光的粒子性和粒子的波动性.ppt

光的粒子性光的粒子性光电效应光电效应117世纪明确形成了两大对立学说牛顿牛顿惠更斯惠更斯微粒说波动说19世纪初证明了波动说的正确性由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得微粒说一直占上风19世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在20世纪初提出了光子说：光具有粒子性对光学的研究从很早就开始了 2表明锌板在射线照射下失去电子而带正电表明锌板在射线照射下失去电子而带正电一、光电效应现象一、光电效应现象3一、光电效应现象一、光电效应现象4一、光电效应现象一、光电效应现象 当光线当光线(包括不可见光包括不可见光)照射在金属表面时，照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为金属中有电子逸出的现象，称为光电效应光电效应。逸出的电子称为逸出的电子称为光电子光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电子定向移动形成的电流叫光电流光电流 5二二.光电效应的实验规律光电效应的实验规律电流表：电流表：测光电流测光电流的大小的大小电压表：电压表：测两级之测两级之间的电压大小间的电压大小滑动变阻器：滑动变阻器：改变改变两级之间的电压大两级之间的电压大小小6二二.光电效应的实验规律光电效应的实验规律实验表明：实验表明：保持光频率、保持光频率、光强不变，增大光强不变，增大U UAKAK，G G表中电流达到某一值后表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和不再增大，即达到饱和值。值。保持光频率不变，增大保持光频率不变，增大光强，饱和电流增大光强，饱和电流增大IOU UAKAKIs黄光（强）黄光（强）黄光（弱）黄光（弱）7二二.光电效应的实验规律光电效应的实验规律实验结论实验结论1 1：1.1.存在饱和电流，入存在饱和电流，入射光越强，饱和电流射光越强，饱和电流越大，单位时间内发越大，单位时间内发射的光电子数越多。射的光电子数越多。8二二.光电效应的实验规律光电效应的实验规律I0U UAKAKIs黄光（强）黄光（强）黄光（弱）黄光（弱）U UAKAK=0=0时，时，Is =0吗？说明了什么？吗？说明了什么？9二二.光电效应的实验规律光电效应的实验规律使光电流减小到零的反向使光电流减小到零的反向最小电压叫最小电压叫遏止电压遏止电压遏止电压的大小表明逸遏止电压的大小表明逸出电子的初动能大小出电子的初动能大小10二二.光电效应的实验规律光电效应的实验规律实验表明：实验表明：对于一定颜色（频率）对于一定颜色（频率）的光，无论光的强弱如的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样何，遏止电压都是一样的。且光的频率的。且光的频率v改变改变时，遏止电压也会改变。时，遏止电压也会改变。II黄光（黄光（强）强）黄光（黄光（弱）弱）遏遏止止电电压压蓝光蓝光U U2 2U U1 111二二.光电效应的实验规律光电效应的实验规律实验结论实验结论2：存在遏制电压存在遏制电压，且跟，且跟光的频率有关光的频率有关，与光，与光强无关强无关，进而说明逸，进而说明逸出光电子的最大初动出光电子的最大初动能与光频率有关，与能与光频率有关，与光强无关光强无关II黄光（黄光（强）强）黄光（黄光（弱）弱）遏遏止止电电压压蓝光蓝光U12二二.光电效应的实验规律光电效应的实验规律实验表明：实验表明：当入射光的频率减小到某一数值当入射光的频率减小到某一数值c时，没有时，没有光电子发出。光电子发出。实验结论实验结论3：存在截止频率，当入射光的存在截止频率，当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。频率低于截止频率时不能发生光电效应。13二二.光电效应的实验规律光电效应的实验规律实验表明：实验表明：产生光电流的时间不超过产生光电流的时间不超过109s。即光电效应发生几乎是瞬时的即光电效应发生几乎是瞬时的实验结论实验结论4：光电效应具有瞬时性光电效应具有瞬时性14三.光电效应解释中的疑难 看课本思考两个问题：看课本思考两个问题：1.什么是逸出功？什么是逸出功？2.经典电磁理论在哪些方便与实验结论矛盾经典电磁理论在哪些方便与实验结论矛盾？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逸出功。15 以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所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。以无法用经典的波动理论来解释光电效应。三.光电效应解释中的疑难 实验结论实验结论经典电磁理论经典电磁理论入射光的越强，饱和电流入射光的越强，饱和电流越大越大强度越大，逸出的光电强度越大，逸出的光电子数越多，光电流越大子数越多，光电流越大遏止电压遏止电压只与频率有关，只与频率有关，而与强度无关。而与强度无关。遏止电压遏止电压应与入射光的应与入射光的强度有关。强度有关。如果光较弱，只要积累足如果光较弱，只要积累足够长时间，电子获得足够够长时间，电子获得足够能量就会形成光电子能量就会形成光电子存在截止频率存在截止频率c 当入射光当入射光频率低于截止频率，不能频率低于截止频率，不能发生光电效应发生光电效应光电效应具有瞬时性光电效应具有瞬时性能量的可以随时间积累能量的可以随时间积累对比对比吻合吻合不不符符不不符符不不符符16四.爱因斯坦的光电效应方程 光量子假设：光子说光量子假设：光子说光本身就是由一个个光本身就是由一个个不可分割的能量子组不可分割的能量子组成的，频率为成的，频率为的光的光的能量子为的能量子为hh。这些。这些能量子后来被称为能量子后来被称为光光子子。173.3.爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程或或光电子最大初动能光电子最大初动能 金属的逸出功金属的逸出功 W0一个电子吸收一个光子的能量一个电子吸收一个光子的能量h后，一部分能后，一部分能量用来克服金属的逸出功量用来克服金属的逸出功WW0 0，剩下的表现为逸，剩下的表现为逸出后电子的初动能出后电子的初动能Ek，即：，即：三三.爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设18四.爱因斯坦的光电效应方程（3 3）对光电效应的实验现象解释：对光电效应的实验现象解释：光强较大时，包含的光子数较多，照射金光强较大时，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。属时产生的光电子多，因而饱和电流大。1 1 1 1、对于任何一种金属，都有一个极限频率，、对于任何一种金属，都有一个极限频率，、对于任何一种金属，都有一个极限频率，、对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光入射光入射光入射光的频率必须大于极限频率的频率必须大于极限频率的频率必须大于极限频率的频率必须大于极限频率，才能发生光电效应，低于，才能发生光电效应，低于，才能发生光电效应，低于，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；这个频率就不能发生光电效应；这个频率就不能发生光电效应；这个频率就不能发生光电效应；2 2 2 2、光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随、光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随、光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随、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；着入射光的频率增大而增大；着入射光的频率增大而增大；着入射光的频率增大而增大；3 3 3 3、入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时、入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时、入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时、入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过的，一般不超过的，一般不超过的，一般不超过10101010-9-9-9-9秒秒秒秒.19爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷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。201 1、光电效应的实验结论是：对于某种金属光电效应的实验结论是：对于某种金属()A A无论光强多强，只要光的频率小于极限频率就不无论光强多强，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应能产生光电效应B B无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产生光电效应生光电效应C C超过极限频率的入射光强度越弱，所产生的光电超过极限频率的入射光强度越弱，所产生的光电子的最大初动能就越小子的最大初动能就越小D D超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大子的最大初动能就越大ADAD212 2、在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同在光电效应实验中，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、丙光甲光、乙光、丙光)，如图所示则可判断出，如图所示则可判断出()A A甲光的频率大于乙光的频率甲光的频率大于乙光的频率B B乙光的波长大于丙光的波长乙光的波长大于丙光的波长C C乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率D D甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的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光电子最大初动能B B221.光的散射光的散射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,因因而传播方向发生改变而传播方向发生改变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射 19231923年康普顿在做年康普顿在做 X X 射线射线通过物质散射的实验时，发现通过物质散射的实验时，发现散射散射的的X X射线射线中除有与入射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线射线波长更长的射线。四四.康普顿效应康普顿效应2.2.康普顿效应康普顿效应康普顿康普顿(1892-1962)(1892-1962)美国物理学家美国物理学家2319251926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，吴有训对研究康普顿效应的贡献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）中国物理学研究的“开山祖师”吴有训吴有训 241.1.经典电磁理论在解释康普顿效应时经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难遇到的困难根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，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，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于其频率等于入射光频率入射光频率，所以它所发射的，所以它所发射的散射光频率散射光频率应应等于等于入射光频率入射光频率。l康普顿效应解释中的疑难康普顿效应解释中的疑难2.2.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若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，给电子，散射光子散射光子的能量减少，于是的能量减少，于是散射光散射光的波的波长大于长大于入射光入射光的波长。的波长。hv电电子子hv碰撞前碰撞前碰撞后碰撞后25六、光子的能量与动量六、光子的能量与动量26u频率和波长则是用来描述频率和波长则是用来描述波动性波动性的物理量的物理量动量：动量：能量：能量：u能量和动量是描述能量和动量是描述粒子性粒子性的物理量的物理量普朗克常量普朗克常量h架起了粒子性和波动性之间的桥梁架起了粒子性和波动性之间的桥梁19241924年，德布罗意最早想到了这个问题，并年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大胆地设想，对于光子的波粒二象性会不会也且大胆地设想，对于光子的波粒二象性会不会也适用于实物粒子。适用于实物粒子。17.3 17.3 粒子的波动性粒子的波动性一一.光的波粒二象性光的波粒二象性27德布罗意大胆地设想，波粒二象性不是光所德布罗意大胆地设想，波粒二象性不是光所特有的，特有的，一切实物粒子也具有波粒二象性。一切实物粒子也具有波粒二象性。德布罗意波：德布罗意波：每一个每一个运动运动的粒子的粒子都与一个对应的波都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系，这种与实物粒子相对应的波称为相对应的波称为德布罗意德布罗意波波或或物质波。物质波。二二.实物粒子的波动性实物粒子的波动性德布罗意公式：德布罗意公式：德布罗意 法国物理学家28 1927年年 G.P.汤姆逊（汤姆逊（J.J.汤汤姆姆孙孙之子）之子）也独立完成了电也独立完成了电子衍射实验。与子衍射实验。与 C.J.戴维森共戴维森共获获 1937 年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。屏屏 P P多晶多晶薄膜薄膜高压高压栅极栅极阴极阴极2.2.电子衍射实验电子衍射实验2 2电子束在穿过细晶体粉末电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象或薄金属片后，也象X射线射线一样产生衍射现象。一样产生衍射现象。此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都具有波动性。具有波动性。29三、宏观实物粒子的波动性三、宏观实物粒子的波动性计算结果表明，子弹的波长小到实验难以测量的计算结果表明，子弹的波长小到实验难以测量的程度。所以，宏观物体只表现出粒子性。程度。所以，宏观物体只表现出粒子性。例题：例题：速度速度=5.0=5.0 10102 2m/sm/s飞行的飞行的子弹子弹，质，质量为量为m m=10=10-2-2KgKg，对应的德布罗意波长为：对应的德布罗意波长为：如：如：电子电子m m=9.1=9.1 1010-31-31KgKg，速度，速度=5.05.0 10107 7m/sm/s，对应的德布罗意波长为：对应的德布罗意波长为：太小测不到！太小测不到！X射线射线波段波段30