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第1课时 光电效应 光子,17.2科学的转折:光的粒子性,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,T/年,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,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,.,把一块锌板连接在验电器上,并使锌板带负电,验电器指针张开,用紫外线照射锌板,观察到验电器指针张角先减小,减小到零后又变大。这个现象说明了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,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,光线经石英窗照在阴极上时有电子逸出-光电子。,光电子在电场作用下形成光电流。,二、光电效应实验及规律,二.光电效应的实验规律,(1)存在饱和电流,光照不变,增大UAK,G表中电流达到某一值后不再增大,即达到饱和值。,入射光颜色(频率)不变,当 A 加正向电压,电流增加,到一定值时单位时间内发射的所有光电子都被阳极A吸收,即使电压再增,电流也不会增大,光电流达到饱和。,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。,使光电流减小到零的反向电压,+ + + + + +,一 一 一 一 一 一,v,加反向电压,如右图所示:,光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反,光电子作减速运动。若,最大的初动能,U=0时,I0,,因为电子有初速度,则I=0,式中UC为遏止电压,二.光电效应的实验规律,(2)存在遏止电压和截止频率,遏止电压UC,U,K,A,二.光电效应的实验规律,(2)存在遏止电压和截止频率,实验表明:对于一定颜色(频率)的光,无论光强如何Uc相同,二.光电效应的实验规律,光电流与电压的关系,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。,遏止电压UC,表明:光电子的能量只与入射光的频率有关,与入射光的强弱无关。,(2)存在遏止电压和截止频率,截止频率c -极限频率,用不同频率的光去照射阴极K时, 实验结果表明:频率越高,Uc越大,并且频率与Uc呈线性关系。 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。 称为截止频率(或极限频率)。不同金属的截止频率不同。,实验表明:入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。,实验结果:即使入射光的强度非常微弱,只要入射光频率大于被照金属的极限频率,电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。,更精确的研究推知,光电子发射所经过的时间不超过109 秒(这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”)。,光电效应在极短的时间内完成,二.光电效应的实验规律,(3)具有瞬时性,勒纳德等人通过实验得出以下论:,对于任何一种金属,都有一个截止频率,入射光的频率必须大于这个截止频率,才能发生光电效应。 当入射光的频率大于截止频率时,入射光越强,饱和电流越大; 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; 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.,二.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,光越强,逸出的电子数越多,光电流也就越大。,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。,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 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,必须克服这个引力做功。表面处电子最容易出来,越靠近内侧电子越困难。,三.光电效应解释中的疑难,1.光子说(爱因斯坦于1905年提出),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 能量子组成的粒子流,这些能量子沿光的传播方向以光速 c 运动。这些能量子称为光子。,四.爱因斯坦的光电效应方程,完全接受量子观点,且认为电磁波不仅在发射和吸收时是不连续的,而且电磁波本身也是不连续的,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。,光电效应方程:EkhW0,四.爱因斯坦的光电效应方程,光电子最大初动能,金属的逸出功,W0,3.光子说对光电效应的解释,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hW0时,才有光电 子逸出, 就是光电效应的截止频率。,四.爱因斯坦的光量子假设,3.光子说对光电效应的解释,电子一次性吸收光子的全部能量,(并且是一对一,电子不能积累吸收到的能量)故不需要积累能量的时间,光电流自然几乎是瞬时发生的。也因此存在极限频率。(低于极限频率的光子不吸收,光电子最大初动能与频率有关,而光强的大小不能影响,故Uc与光照强度无关),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。(入射光强度 I=nhv n:光子数,且一个光子的能量只能给一个光电子),四.爱因斯坦的光量子假设,光电流正比于光强的解释,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。光子像其它粒子一样,也具有能量,光电效应显示了光的粒子性。,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。,四.爱因斯坦的光量子假设,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(Uc和v的关系)计算普朗克常量,很难测Ek ,怎样改成Uc与v、W0关系? 提示:Ek = eUc,横截距Vc=4.271014,斜率,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。,四.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k1,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k2 , 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,一.康普顿效应,1.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难,二.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。,2.光子理论对康普顿效应的解释,二.康普顿效应解释中的疑难,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。,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。,光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一 面,前者表明光子具有能量,后者表明光子除了具有 能量之外还具有动量。,康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。,三.康普顿散射实验的意义,四.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,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,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; 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; 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; 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,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10-18J,已知可见光的平均波长约为0.6m,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,练习,课本P39,1、在可见光范围内,哪种颜色光的光子能量最大?想想看,这种光是否一定最亮?为什么?,在可见光范围内,紫光的光子能量最大,因为其频率最高。,紫光不是最亮的。,一为光强,,因为光的亮度由两个因素决定,,二为人眼的视觉灵敏度。,在光强相同的前提下,由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最灵敏,因此黄绿色光应最亮。,练习,课本P39,2、在光电效应实验中 (1)如果入射光强度增加,将产生什么结果?(2)如果入射光频率增加,将产生什么结果?,(1)当入射光频率高于截止频率时,光强增加,发射的光电子数增多;,当入射光频率低于截止频率时,无论光强怎么增加,都不会有光电子发射出来。,(2)入射光的频率增加,发射的光电子最大初动能增加。,练习,课本例题P36,分析,由上面讨论结果,可得:,对于一定金属,逸出功W0是确定的,电子电荷e和普朗克常量h都是常量。,所以遏止电压UC与光的频率之间是线性关系,即:Uc图象是一 条斜率为 的直线,练习,课本例题P36,分析,由上面讨论结果,可得:,遏止电压Uc与光电子的最大初动能Ek有关,Ek越大, Uc越高;Uc为零,Ek为零,即没有光电子,所以与遏止电压Uc=0对应的频率应该是截止频率c,由以上分析可知:,根据数据作Uc图象即可求得,遏止电压Uc=0对应的频率就是截止频率c,Uc图象是一条斜率为 的直线,练习,课本P39,5、根据图17.2-2所示研究光电效应的电路,利用能够产生光电效应的两种(或多种)已知频率的光来进行实验,怎样测出普朗克常量?根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量,写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。,分析:阳极与电源负极相接,阴极与电源正极相接,测出两种不同频率1、2光的遏止电压U1、U2,代入公式:,当入射光频率分别为1、2时,测出遏止电压U1、U2,由爱因斯坦光电效应方程可得,联立上两式,解得,其中e为电子的电量,测出U1与U2就可测出普朗克常量,实验步骤:,(1)将图17.2-2电路图电源正负对调,滑动变阻器滑动触头滑至最左边,用频率为1 的光照射,此时电流表中有电流。,将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑,,同时观察电流表,当电流表示数为零时,停止滑动。,记下伏特表的示数U1。,(2)用频率为2的光照射,重复(1)的操作,记下伏特表的示数U2。,(3)应用 计算h。,(4)多次测量取平均值。,再见,
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