17.2光的粒子性(2) 课件

第十七章 波粒二象性
第二节 科学的转折：光的粒子性
光是什么？
观点一：托马斯. 杨-------光的干涉
菲涅尔--------光的衍射
波
马吕斯----光的偏振
观点二：赫兹光电效应
粒子
人类对光的本性的认识的发展过程：
菲涅耳
惠更斯 波动说
托马 斯·杨 双缝干涉
实验
衍射实验
赫兹 电磁波实验
麦克斯韦
电磁说
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
四.光电效应在近代技术中的应用
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。
波 动 性
1690 1672
1801 1814
1864 1888 1905
……….
T/年
牛顿
赫兹
爱因斯坦
粒 子
微粒说
发现光电效应 光子说
性
牛顿微粒说 占主导地位
波动说 渐成真理
一、光电效应现象：
1.金属在光（包括 不可见光）的照射 下，从表面逸出电 子的现象叫光电效应
2.发射出来的电子叫 光电子 3.光电子定向移动形成的电流叫光电流
2. 无法解释波长改变和散射角的关系。
六、光子的能量和动量
Em2cEh h
m c2
Pmch c2 •chc h
Eh
P h
动量能量是描述粒子的,
频率和波长则是用来描述波的
光子理论对康普顿效应的解释

17.1 能量量子化 17.2 光的粒子性
1
热辐射
❖ 1、热辐射 ❖ （1）定义：物体在任何温度下,都会发射电磁波,温度不同,所发射的电磁波的频
率和强度也不同,物理学中把这种现象叫做热辐射 ❖ （2）特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同 ❖ 例如：在室温下,大多数物体辐射不可见的红外线,但当物体被加热到500℃左右
向远处观察打开的窗子 近似黑体
3
辐射规律
❖ 1、每一条曲线都有一个极大值 ❖ 2、随着温度的升高,黑体的辐射强度迅速增大 ❖ 3、并且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
一般物体
热辐射特点
辐射电磁波的情况与温 度有关,与材料的种类 及表面状态有关
黑体
辐射电磁波的强度按波 长分布只与黑体的温度 有关
D.能量守恒,动量守恒,且λ>λ′
30
频率为ν的光的能量子：hν （h 为普朗克常量）
16
爱因斯坦的光电效应方程 2.光电效应方程 hν＝Ek+W0
Ek＝hν－W0
3.爱因斯坦光电效应方程对实验结论的解释
●解释饱和电流 ●解释遏止电压
光强大，光子多 eUc=Ek =hv－W0
●解释截止频率
0= hvc－W0
vc=W0 / h
●解释瞬时性
12
++++++
光电效应的实验规律
A
U
3、遏止电压 ❖U=0时，I≠0，因为电子有初速 ❖加反向电压
一
E
一
❖光电子所受电场力方向与光电子
一
速度方向相反，光电子作减速运动
❖使光电流减小到零的反向电压即遏止电压
一

1.光子： 2.爱因斯坦的光电效应方程
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：
或
1 2 Ek me vc ——光电子最大初动能 2 W0 ——金属的逸出功
h Ek W0 Ek h W0
3.光子说对光电效应的解释
象就叫光电效应。
1、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。
2.光电效应实验规律
（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。 因为光照条件一定时，K发射的 电子数目一定。
二.光电效应解释中的疑难
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。 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 ① 光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电 脱出来，必须克服这个引力做功。 压 UC应与光的强弱有关。 实验表明:对于一定颜色(频率)的光, ②不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的. 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， -9 这个时间远远大于10 S。
a.除原波长0外出现了移向 长波方向的新的散射波长 。 b.新波长.. . ..... . . ... ... . . . . . ... .... ... .... .... . . . ... . .... . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .

U=0时，I≠0，因为电子有初速度
A
K
思考2：如何使电路中没有电流？
加反向电压
思考3：反向电压至少应该多大？ （假设电子从金属板上出
来的最大速度为vc）
1 2
mevc2
eUc
最大速度
阳极 V
阴极
G
二、光电效应实验规律
(2)存在遏止电压UC：使光电流减小到零的(最小)反向电压
1 2
mevc2
eUc
A
A
阳极
V
更精确的研究推知，光电子发射所 经过的时间不超过10－9 秒.
K
阴极
A
二、光电效应实验规律
(4)存在截止频率c （极限频率）
思考：是否是任意光照到锌 板上，锌板都能发射 出电子呢？
结论：
A)当入射光频率 > c 时，电子才能逸出金属表面； B)当入射光频率 < c时，无论光强多大也无电
子逸出金属表面。
在光电效应现象中逸出的电子。
注意光子与光电子的对比
一、光电效应现象
1、定义：
A
当光线照射在金属表面时，
阳极
金属中有电子逸出的现象。
2、光电子：
V
在光电效应现象中逸出的电子。
3、光电流：
光电子定向移动形成的电流。
K
阴极
G
二、光电效应实验规律
（1）存在饱和电流
A
思考：保持光照条件不变，逐渐 加大两极之间的电压，分 析光电流会怎样变化？
最大速度
思考：遏止电压UC与哪些因素有关？ 阳极
与入射光的频率有关。
V
K
阴极
G
二、光电效应实验规律
1、存在饱和电流

红､橙､黄､绿四种单色光中,能量最小的是( ) A
A.红光
B.橙光
C.黄光
D.绿光
注意：红橙黄绿青蓝紫，波长逐渐减小，频率逐渐增大
巩固应用
对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点,以下说法正确的是 A.以某一个最少能量值一份一份地辐射和吸收 ABD B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍 C.吸收的能量可以是连续的 D.辐射和吸收的能量是量子化的
24000.35106 4.21021个. 6.6310343.0108
光电效应
❖ 1、光电效应 在光的照射下物体发射出电子的现象,叫做光电效应
❖ 2、光电子 发射出来的电子称为光电子
❖ 3、光电流 光电子定向移动形成的电流叫光电流
❖ 4、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。
现象叫做光的散射
❖ 2、康普顿效应 ❖ 在散射的光线中,除了有与入射光波长相同的射线外,还有波
长比入射光波长更长的射线,人们把这种波长变化的现象叫 做康普顿效应
❖ 3、意义 ❖ 有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；证实了“光子具有
动量”；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
率有关（频率越高,光电子的最大初动能越大）,而 与入射光的强度无关
③频率低于νc的入射光不能使光电子逸出.（无论光的 强度多大,照射时间多长）
④光的照射和光电子的逸出几乎是同时的 (<10-9 s)
爱因斯坦的光电效应方程
1.光子说(1905年提出)
光不是连续的而是一份一份 的，每一份叫做一个光子， 光子的能量跟它的频率成正 比。
17.1 能量量子化 17.2 光的粒子性

1.对一定的金属材料制成的阴极，存在一个确定的临阈
频率。
k A 0
o

A k
红限频率
15
2.光电子的初动能与频率成线性关系，而与入射光的强
度I 无关。其关系：Ek k A
斜率K与材料无关。
*光电子的初动能可用 遏止电压 Ua 测量。
Ek

1 2
mvM2
eU a
截距A与材料有关。
求：（1）相应的温度比；（2）相应的辐射本领之比。
解：（1） 根据维恩位移定律
T1 1m = b T2 2m = b
T1 2m 1
T2
1m 2
（2）根据斯忒番-玻尔兹曼定律
M
o 1

T14
M
o 2
T24
M1o
M
o 2
( T1 )4 T2
1 16
10
四、普朗克的量子假设
ts 20c0 M b T 4 Ts4
P SMb S T 4 Ts4 5.67 10 8 306 4 293 4 1.73 137W
9
例题：先后两次测得炼钢炉测温孔（近似为黑体）辐射
出射度的峰值波长1m=0.8m、2m =0.4m ，
棱镜
空腔
电炉
频率不同折射 率不同，折射 角不同。
热电偶
G 测得不同频 率的辐射功 率

Mb M (T ) T 4
0
5.67 108 (Wm 2K 4 )
7
2、维恩位移定律
M
0
T1
T2
T3
M
T1 T2 T3
TM b

四.爱因斯坦的光电效应方程
1.光子说(爱因斯坦于1905年提出)
在空间传播的光不是连续的而是一份 一份的，每一份叫做一个光子，光子的能 量跟它的频率成正比。即:E＝hν ，ν表 示光的频率，h 叫普朗克常量，h＝ 6.63×10-34焦耳·秒
四.爱因斯坦的光电效应方程
2.光电效应方程
①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。有：W0= hν0
表明锌板在光线照射下失去电子而带正电。
一、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。
二.光电效应的实验规律
实 验 装 置
实验发现以下规律： ●存在着饱和电流
△实验表明：入射光越强，单位 时间内发射的光电子数越多； △入射光越强，饱和光电流越大。
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
②光电效应方程：Ek＝hν－W0
3.爱因斯坦光电效应方程对实验结论的解释
Ek＝hν－W0
●解释截止频率 ●解释瞬时性 ●解释饱和光电流
0 －W0
EK
ν ν0
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 >h0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。

电流刚减小到0时对应的UKA叫做
遏止电压Uc。
—
1 2
me
vc2
eUc
V
K
+
A
学校课堂
11
实验测得的光电效应曲线
I 实验表明，在光的颜色不变的情况下，
入射光越强，饱和电流越大。这表明
对于一定颜色的光，入射光越强， 单位时间内的光电子数越多
黄光（ 强）
饱和电流Is
蓝光
遏
止
电
黄光（ 弱）
压
Uc1 Uc2
4 逸出功的大小与入射光无关 （ √ ）
5 光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 （ × ）
学校课堂
24
练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( D )
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
学校课堂
25
练3、关于光电效应下述说法中正确的是( D ) A、光电子的最大初动能随着入射光的强度增
疑难3：如果光很弱，电子需要很长时间（几分钟到 十几分钟）才能获得逸出表面需要的能量。
实验结果：时间小于10-9学s校课堂
14
四 爱因斯坦的光电效应方程
教材32页
思考：爱因斯坦提出了什么观点
学校课堂
15
教材33页
学校课堂
16
教材33页
学校课堂
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教材33页
学校课堂
18
教材34页
1 2
mevc2
第十七章 波粒二象性
17.2 光的粒子性
学校课堂
1
教材30页
学校课堂

2020/2/2
第十七章 波粒二象性
(3)具有瞬时性
阴极
K
阳极
猜实测验结：果电：子即是使怎入样射吸光的收强入度射 光非的常微能弱量，的只呢要？入射光频率大
于被照金属的极限频率，电流 表指当针年也爱几因乎斯是坦随等着大入量射科光学照 射家就也立在即做偏这转样。类似的猜测。
G 更精思确考的：研如究果推入知射，光光的电频子率发超 射过所截经至过频的率时，间做不两超次过实1验0－，9 秒 （第这一个次现用象很一弱般的称光作照“射光，电第子 的二瞬次时用发很射强”的）光。照射，请问 哪一次光电子从锌板跑出来
A
阳极
V
阴极
K
G
2020/2/2
第十七章 波粒二象性
(2)存在遏止电压和截止频率
a.存在遏止电压UC：使光电流减小到零的反向电压
++++++
U=0时，I≠0， 因为电子有初速度 A
UK
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
1 2
mevc2
=
eU c
则I=0，式中UC为遏止电压
一
一
E
一
v
一
－
F
一
一
E
速率最大的是 vc
最大的初动能 2020/2/2
第十七章 波粒二象性
(2)存在遏止电压和截止频率
a.存在遏止电压UC
思遏射12考止光m：电的e对压 强vc刚后 度2 才， ，=的如 电e实果 路U验再中c ，增会加大有了入光
实电验流表吗明？:减对弱于光一的定强颜度色，(频遏率 )止的电光压, 会无减论小光吗的？强弱如何,遏 止电压是一样的. 光的频率 ν 改变时，遏止电压也会改变。

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
练习： 在光电效应实验中，某金属的截止频 率相应的波长为λ0，该金属的逸出功 为 ，若用波长为λ（ λ ＜λ0） 的单色光做该实验，则其遏止电压 为 。已知电子的电荷量、真 空中的光速和普朗克常量分别为e,c 和h。
矛盾
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。
三.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的能量子形式 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。 2.爱因斯坦光电效应方程 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w0，另一部分变为光电子逸出 h Ek W0 后的动能 Ek 。由能量守恒可得出： 即： Ek h W0 光电效应方程
W0
为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；
1 2 Ek me v 2
为光电子的最大初动能。
3、爱因斯坦对光电效应的解释：课本33页
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。 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电
一、光电效应现象
实验一 实验二 结论：1、紫外光能使锌板中的电子从表面逸出 2、白光不能是锌板中的电子从表面逸出 3、紫外线频率比白光频率高，说明只有光的频率高于 某一最小值，才能发生光电效应 4、使不同金属发生光电效应的光频率最小值不一样