資源簡介

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光電效應
17世紀明確形成了兩大對立學說
牛頓
惠更斯
微粒說
波動說
19世紀初證明了波動說的正確性
由于波動說沒有數(shù)學基礎以及牛頓的威望使得微粒說一直占上風
19世紀末光電效應現(xiàn)象使得愛因斯坦在20世紀初提出了光子說：光具有粒子性
對光學的研究
從很早就開始了… …
實驗現(xiàn)象：
一、光電效應：當光照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應。逸出的電子稱為光電子。
新課引入
用紫外線燈照射后，驗電器張開的指針夾角會變小,說明鋅板帶的負電荷變少了。這意味著，紫外線會讓電子從鋅板表面逸出。
光線經石英窗照在陰極上，便有電子逸出----光電子。
光電子在電場作用下形成光電流。
二、光電效應的實驗規(guī)律
1. 光電效應實驗
窗口
I
二、光電效應的實驗規(guī)律
當入射光頻率減小到某一數(shù)值 c 時，A、K極板間不加反向電壓，電流也為0。此時的光的頻率 c即為截止頻率！
1.截止頻率
1.金屬要發(fā)生光電效應與入射光強弱無關，只與頻率有關。
2.入射光頻率低于截止頻率時，不管光照多強，金屬都不會發(fā)生光電效應！
不同金屬的截止頻率不同。
截止頻率與金屬自身的性質有關。
二、光電效應的實驗規(guī)律
光照不變，增大UAK，G表中電流達到某一值后不再增大，即達到飽和值。
2.飽和電流
頻率不變，入射光越強，飽和電流越大，單位時間內發(fā)射的光電子數(shù)越多。
二、光電效應的實驗規(guī)律
當K、A間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當電壓達到某一值Uc時，光電流恰為0。Uc稱截止電壓。
3.截止電壓
光電子克服電場力做功，到達A極板時速度剛好為零。
同一種金屬，截止電壓只與光的頻率有關。
光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關，與入射光的強弱無關。
二、光電效應的實驗規(guī)律
即使入射光的強度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的極限頻率，電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉。
4.光電效應具有瞬時性
更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經過的時間不超過10-9秒（這個現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時發(fā)射”）。
二、光電效應的實驗規(guī)律
1.對于任何一種金屬，都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率，才能發(fā)生光電效應，低于這個頻率就不能發(fā)生光電效應；
2.當入射光的頻率大于極限頻率時，入射光越強，飽和電流越大；
3.光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨著入射光的頻率增大而增大；
4.入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不超過10-9秒。
總結：
三、光電效應經典解釋中的疑難
逸出功W0：使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。
幾種金屬的截止頻率和逸出功
三、光電效應經典解釋中的疑難
光越強，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。
不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子都可以獲得足夠能量從而逸出表面，不應存在截止頻率。
光越強，光電子的初動能應該越大，所以截止電壓Uc 應該與光的強弱有關。
如果光很弱，按經典電磁理論估算，電子需要幾分鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需的能量。
無法用經典的波動理論來解釋光電效應。
逸出功W0：使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。
1.光子：
光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν。這些能量子后來被稱為光子。
愛因斯坦的光子說
愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：
四.愛因斯坦的光子假設
2.愛因斯坦的光電效應方程
一個電子吸收一個光子的能量hν后，一部分能量用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek，即：
四.愛因斯坦的光子假設
光子能量
逸出功
最大初動能
即
愛因斯坦由于對光電效應的理論解釋和對理論物理學的貢獻獲得1921年諾貝爾物理學獎
密立根由于研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學獎
。
四、愛因斯坦的光電效應理論
思考與討論
白天的天空各處都是亮的；航天員在大氣外飛行時，盡管太陽的光線耀眼刺目，其他地方的天空卻是黑的，甚至可以看見星星。這是為什么？
(一)光的散射
光在介質中與物質微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射.
五.康普頓效應
X射線
λ ＝λ0
石墨體
（散射物質）
λ =λ0
λ >λ0
說明能量有損失，導致波長變長。
1918~1922年，美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了有與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0 的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應。
康普頓
(二)康普頓效應
五.康普頓效應
康普頓正在測晶體對X 射線的散射
按經典電磁理論：
如果入射X光是某種波長的電磁波，散射光的波長是不會改變的！
一.康普頓效應
根據經典電磁波理論，當電磁波通過物質時，物質中帶電粒子將作受迫振動，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應等于入射光頻率。
二.康普頓的解釋
1.光子不僅具有能量，而且具有動量，光子的動量p與光的波長λ和普朗克常量h有關：
愛因斯坦質能方程：
光子能量：
波長變長的解釋：
P↓——
λ↑
現(xiàn)在你知道為什么光撞在人身上，卻沒有被撞的感覺了嗎？
h=6.626 10-34J/s
波長λ算它是5 10-6m
約P=1.21 10-28kgm/s
2.光子理論對康普頓效應的解釋
①若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。
②若光子和束縛很緊的內層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子質量遠小于原子質量，根據碰撞理論， 碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。
③因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，所以波長改變和散射角有關。
二.康普頓的解釋
康
普
頓
效
應
康
普
頓
效
應
康普頓,1927年獲諾貝爾物理學獎
(1892-1962)美國物理學家
1.有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設；
2.首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設；
3.證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。
康普頓的成功也不是一帆風順的，在他早期的幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于“混進來了某種熒光輻射”；在計算中開始只考慮能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒。
康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎。
三.康普頓散射實驗的意義
1925—1926年，吳有訓用銀的X射線( 0 =5.62nm) 為入射線, 以15種輕重不同的元素為散射物質，
1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應的研究工作.
對證實康普頓效應作出了重要貢獻。
在同一散射角( )測量各種波長的散射光強度，作了大量 X 射線散射實驗。
（1897-1977）
吳有訓
四.吳有訓對研究康普頓效應的貢獻
愛因斯坦光電效應
表明光子具有能量
康普頓效應
表明光子具有動量
光子除了具有能量之外還具有動量
光的散射實驗
光照金屬表明實驗
五.波粒二象性
光的粒子性和波動性是相對的
波粒二象性
傳播的過程中，表現(xiàn)出波動性
波長較長時，表現(xiàn)出波動性
波長較短時，表現(xiàn)出粒子性
與物體相互作用時，表現(xiàn)出粒子性
光的粒子性和波動性是在不同條件下的表現(xiàn)
六.波粒二象性

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