《光的粒子性定稿》PPT课件.ppt

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,