《光的粒子性》課件(新人教版選修-)

17.2科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性問題：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過程？光的本性1672牛頓微粒說T/年惠更斯波動(dòng)說1690麥克斯韋電磁說18641905愛因斯坦光子說波動(dòng)性粒子性1801托馬斯·楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn)1814菲涅耳衍射實(shí)驗(yàn)赫茲電磁波實(shí)驗(yàn)1888赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)牛頓微粒說占主導(dǎo)地位波動(dòng)說漸成真理……….當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。光電子定向移動(dòng)形成的電流叫光電流一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)裝置觀察實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：●存在著飽和電流△實(shí)驗(yàn)表明：入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多；△入射光越強(qiáng)，飽和光電流越大。把電源正負(fù)極反接△同一頻率光照射，不管光強(qiáng)如何，遏止電壓都相同?！鞴庹疹l率越高，遏止電壓越高?！翊嬖谥糁闺妷汉徒刂诡l率△光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)。入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不能發(fā)生光電效應(yīng)?！窆怆娦?yīng)具有瞬時(shí)性△當(dāng)頻率超過截止頻率時(shí)，無論入射光怎樣微弱，幾乎在照到金屬時(shí)立即產(chǎn)生光電流?！骶_測(cè)量表明產(chǎn)生電流的時(shí)間不超過10－9秒，即光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的。二.光電效應(yīng)解釋中的疑難

按照光的電磁理論，應(yīng)得出以下結(jié)論：①光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以遏止電壓UC應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)；②不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率；③如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能獲得逸出表面所需的能量，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10-9S。

以上三個(gè)結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾的，所以無法用經(jīng)典的波動(dòng)理論來解釋光電效應(yīng)。1.光子說(愛因斯坦于1905年提出)

在空間傳播的光不是連續(xù)的而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子，光子的能量跟它的頻率成正比。即:E＝hν

，ν表示光的頻率，h叫普朗克常量，h＝6.63×10-34焦耳．秒三.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程2.光電效應(yīng)方程①逸出功：金屬表面上的電子逸出時(shí)要克服金屬原子核的引力所做功的最小值。不同金屬,其逸出功不同。有：W0=hν0②光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0三.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程3.愛因斯坦光電效應(yīng)方程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的解釋Ek＝hν－W0ν0EKν－W00●解釋截止頻率●解釋飽和光電流●解釋瞬時(shí)性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(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證

美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。三.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程愛因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)例題：由密立根實(shí)驗(yàn)(Uc和v的關(guān)系)計(jì)算普朗克常量很難測(cè)Ek

，怎樣改成Uc與v、W0關(guān)系？提示：Ek=eUc

由圖象求參數(shù)的方法：電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻（直接求參數(shù)）用單擺測(cè)重力加速度（用圖象求平均值）

利用光電效應(yīng)中光電流與入射光強(qiáng)成正比的特性,可以制造光電轉(zhuǎn)換器——實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。這些光電轉(zhuǎn)換器如光電管(photoelement)等，廣泛應(yīng)用于光功率測(cè)量、光信號(hào)記錄、電影、電視和自動(dòng)控制等諸多方面。光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光電倍增管(photomultiplier)是把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)的常用器件。當(dāng)光照射到陰極

k使它發(fā)射光電子，這光電子在電壓作用下加速轟擊第一陰極k1，使之又發(fā)射次級(jí)光電子，這些次級(jí)光電子再被加速轟擊第二陰極k2,......如此繼續(xù)下去，利用10～15個(gè)次陰極，可將光電流放大幾百萬倍。即一束微弱的入射光，將轉(zhuǎn)變成放大了的光電流，可以通過電流計(jì)顯示出來。1.光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射2.康普頓效應(yīng)

1923年康普頓在做X射線通過物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng)

和散射物質(zhì)都無關(guān)。四.康普頓效應(yīng)3.康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：晶體光闌X射線管探測(cè)器X射線譜儀石墨體(散射物質(zhì))j0散射波長(zhǎng)康普頓正在測(cè)晶體對(duì)X射線的散射

按經(jīng)典電磁理論：

如果入射X光是某種波長(zhǎng)的電磁波，散射光的波長(zhǎng)是不會(huì)改變的！康普頓散射曲線的特點(diǎn)：a.除原波長(zhǎng)0外出現(xiàn)了移向長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng)。b.新波長(zhǎng)隨散射角的增大而增大。

散射中出現(xiàn)≠0的現(xiàn)象，稱為康普頓散射。波長(zhǎng)的偏移為=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj................................................................................o（A）0.7000.750λ波長(zhǎng).......0稱為電子的Compton波長(zhǎng)只有當(dāng)入射波長(zhǎng)0與c可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。波長(zhǎng)的偏移只與散射角有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類及入射的X射線的波長(zhǎng)0無關(guān)，c=0.0241?=2.4110-3nm（實(shí)驗(yàn)值）A.經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)遇到的困難4.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難①根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。②無法解釋波長(zhǎng)改變和散射角關(guān)系。B.光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋①若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。

②若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。

③因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。a.有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)；b.首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量”的假設(shè)；c.證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的?？灯疹D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“混進(jìn)來了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒?？灯疹D于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。5.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1892-1962)美國(guó)物理學(xué)家19271925—1926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(0=5.62nm)為入射線,以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，d.吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。在同一散射角()測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量X射線散射實(shí)驗(yàn)。（1897-1977）吳有訓(xùn)五.光子的動(dòng)量動(dòng)量能量是描述粒子的,頻率和波長(zhǎng)則是用來描述波的1.在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連，用弧光燈照射鋅板時(shí)，驗(yàn)電器的指針就張開一個(gè)角度，如圖所示，這時(shí)()A.鋅板帶正電，指針帶負(fù)電B.鋅板帶正電，指針帶正電C.鋅板帶負(fù)電，指針帶正電D.鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電B練習(xí)2.一束黃光照射某金屬表面時(shí)，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則下列措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是()A.延長(zhǎng)光照時(shí)間B.增大光束的強(qiáng)度C.換用紅光照射D.換用紫光照射D練習(xí)3.關(guān)于光子說的基本內(nèi)容有以下幾點(diǎn)，不正確的是()A.在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫一個(gè)光子B.光是具有質(zhì)量、能量和體積的物質(zhì)微粒子C.光子的能量跟它的頻率成正比D.光子客觀并不存在，而是人為假設(shè)的練習(xí)B4.能引起人的視覺感應(yīng)的最小能量為10-18J，已知可見光的平均波長(zhǎng)約為0.6m，則進(jìn)入人眼的光子數(shù)至少為

個(gè)，恰能引起人眼的感覺.練習(xí)35.關(guān)于光電效應(yīng)下述說法中正確的是()A.光電子的最大初動(dòng)能隨著入射光的強(qiáng)度增大而增大B.只要入射光的強(qiáng)度足夠強(qiáng)，照射時(shí)間足夠長(zhǎng)，就一定能產(chǎn)生光電效應(yīng)C.在光電效應(yīng)中，飽和光電流的大小與入射光的頻率無關(guān)D.任何一種金屬都有一個(gè)極限頻率，低于這個(gè)頻率的光不能發(fā)生光電效應(yīng)練習(xí)D反饋練習(xí)：1、在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連，用弧光燈照射鋅板時(shí)，驗(yàn)電器指針張開一個(gè)角度，如圖所示，這時(shí)()A．鋅板帶正電，指針帶負(fù)電B．鋅板帶正電，指針帶正電C．鋅板帶負(fù)電，指針帶正電 D．鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電B2、若用綠光照射某種金屬板不能發(fā)生光電效應(yīng)，則下列哪一種方法可能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)（）A.增大入射光的強(qiáng)度B.增加光的照射時(shí)間C.改用黃光照射D.改用紫光照射D3、三種不同的入射光線甲、乙、丙分別照射在三種不同的金屬a、b、c上，均恰能使金屬中逸出光電子。已知三種光線的波長(zhǎng)λ甲>λ乙>λ丙，則（）A、用三種入射光照射金屬a，均可發(fā)生光電效應(yīng)B、用三種入射光照射金屬c

，均可發(fā)生光電效應(yīng)C、用入射光甲和乙同時(shí)照射金屬c，可能發(fā)生光電效應(yīng)D、用入射光甲照射金屬b，可能發(fā)生光電效應(yīng)A4、用綠光照射一光電管能產(chǎn)生光電效應(yīng)，欲使光電子從陰極逸出時(shí)的最大初動(dòng)能增大應(yīng)（