光的粒子性课件新人教选修.pptx

问题：问题：回顾前面的学习，总结人类回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程？对光的本性的认识的发展过程？光的本性光的本性1672牛顿牛顿牛顿牛顿微粒说微粒说微粒说微粒说T/年年惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯波动说波动说波动说波动说1690麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦电磁说电磁说电磁说电磁说18641905爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说光子说光子说波波波波动动动动性性性性粒粒粒粒子子子子性性性性1801托马斯托马斯杨杨双缝干涉双缝干涉实验实验1814菲涅耳菲涅耳衍射实验衍射实验赫兹赫兹电磁波实验电磁波实验1888赫兹赫兹发现光电效应发现光电效应牛顿微粒说牛顿微粒说占主导地位占主导地位波动说波动说渐成真理渐成真理.当光线照射在金属表面时，金属中有当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为电子逸出的现象，称为光电效应光电效应。逸逸出的电子称为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 一一.光电效应的实验规律光电效应的实验规律实验装置实验装置观察实验发现以下规律：实验发现以下规律：存在着饱和电流存在着饱和电流实实验验表表明明：入入射射光光越越强强，单单位位时间内发射的光电子数越多；时间内发射的光电子数越多；入射光越强，饱和光电流越大。入射光越强，饱和光电流越大。把电源正负极反接把电源正负极反接同一频率光照射，不管光强如何，遏止电压都相同。同一频率光照射，不管光强如何，遏止电压都相同。光照频率越高，遏止电压越高。光照频率越高，遏止电压越高。存在着遏止电压和截止频率存在着遏止电压和截止频率光电子的能量只与入射光的频率有关。入射光的频率光电子的能量只与入射光的频率有关。入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。低于截止频率时不能发生光电效应。光电效应具有瞬时性光电效应具有瞬时性当当频频率率超超过过截截止止频频率率时时，无无论论入入射射光光怎怎样样微微弱弱，几几乎乎在照到金属时立即产生光电流。在照到金属时立即产生光电流。精确测量表明产生电流的时间不超过精确测量表明产生电流的时间不超过10109 9 秒秒，即，即光电效应几乎是瞬时的。光电效应几乎是瞬时的。二二.光电效应解释中的疑难光电效应解释中的疑难 按照光的电磁理论，应得出以下结论：按照光的电磁理论，应得出以下结论：光光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关应与光的强弱有关；不管光的频率如何，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，不应存在截止频率表面，不应存在截止频率；如果光很弱，按经如果光很弱，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，这个时间远远间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于大于10-9 S。以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无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。法用经典的波动理论来解释光电效应。1.1.光子说光子说(爱因斯坦于爱因斯坦于19051905年提出年提出)在空间传播的光不是连续的而是一在空间传播的光不是连续的而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量跟它的频率成正比。子的能量跟它的频率成正比。即即:E:Eh h ，表示光的频率，表示光的频率，h h 叫普朗克叫普朗克常量，常量，h h6.63106.6310-34-34焦耳秒焦耳秒三三.爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程2.2.光电效应方程光电效应方程逸出功：逸出功：金属表面上的电子逸出金属表面上的电子逸出时要克服金属原子核的引力所做功时要克服金属原子核的引力所做功的最小值。不同金属的最小值。不同金属,其逸出功不其逸出功不同。同。有：有：W0=h0光电效应方程：光电效应方程：EkhW0三三.爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程3.3.爱因斯坦光电效应方程对实验结论的解释爱因斯坦光电效应方程对实验结论的解释EkhW00EKW00解释截止频率解释截止频率解释饱和光电流解释饱和光电流解释瞬时性解释瞬时性 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效 应的实验规律应的实验规律,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。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。动理论。4.4.光电效应理论的验证光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效光电效应应”实验，结果在实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的的值与理论值完全一致，又一次证明了值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子”理论理论的正确。的正确。三三.爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程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例题：由密立根实验例题：由密立根实验(Uc和和v的关系的关系)计算普朗克常量计算普朗克常量很难测很难测Ek，怎样改，怎样改成成Uc与与v、W0关系？关系？提示：提示：Ek=eUc 由图象求参数的方法：由图象求参数的方法：电源电动势和内阻电源电动势和内阻（直接求参数）（直接求参数）用单摆测重力加速度用单摆测重力加速度（用图象求平均值）（用图象求平均值）利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性,可以制造光电转换器可以制造光电转换器实现光信号与电信号之间的实现光信号与电信号之间的相互转换。这些相互转换。这些光电转换器光电转换器如光电管如光电管(photoelement)(photoelement)等，广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电等，广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。视和自动控制等诸多方面。光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用光电倍增管光电倍增管(photomultiplier)(photomultiplier)是把光信号变为电信是把光信号变为电信号的常用器件。号的常用器件。当光照射到阴极当光照射到阴极 k k 使它发射光电子，这光电子在电压作用使它发射光电子，这光电子在电压作用下加速轰击第一阴极下加速轰击第一阴极k k1 1，使之又发射次级光电子，这些次级光，使之又发射次级光电子，这些次级光电子再被加速轰击第二阴极电子再被加速轰击第二阴极k k2,.2,.如此继续下去，利用如此继续下去，利用10101515个次阴极，可将光电流放大几百万倍。即一束微弱的入射个次阴极，可将光电流放大几百万倍。即一束微弱的入射光，将转变成放大了的光电流，可以通过电流计显示出来。光，将转变成放大了的光电流，可以通过电流计显示出来。1.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,因而传播方因而传播方向发生改变向发生改变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射2.2.康普顿效应康普顿效应 1923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实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长的改变量与散射角有关，而与入射线波长有关，而与入射线波长 和和散射物质都无关散射物质都无关。四四.康普顿效应康普顿效应3.3.康普顿散射的实验装置与规律：康普顿散射的实验装置与规律：晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 康普顿正在测晶体康普顿正在测晶体对对X 射线的散射射线的散射 按经典电磁理论：按经典电磁理论：如果入射如果入射X光是某光是某 种波长的电磁波，种波长的电磁波，散射光的波长是散射光的波长是 不会改变的！不会改变的！康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点：a.除原波长除原波长 0外出现了移向外出现了移向长波方向的新的散射波长长波方向的新的散射波长 。b.新波长新波长 随散射角的增大随散射角的增大而增大。而增大。散射中出现散射中出现 0 的现象，的现象，称为称为康普顿散射。康普顿散射。波长的偏移为波长的偏移为=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj.o（A）0.7000.750波长波长.0 称为电子的称为电子的Compton波长波长只只有有当当入入射射波波长长 0与与 c可可比比拟拟时时，康康普普顿顿效效应应才才显显著著，因因此此要要用用X射射线线才才能能观观察察到到康康普普顿顿散散射射，用用可可见光观察不到康普顿散射。见光观察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角波长的偏移只与散射角 有关，有关，而与散射物质而与散射物质种类及入射的种类及入射的X X射线的波长射线的波长 0 0 无关，无关，c=0.0241=2.41 10-3nm（实验值）（实验值）A.A.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4.4.康普顿效应解释中的疑难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，时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率其频率等于入射光频率等于入射光频率，所以它所发射的，所以它所发射的散射光频散射光频率率应等于应等于入射光频率入射光频率。无法解释波长改变和散射角关系。无法解释波长改变和散射角关系。B.B.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，光子有一部分能量若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，传给电子，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的波长大于波长大于入射光入射光的波长。的波长。若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将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，质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。不变，波长不变。因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。所以波长改变和散射角有关。a.a.有力地支持了爱因斯坦有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设；b.b.首次在实验上证实了首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量”的假设；的假设；c.c.证实了证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和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。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混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只；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。考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。5.5.康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义康康普普顿顿效效应应康康普普顿顿效效应应康普顿康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家美国物理学家192719251926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，d.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）吴有训吴有训五五.光子的动量光子的动量动量能量是描述粒子的动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的频率和波长则是用来描述波的1.1.在演示光电效应的实验中，原来不带在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，一个角度，如图所示，这时这时()()A.A.锌板带正电，指针带负电锌板带正电，指针带负电B.B.锌板带正电，指针带正电锌板带正电，指针带正电C.C.锌板带负电，指针带正电锌板带负电，指针带正电D.D.锌板带负电，指针带负电锌板带负电，指针带负电B练习练习2.2.一束黄光照射某金属表面时，不能产一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则下列措施中可能使该金生光电效应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是属产生光电效应的是()()A.A.延长光照时间延长光照时间B.B.增大光束的强度增大光束的强度C.C.换用红光照射换用红光照射D.D.换用紫光照射换用紫光照射D练习练习3.3.关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是是()()A.A.在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子每一份叫一个光子B.B.光是具有质量、能量和体积的物质微粒子光是具有质量、能量和体积的物质微粒子C.C.光子的能量跟它的频率成正比光子的能量跟它的频率成正比D.D.光子客观并不存在，而是人为假设的光子客观并不存在，而是人为假设的练习练习B4.4.能引起人的视觉感应的最小能量为能引起人的视觉感应的最小能量为1010-18-18J J，已知可见光的平均波长约为已知可见光的平均波长约为0.60.6 m m，则进入人，则进入人眼的光子数至少为眼的光子数至少为 个，恰能引起人眼的感个，恰能引起人眼的感觉觉.练习练习35.5.关于光电效应下述说法中正确的是关于光电效应下述说法中正确的是()()A.A.光电子的最大初动能随着入射光的强度增大光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大而增大B.B.只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一定能产生光电效应就一定能产生光电效应C.C.在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关的频率无关D.D.任何一种金属都有一个极限频率，低于这个任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能发生光电效应频率的光不能发生光电效应练习练习D