2 2 2 2光的粒子性第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性高中物理选修高中物理选修3-5知识复习：知识复习：1、什么是热辐射？、什么是热辐射？2、什么是黑体辐射？、什么是黑体辐射？3、黑体辐射的实验规律？、黑体辐射的实验规律？4、能量子及计算公式。、能量子及计算公式。实验：实验：用弧光灯照射擦得很亮的锌板，使验电器张角增用弧光灯照射擦得很亮的锌板，使验电器张角增大到约为大到约为 30度时，用与丝绸磨擦过的玻璃棒去度时，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。靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。原因：原因：当光照射当光照射锌板锌板时，时，它吸收光子能量，它吸收光子能量，振动加剧，当这个振动加剧，当这个能量足够大时，就能量足够大时，就会是电子逸出，从会是电子逸出，从而发生光电效应。而发生光电效应。1.1.什么是光电效应什么是光电效应当当光线光线照射在金属表面时，金属中有照射在金属表面时，金属中有电子电子逸出的现象，称为光电效应。逸逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为出的电子称为光电子光电子。光线经石英窗照在阴极上，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出便有电子逸出-光电子光电子。光电子在电场作用下形成光电子在电场作用下形成光电流。光电流。2.2.光电效应的实验规律光电效应的实验规律1. 1. 光电效应实验光电效应实验2、饱和光电流、饱和光电流在光照条件不变的前提下，在光照条件不变的前提下，随着电压的增加，光电流趋随着电压的增加，光电流趋于饱和值于饱和值-饱和电流。饱和电流。阳阳极极阴阴极极将换向开关反接，电场反将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。将受反向电场阻碍作用。当当 K K、A A 间加反向电压，光电间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达子克服电场力作功，当电压达到某一值到某一值 U Uc c 时，光电流恰为时，光电流恰为0 0。 U Uc c称称 遏止电压遏止电压。遏止电压遏止电压光强光强决定的饱和决定的饱和电流电流频率频率决定的遏决定的遏制电压制电压阳阳极极阴阴极极石英石英窗窗 光电效应实验规律光电效应实验规律.光电流与光强的关系光电流与光强的关系 饱和光电流强度与入射光强度成正比。饱和光电流强度与入射光强度成正比。.截止频率截止频率c -极限频率极限频率对于每种金属材料，都相应的有一确对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率定的截止频率 c 。 当入射光频率当入射光频率 c 时，电子才能逸出时，电子才能逸出金属表面；金属表面；当入射光频率当入射光频率 c时，无论光强多大也无电子逸出金时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。属表面。光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间时间 10-9s。3.3.爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设1.1.内容内容光不仅在发射和吸收时以能量为光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为频率为 的的光是由大量能量为光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流，这些光光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速子沿光的传播方向以光速 c 运动。运动。在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功分消耗在电子逸出功W W0 0，另一部分变为光电子逸出后，另一部分变为光电子逸出后的动能的动能 Ek 。由能量守恒可得出：。由能量守恒可得出：2.2.爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功； 为光电子的最大初动能。为光电子的最大初动能。3. 3. 从方程可以看出光电子初动能和照射从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系光的频率成线性关系4.4.从光电效应方程中，当初动能为零时，从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极极限频率。可得极极限频率。 爱因斯坦对光电效应的解释：爱因斯坦对光电效应的解释：1. 1. 光强大，光子数多，释放的光电子也光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。多，所以光电流也大。2. 2. 电子只要吸收一个光子就可以从金属电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。表面逸出，所以不需时间的累积。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被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。物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。4.4.光电效应理论的验证光电效应理论的验证美国物理学家美国物理学家密立根密立根，花了十年时间做了，花了十年时间做了“光电效应光电效应”实验，结果在实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的值的值与理论值完全一致，又一次证明了与理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子”理论的理论的正确。正确。爱因斯坦爱因斯坦由于对由于对光电效光电效应的理论解释应的理论解释和对和对理论理论物理学物理学的贡献获得的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根密立根由于研究由于研究基本电荷基本电荷和和光电效应光电效应，特别是通过著名，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验，证明电荷有最小单位。小单位。获得获得19231923年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖。放大器放大器控制机构控制机构可以用于自动控制，可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动计数、自动报警、自动跟踪等。自动跟踪等。4.4.光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用1.1.光控继电器光控继电器可对微弱光线进行放大，可使光电可对微弱光线进行放大，可使光电流放大流放大105 108 倍，灵敏度高，用倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。在工程、天文、科研、军事等方面。2.2.光电倍增管光电倍增管 当堂训练当堂训练1、关于光电效应，下列说法正确的是（）A.极限频率越大的金属材料逸出功越大B.只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应C.从金属表面出来的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小D.入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多2、在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线（甲光、乙光、丙光），如图所示则可判断出（）A. 甲光的频率大于乙光的频率 B乙光的波长大于丙光的波长 C乙光对应的截止频率大于丙 光的截止频率D甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能 当堂训练当堂训练光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传因而传播方向发生改变播方向发生改变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射 康普顿效应康普顿效应1923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射的实验时，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，其波长的改变量线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角与散射角有关，而与入射线波长有关，而与入射线波长 和和散射物质都无关散射物质都无关。一一. .康普顿散射的实验装置与规律：康普顿散射的实验装置与规律：晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 康普顿正在测晶体康普顿正在测晶体对对X 射线的散射射线的散射 按经典电磁理论：按经典电磁理论： 如果入射如果入射X光是某光是某 种波长的电磁波，种波长的电磁波， 散射光的波长是散射光的波长是 不会改变的！不会改变的！光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释 康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的子。子。小小光远光远2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰将与整个原若光子和束缚很紧的内层电子相碰将与整个原子交换能量子交换能量,由于光子质量原子质量，根据碰撞由于光子质量原子质量，根据碰撞理论，理论， 碰撞前后量几乎不变，波长不变碰撞前后量几乎不变，波长不变光光撞，撞， 于于1. 若光子和外层电子相碰撞，光子有一能量传若光子和外层电子相碰撞，光子有一能量传给电子给电子,散射光子的能量减少，射光的波长大于散射光子的能量减少，射光的波长大于入射光的波长。入射光的波长。 结果，具体解释如下：结果，具体解释如下： 3. 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角因为碰撞中交换的能量和碰撞的角关，所以关，所以波长改变和散射角有关。波长改变和散射角有关。度度三三. .康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义（1 1）有力地支持了爱因斯坦）有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； （2 2）首次在实验上证实了）首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量” 的假设；的假设；（3 3）证实了）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，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。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混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只；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。考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。19251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线( 0 =5.62nm) 为入射线为入射线, 以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重不同的元素为散射物质，四、吴有训对研究康普顿效应的贡献四、吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年年,参加了发现康普顿效应的研究工作参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了对证实康普顿效应作出了重要贡献。重要贡献。在同一散射角在同一散射角( )测量测量各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，作了大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。（1897-19771897-1977） 吴有训吴有训光子的能量和动量光子的能量和动量动量能量是描述粒子的动量能量是描述粒子的,频率和波长则是频率和波长则是用来描述波的用来描述波的