第二節(jié)科學(xué)的轉(zhuǎn)折光的粒子性

1、第二節(jié)第二節(jié) 科學(xué)的轉(zhuǎn)折科學(xué)的轉(zhuǎn)折 光的粒子性光的粒子性 問題問題1：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對光的本性的認(rèn)識的發(fā)展人類對光的本性的認(rèn)識的發(fā)展過程？過程？用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗電器相連），使驗電 器張角增大到約為 30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗電器的指針張角會變大。一、光電效應(yīng)現(xiàn)象一、光電效應(yīng)現(xiàn)象表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電定義：定義：在光(包括不可見光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。發(fā)射出來的電子叫做光電子1.1.什么是光電效應(yīng)什么是光電效應(yīng) 當(dāng)光線照射在金屬表面時，金屬當(dāng)光線照射在金屬表面時，金屬中

2、有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子逸出的電子稱為光電子。AKGV陽陽極極陰陰極極W石英窗石英窗 光線經(jīng)石英窗照在陰極上，光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出便有電子逸出-光電子光電子。光電子在電場作用下形成光電流。光電子在電場作用下形成光電流。2.2.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律光電效應(yīng)的實驗規(guī)律1. 1. 光電效應(yīng)光電效應(yīng)實驗實驗AKGV陽陽極極陰陰極極 將換向開關(guān)反接，電場反向，將換向開關(guān)反接，電場反向，則光電子離開陰極后將受反向電則光電子離開陰極后將受反向電場阻礙作用。場阻礙作用。 當(dāng)當(dāng) K K、A A 間加反向電壓，光間加反向電壓，光電子克服電

3、場力作功，當(dāng)電壓達(dá)電子克服電場力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值到某一值 U Uc c 時，光電流恰為時，光電流恰為0 0。 U Uc c稱稱遏止電壓遏止電壓。221cevmceU遏止遏止電壓電壓IUcOU光光 強強 較較 弱弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實驗裝置光電效應(yīng)實驗裝置遏遏止止電電壓壓 一、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律一、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律AKGV陽陽極極陰陰極極IIsUaOU光光 強強 較較 強強光光 強強 較較 弱弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實驗裝置光電效應(yīng)實驗裝置遏遏止止電電壓壓飽飽和和電電流流 一、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律一、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律AKGV陽陽極極

4、陰陰極極AGVK陽陽極極陰陰極極W石英石英窗窗2. 2. 光電效應(yīng)實驗規(guī)律光電效應(yīng)實驗規(guī)律. .光電流與光強的關(guān)系光電流與光強的關(guān)系飽和光電流強度與入射光強度成正比。飽和光電流強度與入射光強度成正比。. .截止頻率截止頻率c -極限頻率極限頻率對于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確對于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率定的截止頻率c 。 當(dāng)入射光頻率當(dāng)入射光頻率 c 時，電子才能逸時，電子才能逸出金屬表面（即發(fā)生光電效應(yīng)出金屬表面（即發(fā)生光電效應(yīng)) )；當(dāng)入射光頻率當(dāng)入射光頻率 c時，無論光強多大也無電子逸出金時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面屬表面( (即不發(fā)生光電效應(yīng)）。即不發(fā)生光電效應(yīng)

5、）。光電效應(yīng)是瞬時的。光電效應(yīng)是瞬時的。從光開始照射到光電逸出所需從光開始照射到光電逸出所需時間時間 10-9s。發(fā)射光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)，而與入射發(fā)射光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光的強弱無關(guān)。光的強弱無關(guān)。經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的實驗結(jié)果經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的實驗結(jié)果。 經(jīng)典認(rèn)為，經(jīng)典認(rèn)為，按照經(jīng)典電磁理論，入按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強越大，光波的電場強度的射光的光強越大，光波的電場強度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，力也就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)光電子逸出的能量也應(yīng)該越大。也就是說，光電子的能量應(yīng)該越大。也

6、就是說，光電子的能量應(yīng)該隨著光強度的增加而增大，不應(yīng)該該隨著光強度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率么截止頻率。 光電效應(yīng)實驗表明：飽和電流不僅與光光電效應(yīng)實驗表明：飽和電流不僅與光強有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動能也強有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強很弱也有光電流；頻率低于極限頻使光強很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時，無論光強再大也沒有光電流。率時，無論光強再大也沒有光電流。 光電效應(yīng)具有瞬時性。而光電效應(yīng)具有瞬時性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量經(jīng)典認(rèn)為光能量分布

7、在波面上，吸收能量要時間，即需能量的分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。積累過程。 為了解釋光電效應(yīng)，為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦在能量愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光，提出了光量子假設(shè)。量子假設(shè)。3.3.愛因斯坦的光量子假設(shè)愛因斯坦的光量子假設(shè)1.1.內(nèi)容內(nèi)容 光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為h的微粒形式出的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，頻率為頻率為 的的光是由大量能量為光是由大量能量為 =h 光子組成的粒子流，這光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向

8、以光速些光子沿光的傳播方向以光速 c 運動。運動。0WEhk 在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功部分消耗在電子逸出功W0，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩?，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭幽芎蟮膭幽?Ek 。由能量守恒可得出：。由能量守恒可得出：2.2.愛因斯坦光電效應(yīng)方程愛因斯坦光電效應(yīng)方程 為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功；為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功； kE0W為光電子的最大初動能。為光電子的最大初動能。0WhvEk即 3. 3. 從方程可以看出光電子初動能和照射從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性

9、關(guān)系光的頻率成線性關(guān)系 4.4.從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動能為零時，從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動能為零時，可得極極限頻率：可得極極限頻率： 愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋：愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋： 1. 1. 光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。多，所以光電流也大。 2. 2. 電子只要吸收一個光子就可以從金屬電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時間的累積。表面逸出，所以不需時間的累積。 由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實驗規(guī)律效應(yīng)的實驗規(guī)律, ,榮獲榮獲19211921年諾貝爾物理學(xué)

10、獎年諾貝爾物理學(xué)獎。 愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因為它完全違背了光的并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因為它完全違背了光的波動理論。波動理論。4.4.光電效應(yīng)理論的驗證光電效應(yīng)理論的驗證 美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了“光電效光電效應(yīng)應(yīng)”實驗，結(jié)果在實驗，結(jié)果在1915年證實了愛因斯坦方程，年證實了愛因斯坦方程，h 的的值與理論值完全一致，又一次證明了值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子光量子”理論理論的正確。的正確。愛因斯坦由于愛因斯坦由于對對光電效光電效應(yīng)應(yīng)的理論解釋和

11、對的理論解釋和對理論理論物理學(xué)物理學(xué)的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn)獲得獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎年諾貝爾物理學(xué)獎密立根由于密立根由于研究基本電荷和研究基本電荷和光電效應(yīng)光電效應(yīng)，特別是通過著名，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最的油滴實驗，證明電荷有最小單位。小單位。獲得獲得19231923年諾貝年諾貝爾物理學(xué)獎爾物理學(xué)獎。放大器放大器控制機構(gòu)控制機構(gòu) 可以用于自動控可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。報警、自動跟蹤等。4.4.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用1.1.光控繼電器光控繼電器K1K2K3K4K5KA可對微弱光線進(jìn)行放可對微弱光線進(jìn)行放大，可使

12、光電流放大大，可使光電流放大105 108 倍，靈敏度倍，靈敏度高，用在工程、天文、高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。科研、軍事等方面。2.2.光電倍增管光電倍增管應(yīng) 用 光電管光電源電流計IAK 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)第第2課時課時1.光的散射光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳因而傳播方向發(fā)生改變播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做光的散射光的散射2.2.康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 19231923年康普頓在做年康普頓在做 X 射線通過物射線通過物質(zhì)散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有質(zhì)散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比與入射線波長

13、相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長有關(guān)，而與入射線波長 和散射物質(zhì)都無關(guān)和散射物質(zhì)都無關(guān)。一一. .康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：晶體晶體 光闌光闌X 射線管射線管探探測測器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質(zhì)散射物質(zhì))j 0散射波長散射波長 康普頓正在測晶體康普頓正在測晶體對對X 射線的散射射線的散射 按經(jīng)典電磁理論：按經(jīng)典電磁理論： 如果入射如果入射X光是某光是某 種波長的電磁波，種波長的電磁波， 散射光的波長是散射光的波長是 不會改變的！不會改變的！康普頓散射

14、曲線的特點：康普頓散射曲線的特點： 1.除原波長除原波長 0外出現(xiàn)了移向外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長長波方向的新的散射波長 。 2.新波長新波長 隨散射角的增大隨散射角的增大而增大。而增大。 散射中出現(xiàn)散射中出現(xiàn) 0 的現(xiàn)象，稱的現(xiàn)象，稱為為康普頓散射。康普頓散射。波長的偏移為波長的偏移為0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波長波長. . 0 遇到的困難遇到的困難經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時2. 2. 無法解釋波長改變和散射角的關(guān)系。無法解釋波長改變和散射角的關(guān)系。射光頻率應(yīng)等于入射

15、光頻率。射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散過物質(zhì)時，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動，過物質(zhì)時，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動，1. 1. 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋 康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的子能量幾乎不變，波長不變。子能量幾乎不變，波長不變。小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光碰撞前后光光子將與整個原子交換能量光子將與整個原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)2. 若光子

16、和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，是散射光的波長大于入射光的波長。是散射光的波長大于入射光的波長。 部分能量傳給電子部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于散射光子的能量減少，于1. 若光子和外層電子相碰撞，光子有一若光子和外層電子相碰撞，光子有一結(jié)果，具體解釋如下：結(jié)果，具體解釋如下： 3. 因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋三三. .康普頓散射實驗的意義康普頓散射實驗的意義（1 1）有力地支持了愛因斯坦）有力地支持了愛

17、因斯坦“光量子光量子”假設(shè)；假設(shè)； （2 2）首次在實驗上證實了）首次在實驗上證實了“光子具有動量光子具有動量” 的假設(shè)；的假設(shè)；（3 3）證實了）證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，在微觀世界的單個碰撞事件中， 動量和能量守恒定律仍然是成立的。動量和能量守恒定律仍然是成立的。康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來了某種熒光輻射混進(jìn)來了某種熒光輻射”；在計算中起先只；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認(rèn)識到還要用動量守恒?？紤]能量守恒，后來才認(rèn)識到還要用動量守恒。

18、康普頓于康普頓于19271927年獲諾貝爾物理獎。年獲諾貝爾物理獎?？悼灯掌疹D頓效效應(yīng)應(yīng)康康普普頓頓效效應(yīng)應(yīng)康普頓康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎年獲諾貝爾物理學(xué)獎(1892-1962)美國物理學(xué)家美國物理學(xué)家192719251926年，吳有訓(xùn)用銀的年，吳有訓(xùn)用銀的X射線射線( 0 =5.62nm) 為入射線為入射線, 以以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，四、吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)四、吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對證實康普頓效應(yīng)作出了對證實康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。重要貢獻(xiàn)。在同一散射角在同一散射角( )測量測量各種波長的散射光強度，作各種波長的散射光強度，作了大量了大量 X 射線散射實驗。射線散射實驗。0120 j j（1897-19771897-1977） 吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)光子的能量和動量光子的能量和動量2mcE hchcchmcP2hE 2chmhE hP動量能量是描述粒子的動