人教版高中物理选修3-5 17．2光的粒子性 （共36张PPT）

(共36张PPT)
17.2
光的粒子性
17世纪明确形成了两大对立学说
牛顿
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…
…
光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波
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。
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电
光
电源
电流计
I
A
K
一、光电效应现象
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。
光电子定向移动形成的电流叫光电流
正向电压
反向电压
2.光电效应探究实验
3.光电效应实验规律
（1）存在饱和电流
实验表明：
入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。
实验表明:对于一定颜色(频率)的光,
无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.
光的频率?
改变时，遏止电压也会改变。
(2)存在遏止电压和截止频率
a.存在遏止电压UC
光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。
对于每种金属，都相应确定的截止频率?c
。
当入射光频率?
>
?c
时，电子才能逸出金属表面；
b.存在截止频率
I
I
s
U
a
O
U
黄光（
强）
黄光（
弱）
光电效应伏安特性曲线
遏
止
电
压
饱
和
电
流
蓝光
U
b
只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针就立即偏转。
光电子发射所经过的时间不超过10－9
秒
光电效应在极短的时间内完成
(3)具有瞬时性
①对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；
②
当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大；
③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；
④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10-9秒.
小结.光电效应的实验规律
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。
逸出功W0
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。
光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。
①光越强，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。
②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。
③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
S。
-9
√
实验表明:对于一定颜色(频率)的光,
无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.
温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣脱出来，必须克服引力做功。
4.光电效应解释中的疑难
（1）.光子：
光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。
爱因斯坦的光子说
爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：
5.爱因斯坦的光量子假设
（2）.爱因斯坦的光电效应方程
或
——光电子最大初动能
——金属的逸出功
W0
一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：
（3）.光子说对光电效应的解释
①爱因斯坦方程表明，光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当hν>W0时，才有光电子逸出，
就是光电效应的截止频率。
②电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。
③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。
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
。
可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。
6.光电效应在近代技术中的应用
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
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。
二.康普顿效应
康普顿实验装置示意图
调节A对R的方位，可使不同方向的散射线进入光谱仪。
康普顿实验指出
散射光中除了和入射光波长λ相同的射线之外，还出现一种波长λ'大于λ的新的射线。
改变波长的散射
康普顿散射
康普顿效应
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
3.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难
①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。
②无法解释波长改变和散射角关系。
4.光子理论对康普顿效应的解释
①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。
②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。
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。
康普顿用光子理论成功的解释这种效应
5.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）.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。
6.康普顿散射实验的意义
光的粒子性
一、光电效应的基本规律
小结
1.光电效应现象
2.光电效应实验规律
①对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；
②
当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比；
③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；
④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10-9秒.
（3）光子说对光电效应的解释
（2）爱因斯坦的光电效应方程
三、爱因斯坦的光电效应方程
（1）光子：
二、光电效应解释中的疑难
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
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
BD
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
D