高中物理科學(xué)的轉(zhuǎn)折光的粒子性課件新人教版選修3-5

1、科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性,問題：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過程？,用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電 器張角增大到約為 30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會(huì)變大。。,一、光電效應(yīng)現(xiàn)象,表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電,,,定義：,在光(包括不可見光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。,發(fā)射出來的電子叫做光電子,1.什么是光電效應(yīng),當(dāng)光線照射

2、在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。,石英窗,光線經(jīng)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。,2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,1. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn),將換向開關(guān)反接，電場反向，則光電子離開陰極后將受反向電場阻礙作用。,當(dāng) K、A 間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值 Uc 時(shí)，光電流恰為0。 Uc稱遏止電壓。,遏止電壓,,,I,Uc,O,U,光 強(qiáng) 較 弱,

3、光電效應(yīng)伏安特性曲線,光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置,遏止電壓,,,一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,,,,,I,I,s,U,a,O,U,光 強(qiáng) 較 強(qiáng),光 強(qiáng) 較 弱,光電效應(yīng)伏安特性曲線,光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置,遏止電壓,,飽和電流,,,一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,2. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律,①.光電流與光強(qiáng)的關(guān)系,飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。,②.截止頻率?c ----極限頻率,對于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率?c 。,當(dāng)入射光頻率

4、? > ?c 時(shí)，電子才能逸出金屬表面；,當(dāng)入射光頻率? < ?c時(shí)，無論光強(qiáng)多大也無電子逸出金屬表面。,③光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開始照射到光電逸出所需時(shí)間<10-9s。,經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。,經(jīng)典認(rèn)為，按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強(qiáng)越大，光波的電場強(qiáng)度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)該越大。也就是說，光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更

5、不應(yīng)該有什么截止頻率。,光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時(shí)，無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。,光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過程。,為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)。,3.愛因斯坦的光量子假設(shè),1.內(nèi)容,光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h?的微

6、粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說，頻率為? 的光是由大量能量為 ? =h? 光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運(yùn)動(dòng)。,在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功W0，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能 Ek 。由能量守恒可得出：,2.愛因斯坦光電效應(yīng)方程,3. 從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系 4.從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得極極限頻率：,愛因斯

7、坦對光電效應(yīng)的解釋： 1. 光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。 2. 電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。,,,由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。,4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證,美國物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)

8、驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦方程，h 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。,愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的理論解釋和對理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。,可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。,4.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用,1.光控繼電器,,可對微弱光線進(jìn)行放大，可使光電流放大10

9、5~108 倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。,2.光電倍增管,應(yīng) 用,光電管,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光,電源,,,,,電流計(jì),,,I,A,K,康普頓效應(yīng),第2課時(shí),1.光的散射,光在介質(zhì)中與物質(zhì)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,2.康普頓效應(yīng),1923年康普頓在做 X 射線通過物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改

10、變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長 和散射物質(zhì)都無關(guān)。,一.康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：,晶體,光闌,探測器,?0,散射波長?,康普頓正在測晶體對X 射線的散射,按經(jīng)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(huì)改變的！,康普頓散射曲線的特點(diǎn)：,1.除原波長?0外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長? 。,2.新波長? 隨散射角的增大而增大。,散射中出現(xiàn) ?≠?0 的現(xiàn)象，稱為康普頓散射。,波長

11、的偏移為,稱為電子的Compton波長,只有當(dāng)入射波長?0與?c可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。,波長的偏移只與散射角? 有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類及入射的X射線的波長?0 無關(guān)，,?c = 0.0241Å=2.41?10-3nm（實(shí)驗(yàn)值）,遇到的困難,經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí),2. 無法解釋波長改變和散射角的關(guān)系。,射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。,其頻率等于入射光

12、頻率，所以它所發(fā)射的散,過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，,1. 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通,光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋,康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的,子能量幾乎不變，波長不變。,小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光,光子將與整個(gè)原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn),2. 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，,是散射光的波長大于入射光的波長。,部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于,1. 若光子和外層電子相碰撞，光子有一,結(jié)果

13、，具體解釋如下：,3. 因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度,有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。,光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋,三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義,（1）有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)；,（2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量” 的假設(shè)；,（3）證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中， 動(dòng)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(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來了某種熒

14、光輻射”；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒。,康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。,康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),(1892-1962)美國物理學(xué)家,1927,1925—1926年，吳有訓(xùn)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(zhì)，,四、吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn),1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.,對證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。,在同一散射角(