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1、光电效应 光子,第二节 光的粒子性(2课时),第1课时,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?,19世纪初,托马斯.杨、菲涅尔、马吕斯等分别观察到了光的干涉、衍射和偏振。19世纪60年代,麦克斯韦提出电磁场理论,19世纪80年代赫兹用实验验证了这一理论,光的波动说取得了胜利。,同时赫兹还发现了用光的波动说无法解释的 现象光电效应。,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(带正电)去靠近锌板,则验电器的指针张角会变大。,一、光电效应现象,表明锌板在射线照射下失去电子而带正电,定义:,照射到
2、金属表面的光(包括不可见光) ,能使金属中的电子从表面逸出。这个现象叫做光电效应。,发射出来的电子叫做光电子,若锌板先带上负电,再用紫外线灯照射锌板, 会怎样?(课本p30),问:,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,实验规律:,饱和电流 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。 (入射光强度 n:光子数)(一个光子的能量只能给一个光电子) 对于一定颜色的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多, 饱和光电流越大。
3、,当 K、A 间加反向电压,光电子克服电场力作功(w=qu),电子减速,当电压达到某一值 Uc 时,速度最大的光电子达不到阳极A,此时光电流恰为0。 Uc称遏止电压。,2.遏止电压,对于一定颜色(频率)的光,无论光强如何Uc相同;频率改变,遏止电压变。 光电子的能量只与光入射的频率有关,与入射光强弱无关。,3.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。,4.瞬时性 光
4、电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间 t10-9s。,二、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。,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W,另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek 。由能量守恒可得出:,2.爱因斯坦光电效应方程,初动能及反向截止电压与 成正比,而与光强无关。,4.光电效应的解释,3.光电效应方程,W0:某种金属中的不同电子,脱离这种金属所需要的功不一样,
5、使电子逸出金属表面所作功的最小值,称为逸出功; Ek:为光电子的最大初动能; :为入射光频率,b:当入射光频率 0 时,电子才能逸出金属表面,产生光电效应。,c:不同金属具有不同的截止频率。,(3)光电流正比于光强的解释,光强正比于单位时间流过单位面积 的光子数。光强越大,光子数越多。金属内电子吸收一个光子可以释放一个光电子。光强越大,光电子越多,光电流越大。 但是光子的能量小于逸出功时无光电流。,a: 入射光频率低于 c 时,光子能量小于( h Wo) 逸出功,无光电子产生。,(2)截止频率0 的解释:,(4)光电效应瞬时性的解释,电子吸收光子时间很短,只要光子频率大于截止频率,电子就能立即
6、逸出金属表面,无需积累能量的时间,与光强无关。,解:,例1:铂的逸出功为6.3eV,求铂的截止频率c。,=196nm,康普顿效应,第2课时,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,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,这种波长变化的现象叫做康普顿效应。,2.康普顿效应,康普顿散射的实验装置与规律:,晶体,光阑,探 测 器,0,散射波长,X 射线是由一些能量为 =h 的光子组成,并且这些光子与自由电子发生完全弹性碰撞,光子除了有能量之外还有动量。,3.康普顿效应的光
7、量子理论解释,可见,康普顿效应中,发生波长改变的原因是:当一个光子与散射物质中的一个自由电子碰撞后,电子获得一部分能量,散射的光子能量减小,频率减小,波长变长。,康普顿散射进一步证实了光子理论的正确性,还证明了在微观领域中也是严格遵守能量、动量守恒定律。,4.光子的质量、能量和动量,光子的能量就是动能:,光子的能量和动量的关系式为:,由相对论光子的质能关系,由相对论质速关系:光子的静止质量为零。,光子的质量,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。,康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。,
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