
光的粒子性新人教选修.pptx
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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/12/14,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,问题:,回顾前面的学习,总结人类对光的本性的认识的发展过程?,光的本性,1672,牛顿,微粒说,T/,年,惠更斯波动说,1690,麦克斯韦电磁说,1864,1905,爱因斯坦光子说,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,1888,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,.,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,。,逸出的电子称为,光电子,。,光电子定向移动形成的电流叫,光电流,一,.,光电效应的实验规律,实验装置,观察,实验发现以下规律:,存在着饱和电流,实验表明:入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多;,入射光越强,饱和光电流越大。,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。,光照频率越高,遏止电压越高。,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。入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。,光电效应具有瞬时性,当频率超过截止频率时,无论入射光怎样微弱,几乎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,10,9,秒,,即,光电效应几乎是瞬时的。,二,.,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:,光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压,U,C,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,-9,S,。,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。,1.,光子说,(,爱因斯坦于,1905,年提出,),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,光子的能量跟它的频率成正比。,即,:E,h,,,表示光的频率,,h,叫普朗克常量,,h,6.6310,-34,焦耳秒,三,.,爱因斯坦的光电效应方程,2.,光电效应方程,逸出功:,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的最小值。不同金属,其逸出功不同。,有:,W,0,=,h,0,光电效应方程:,E,k,h,W,0,三,.,爱因斯坦的光电效应方程,3.,爱因斯坦光电效应方程对实验结论的解释,E,k,h,W,0,0,E,K,W,0,0,解释截止频率,解释饱和光电流,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 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。,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。,三,.,爱因斯坦的光电效应方程,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,例题:由密立根实验,(,U,c,和,v,的关系,),计算普朗克常量,很难测,E,k,,怎样改成,U,c,与,v,、,W,0,关系?提示:,E,k,=,eU,c,由图象求参数的方法:,电源电动势和内阻(直接求参数),用单摆测重力加速度(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,可以制造光电转换器,实现光信号与电信号之间的相互转换。这些,光电转换器,如光电管,(photoelement),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。,光电效应在近代技术中的应用,光电倍增管,(photomultiplier)是把光信号变为电信号的常用器件。,当光照射到阴极,k,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,k,1,,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,k,2,.,如此继续下去,利用,1015,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。,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,。,四.康普顿效应,3.,康普顿散射的实验装置与规律:,晶体,光阑,X,射线管,探,测,器,X,射线谱仪,石墨体,(,散射物质,),j,0,散射波长,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,不会改变的!,康普顿散射曲线的特点:,a.,除原波长,0,外出现了移向长波方向的新的散射波长,。,b.,新波长,随散射角的增大而增大。,散射中出现,0,的现象,称为,康普顿散射。,波长的偏移为,=0,O,j,=45,O,j,=90,O,j,=135,O,j,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,o,(,A,),0.700,0.750,波长,.,.,.,.,.,.,.,0,称为电子的,Compton,波长,只有当入射波长,0,与,c,可比拟时,康普顿效应才显著,,因此要用,X,射线才能观察到,康普顿散射,用可见光观察不到康普顿散射。,波长的偏移只与散射角,有关,,而与散射物质,种类及入射的,X,射线的波长,0,无关,,c,=0.0241=2.4110,-3,nm,(实验值),A.经典电磁理论在解释康普顿效应时,遇到的困难,4.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。,B.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的角度有关,所以波长改变和散射角有关。,a.有力地支持了爱因斯坦,“,光量子,”,假设;,b.首次在实验上证实了,“,光子具有动量,”,的假设;,c.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。,5.康普顿散射实验的意义,康,普,顿,效,应,康,普,顿,效,应,康普顿,1927,年获诺贝尔物理学奖,(1892-1962),美国物理学家,1927,19251926,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质,,d.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。,(,1897-1977,),吴有训,五.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,1.,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,用弧光灯照射锌板时,验电器的指针就张开一个角度,如图所示,,这时,(),A.,锌板带正电,指针带负电,B.,锌板带正电,指针带正电,C.,锌板带负电,指针带正电,D.,锌板带负电,指针带负电,B,练习,2.,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属产生光电效应的是,(),A.,延长光照时间,B.,增大光束的强度,C.,换用红光照射,D.,换用紫光照射,D,练习,3.,关于光子说的基本内容有以下几点,不正确的是,(),A.,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,B.,光是具有质量、能量和体积的物质微粒子,C.,光子的能量跟它的频率成正比,D.,光子客观并不存在,而是人为假设的,练习,B,4.,能引起人的视觉感应的最小能量为,10,-18,J,,已知可见光的平均波长约为,0.6,m,,则进入人眼的光子数至少为,个,恰能引起人眼的感觉,.,练习,3,5.,关于光电效应下述说法中正确的是,(),A.,光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大,B.,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,C.,在光电效应中,饱和光电流的大小与入射光的频率无关,D.,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,练习,D,- 配套讲稿:
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