。
截止频率或极限频率c 入射光的频率低于截止频率时不 发生光电效应。（产生光电效应的条件）
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
质量
m
E c2
9.95 10 19 (3 10 8 )2
1.11 10 35 kg
表明锌板在射线照射下失 去电子而带正电
二、光电效应实验规律
光线经石英窗照在阴极上时有电 子逸出--光电子。
阳 极
阴 极
光电子在电场作用下形成光电流。
当 A 加正向电压，电流增加，到
一定值时达到饱和。光线越强，
饱和光电流越大。
I
光 电
饱
黄光（强）
效 应 伏 安 特 性
和 电 流
Is
黄光（弱）
光电效应实验装置
这是因为电子每次只能吸收一个光子，而光强E光强=nhν，（n是单位时 间打到单位面积上的光子数）。同一种光，光强越大，光子数越多，则
逸出的光电子越多，饱和光电流越大。
③遏止电压与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大 根据光电效应方程 Ek=hν-W0 =eUc 可知遏止电压与入射光频率成线性关系
入射光越强， 单位时间内发 射的光电子数
曲
越多。
线
0
UAK
①电压为零时，电流I并不为零
说明：光电子存在初速度
②在反向电压增大到某个值Uc时，光电
流减到零
遏止电压
遏止电压：使光电流减小到零的反向电压
根据动能定理：Ek max
1 2
mvm2
e|Uc |
无论入射光的强度多大，遏止电压都相同
I
光 电
饱
6.3 1.6 10 19 6.6 10 34
1.531015 Hz
λ=196nm
2、求波长为20 nm 紫外线光子的能量、动量及质量。
解：能量
h hc
6.63
10 34 3 20 10 9
10
8
9.95 10 19 J
动量 P
h
6
.63 10 34 20 10 9
3.3 10 26 kgm/s
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、光电子的遏止电压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
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。
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。
光子理论对康普顿效应的解释 入射光子与外层电子弹性碰撞
能量、动量守恒
h 0 m0c2 h mc 2
h 0
h 0 c
h c
cos
mv
cos
h c
s in
mv
s in
c
h 0
h
c
0 θ h m0c2
mv
mc2
解得，波长改变量
λ
λ
λ0
2λc
sin 2
2
康普顿波长 c h / m0c 0.0024 nm
④入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的。 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。
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。
hν= Ek+ W0 或 Ek=hν-W0
Ek为光电子的最大初动能， Ek =1/2mev2
爱因斯坦对光电效应的解释
①对于任何一种金属，都有一个极限频率。 只有当hν>W0时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率。
Ek=hν-W0
令Ek=0得 νc=W0/h
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。