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1、第十七章 波粒二象性,第二节 光的粒子性,一、光电效应现象,点击演示：光电效应实验：,用紫外线照射锌板,可清楚看到：灵敏验电器指针张开,金属在光（包括不可见光）的照射下，从表面逸出电子的现象叫,光电效应,发射出来的电子叫,光电子,光电子定向移动形成的电流叫光电流,在紫外线的照射下，有电子从锌板飞出，锌板带了正电。,2、存在着遏止电压和截止频率,下面我们来继续探讨二、光电效应的基本规律,3、效应具有瞬时性,1、存在着饱和电流,1、存在着饱和电流,实验表明：入射光越强，饱和电流越大；入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。,光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。,因
2、为光照条件一定时，K发射的电子数目一定。,单色光,阳极,阴极,2、存在着遏止电压和截止频率,使光电流减小到零的反向电压,加反向电压，如右图所示：,光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子作减速运动。若,最大的初动能,U=0时，I0，,因为电子有初速度,则I=0，式中UC为遏止电压,我们来看如图所示的实验：,实验表明: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.,当图中电流表G 的读数为0时，伏特表V的读数就是下式中的“Uc”。,阳极,阴极,2、存在着遏止电压和截止频率,科学家曾做过类似于左图 的实验，他们用不同的单色光照射某种金属，看看哪些频率的光照射时能产生光电效
3、应。再用不同的单色光照射别的金属，又看看哪种频率的光照射时产生光电效应。,任何一种金属，都有一个截止频率，入射光的频率必须大于这个截止频率才能产生光电效应，低于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。不同金属的截止频率不同。,经研究后发现：,3、效应具有瞬时性,实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。,更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过109 秒（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。,光电效应在极短的时间内完成,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。,三、
4、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。,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。,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。,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 S。,-9,实验表明: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.,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。,四、爱因斯坦的光电效应方程,（1）光子：,光
5、本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为的光的能量子为h 。这些能量子后来被称为光子。,爱因斯坦的光子说,爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：,（2）爱因斯坦的光电效应方程,四、爱因斯坦的光电效应方程,（1）光子：,或,光电子最大初动能,金属的逸出功,W0,一个电子吸收一个光子的能量h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：,（3）光子说对光电效应的解释,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，与光强无关。只有当hW0时，才有光电子逸出， 就是光电效应的截止频率。,电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间
6、，光电流自然几乎是瞬时发生的。,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。,思考与讨论,？,课本P33,练习,课本例题P36,分析,由上面讨论结果,可得：,对于一定金属，逸出功W0是确定的，电子电荷e和普朗克常量h都是常量。,所以遏止电压UC与光的频率之间是线性关系,即：Uc图象是一条斜率为 的直线,练习,课本例题P36,分析,由上面讨论结果,可得：,遏止电压Uc与光电子的最大初动能Ek有关,Ek越大， Uc越高；Uc为零，Ek为零，即没有光电子,所以与遏止电压Uc=0对应的频率应该是截止频率c,由以上分析可知：,根据数据作Uc图象即可求得,遏止电压Uc=0对应的
7、频率就是截止频率c,Uc图象是一条斜率为 的直线,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。,五、康普顿效应,3、康普顿散射的实验装置与规律：,晶体,光阑,探测器,0,散射波长,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！,康普顿散射曲线的特点：,1.除原波长0外出现了移向长波方向
8、的新的散射波长 。,2.新波长 随散射角的增大而增大。,散射中出现 0 的现象，称为康普顿散射。,波长的偏移为,称为电子的Compton波长,只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。,波长的偏移只与散射角 有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长0 无关，,c = 0.0241=2.4110-3nm（实验值）,遇到的困难,经典电磁理论在解释康普顿效应时,2. 无法解释波长改变和散射角的关系。,射光频率应等于入射光频率。,其频率等于入射光频率，所以它所发射的散,过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，,1. 根据经典电磁波理
9、论，当电磁波通,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,子能量几乎不变，波长不变。,小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光,光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远,2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，,是散射光的波长大于入射光的波长。,部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于,1. 若光子和外层电子相碰撞，光子有一,结果，具体解释如下：,4.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，
10、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。,康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖,(1892-1962)美国物理学家,19251926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，,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.,对证实康普顿效应作出了重要贡献。,在同一散射角( )测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。,六、光子的能量和动量,动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的,本节课小结,光的粒子性,一、光电效应现象,二、光电效应的基本规律,2、存在着遏止电压和截止频率,3、效应具有瞬时性,1、存在着饱和电流,入射光越强，饱和电流越大;入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多.,入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，不同金属的截止频率不同；,（3）光子说对光电效应的解释,（2）爱因斯坦的光电效应方程,四、爱因斯坦的光电效应方程,（1）光子：,三、光电效应解释中的疑难,五、康普顿效应,六、光子的动量,五、康普顿效应,
