17.2 科学的转折：光的粒子性 30张PPT

(共32张PPT)
光电效应
光子
第二节
用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电
器张角增大到约为
30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。。
一、光电效应现象
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电
定义：
在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。
发射出来的电子叫做光电子
1.什么是光电效应
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。
一、光电效应
阳极
阴极
石英窗
光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出----光电子。
光电子在电场作用下形成光电流。
2.光电效应的实验规律
1.
光电效应实验
阳极
阴极
将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。
当
K、A
间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值
Uc
时，光电流恰为0。
Uc称遏止电压。
遏止电压
I
I
s
U
a
O
U
光
强
较
强
光
强
较
弱
光电效应伏安特性曲线
光电效应实验装置
遏
止
电
压
饱
和
电
流
一、光电效应的实验规律
阳极
阴极
阳极
阴极
石英窗
2.
光电效应实验规律
①.光电流与光强的关系
饱和光电流强度与入射光强度成正比。
②.截止频率 c
----极限频率
对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率 c
。
当入射光频率
>
c
时，电子才能逸出金属表面；
当入射光频率
<
c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。
③光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间<10-9s。
经典理论无法解释光电效应的实验结果。
经典认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。
光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。
光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。
为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。
3.爱因斯坦的光量子假设
1.内容
光不仅在发射和吸收时以能量为h 的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为
的光是由大量能量为

=h
光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速
c
运动。
在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子逸出后的动能
Ek
。由能量守恒可得出：
2.爱因斯坦光电效应方程
为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；　　
　　　　
为光电子的最大初动能。
3.
从方程可以看出光电子初动能和照射
光的频率成线性关系
4.从光电效应方程中，当初动能为零时，
可得极极限频率：
爱因斯坦对光电效应的解释：
1.
光强大，光子数多，释放的光电子也
多，所以光电流也大。
2.
电子只要吸收一个光子就可以从金属
表面逸出，所以不需时间的累积。
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。
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
。
放大器
控制机构
可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。
4.光电效应在近代技术中的应用
1.光控继电器
可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105~108
倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。
2.光电倍增管
应
用
光电管
光
电源
电流计
I
A
K
康普顿效应
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。
一.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：
1.除原波长 0外出现了移向长波方向的新的散射波长
。
2.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
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o
（A）
0.700
0.750
λ
波长
.
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.
.
0

遇到的困难
经典电磁理论在解释康普顿效应时
2.
无法解释波长改变和散射角的关系。
射光频率应等于入射光频率。
其频率等于入射光频率，所以它所发射的散
过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，
1.
根据经典电磁波理论，当电磁波通
光子理论对康普顿效应的解释
康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的
子能量几乎不变，波长不变。
小于原子质量，根据碰撞理论，
碰撞前后光
光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远
2.
若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，
是散射光的波长大于入射光的波长。
部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于
1.
若光子和外层电子相碰撞，光子有一
结果，具体解释如下：
3.
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。
光子理论对康普顿效应的解释
三.康普顿散射实验的意义
（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；
（2）首次在实验上证实了“光子具有动量”
的假设；
（3）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。
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
1925—1926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，
四、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
光子的能量和动量
动量能量是描述粒子的,
频率和波长则是用来描述波的
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 =2.41 10-3nm（实验值）