17.2_科学的转折：光的粒子性--cjy

G
V
逸 出 使电子脱离某种金属所做功的最小值——逸出功 功
几种金属的逸出功和极限频率 金属 Vc/1014HZ 钨 10.95 钙 7.73 钠 5.53 钾 5.44 铷 5.15
W0/eV
4.54
3.20
2.29
2.25
2.13
当光照射金属表面时，若电子吸收的能量与原 有的热运动能量之和超过逸出功，电子就从表面逸 出，成为光电子。 光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大， 与实验结论相符。
称c为截止频率（极限频率） 当入射光的频率低于截止频 率时不能发生光电效应
阳 极
A
K
阴 极
G
V
对于每种金属材料，都相应的有一确 定的截止频率c 。
规 律 4 瞬 无论入射光怎样微弱，只 时 要频率超过截止频率，从 性 光开始照射到光电逸出所
需时间<10-9s，光电效应 是瞬时的。
阳 极
A
K
阴 极
康 普 顿 散 射 实 验 装 置
X 射线管
晶体
散射波长
光阑
0
j
探 测 器 X 射线谱仪
石墨体 (散射物质)
康普顿正在测晶体 对X 射线的散射
康 普 顿 散 射 实 验 结 果
j =0O
..... .. ...... . . .. . .... . . . . . ... .. ... .... . ... . ... . . . .. . . ..... . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . .
G
V
光电效应伏安特性曲线
I
饱 和 遏电 I s 止流 电 压
光强较强 光强较弱
Ua
O
U
饱和光电流强度与入射光强度成正比。 实验表明：入射光越强，单位时间内发射 的光电子数目越多
规 律 2 遏 止 电 压
将换向开关反接，电场 反向，则光电子离开阴极后 将受反向电场阻碍作用。 当 K、A 间加反向电压， 光电子克服电场力作功，当 电压达到某一值 Uc 时，光电 流恰为0。 Uc称遏止电压。
0
0.700 0.750
j =45O j =90
散射中出现 >0 的现象，称 为康普顿散射。 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。 波长的偏移为
O
j =135O
波长 λ（A）
o
0
疑 难
光 子 的 动 量
ห้องสมุดไป่ตู้光子的能量和动量
E mc E h
2
h h h P mc 2 c c c
h m 2 c
光 子 的 动 量
E h
P

h
当入射的光子与晶体中的电子碰撞 时，要把一部分动量转移给电子， 因而动量P变小，从而λ变大。 能量——光电效应； 动量——康普顿效应 动量、能量是描述粒子的, 频率、波长则是用来描述波的
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电
光 电 效 应
定义： 当光(包括不可见光)的照射金属表面时，金属
中有电子逸出的现象叫做光电效应。
逸出的电子叫做光电子
光 电 效 应 的 光线照在阴极上，便有电 实 子逸出----光电子。 验
光电子在电场作用下形 成光电流。
阳 极
A
K
阴 极
G
V
规 光电效应实验装置 律 1 A K 阴 阳 饱 极 极 和 电 流
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 过特等时，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的关系。
解 释
光子理论对康普顿效应的解释
康普顿引用光子模型成功解释了这种效 应。基本思想：光子不仅具有能量，也 具有动量，光子与电子碰撞时要遵守能 量守恒定律和动量守恒定律。的
W。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。
运 用
爱因斯坦对光电效应的解释： 1. 光强大，光子数多，释放的光电子 也多，所以光电流也大。 2. 电子只要吸收一个光子就可以从 金属表面逸出，所以不需时间的累积。 3. 从方程可以看出光电子初动能和照射 光的频率成线性关系 ,与光的强弱无关。 4.从光电效应方程中，当初动能为零 时，可得极限频率Vc=Wo/h：
荣 誉
19 27
康 普 顿 效 应
康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖
(1892-1962)美国物理学家
荣 誉 吴有训对研究康普顿效应的贡献
1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作. 1925—1926年，吴有训用银的X射线(0 =5.62nm) 为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质， 在同一散射角( j 1200 )测量 各种波长的散射光强度，作 了大量 X 射线散射实验。 对证实康普顿效应作出了 重要贡献。
疑 难 3.如果光很弱，电子吸收能量要时间，即需 能量的积累过程。（实验表明：光电效应具 有瞬时性。
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。
爱 1.光子（能量子） 因 光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且 斯 本身就是一个个不可分割的能量子组成的，频率为 坦 光的能量子为h（h为普朗克常量） 的 频率为 的光是由大量能量为 =h 光子组成 光 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 电 在光电效应中金属中的电子吸收了一个光子的 效 应 能量h ，一部分消耗在电子逸出功W。，另一部分 方 变为光电子逸出后的动能 Ek 。由能量守恒可得出： 或Ek h W0 程 h Ek W0
疑 经典理论无法解释光电效应的实验结果。 难
经典认为，按照经典电磁理论: 1.入射光的光强越大，光电子逸出时的能量（初动 能）也应该越大,所以遏止电压应该与光的强弱有关 （实验表明：遏止电压只与入射光的频率有关） 2.不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以 获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率 （实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率 有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于 极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极 限频率时，无论光强再大也没有光电流。 ）
。
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
康 普 1.光的散射 顿 光在介质中与物质微粒相互作用,因而传 效 播方向发生改变,这种现象叫做光的散射 应
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。
17.2科学的转折：
光的粒子性
光 是 什 么 ？
问题1：回顾前面的学习，总 结人类对光的本性的认识的发 展过程？
实 验
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。。
验 证
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。
荣 誉
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
意 义 康普顿散射实验的意义
（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。
吴有训 （1897-1977）
阳 极
A
K
阴 极
G
V
1 2 me vc eU c 2 实验表明：对于一定颜色（频率）的光，无
论光的强弱如何，遏止电压相同。频率改变，则遏止 电压改变。即：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。
规 律 3 截 止 频 率
•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；