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1、光电效应 光子,17.2光的粒子性,第1课时,T/年,波动性,粒子性,1801,托马斯杨双缝干涉实验,1814,菲涅耳衍射实验,赫兹电磁波实验,赫兹发现光电效应,牛顿微粒说占主导地位,波动说渐成真理,.,光的本性历史回顾,紫 靛,波长,频率,大,小,低,高,一.光电效应现象,1.演示实验,(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,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。,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?,二.光电效应的实验
2、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,实验表明:同种颜色的入射光,光越强,饱和电流越大。,说明光越强,逸出的光电子越多,使光电流减小到零的反向电压,+,一 一 一 一 一 一,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,则所有光电子都无法到达A极板,光电流I=0,式中UC为遏止电压,一.光电效
3、应的实验规律,(2)存在遏止电压,U,K,A,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。,一.光电效应的实验规律,光电效应伏安特性曲线,遏止电压,光电子最大初动能,入射光的频率越高,光电子的最大初动能越大。与入射光的强弱无关。,经研究后发现:,二.光电效应的实验规律,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。,(3)存在截止频率,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
4、。,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W0。,截止频率,逸出功,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,二.光电效应的实验规律,(4)具有瞬时性,勒纳德等人通过实验得出以下结论:,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;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;光电子的最大初动
5、能与入射光的强度无关,只随着入射光的频率增大而增大;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.光电效应的实验规律,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。,光越强,逸出的电子数越多,光电流也就越大。,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
6、电压是一样的.,三.光电效应解释中的疑难,经典理论认为光的强度反映光的能量,光越强光的能量越大,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:,四.爱因斯坦的光量子假设,2.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:,四.爱因斯坦的光量子假设,2.爱因斯坦光电效应方程,EkhW0,截止频率,逸出功,3.光子说对光电效应的解释,爱
7、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。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,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。,四.爱因斯坦的光量子假设,E光强=nh n:单位时间打到单位面积上的光子数,一个电子只能吸收一个光子,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。,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。
8、,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。,四.爱因斯坦的光量子假设,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,。,可以用于自动控制,自动计数、自动报警、自动跟踪等。,五.光电效应在近代技术中的应用,1.光控继电器,可对微弱光线进行放大,可使光电流放大105108 倍,灵敏度高,用在工程、天文、科研、军事等方面。,
9、2.光电倍增管,光电管,光,电源,电流计,I,A,K,康普顿效应,第2课时,17.1科学的转折:光的粒子性,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:,晶体,光阑,探测器,0,散射波长,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
10、会改变的!,一.康普顿效应,1.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难,二.康普顿效应解释中的疑难,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。,无法解释波长改变和散射角关系。,2.光子理论对康普顿效应的解释,二.康普顿效应解释中的疑难,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。,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。,因为碰撞中交换的能量和碰撞
11、的角度有关,所以波长改变和散射角有关。,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。,三.康普顿散射实验的意义,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
12、质,,4.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。,三.康普顿散射实验的意义,四.光子的动量,动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的,光的粒子性,一、光电效应的基本规律,小结,1.光电效应现象,2.光电效应实验规律,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;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;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;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.,(3)光子说对光电效应的解释,(2)爱因斯坦的光电效应方程,三、爱因斯坦的光电效应方程,(1)光子:,二、光电效应解释中的疑难,