光电效应光子

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1、光电效应光电效应 光子光子第二节第二节 光的粒子性光的粒子性(2(2课时课时)第第1课时课时问题问题1：回顾前面的学习，总结人类回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程？对光的本性的认识的发展过程？19世纪初，托马斯世纪初，托马斯.杨、菲涅尔、马吕斯等杨、菲涅尔、马吕斯等分别观察到了光的干涉、衍射和偏振。分别观察到了光的干涉、衍射和偏振。19世纪世纪60年代，麦克斯韦提出电磁场理论，年代，麦克斯韦提出电磁场理论，19世纪世纪80年代年代赫兹用实验验证了这一理论，光的波动说取得了赫兹用实验验证了这一理论，光的波动说取得了胜利。胜利。同时赫兹还发现了用光的波动说无法解释的同时赫兹还发现了

2、用光的波动说无法解释的现象现象光电效应。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：定义：照射到金属表面的光(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：问：光线经石英窗照在阴极上时有电光线经石英窗照在阴极上时有电子逸出子逸出-光电子。光电子。光电子在电场作用下形成光电流。光

3、电子在电场作用下形成光电流。二、光电效应实验及规律二、光电效应实验及规律VGAK阳极阳极阴极阴极光电效应光电效应实质实质：光现象：光现象 电现象电现象 转化为加电压加电压正向：电子加速，电场力做正功。正向：电子加速，电场力做正功。反向：电子减速，电场力做负功。反向：电子减速，电场力做负功。实验规律：实验规律：VGAK阳极阳极阴极阴极IIsUcOU光光 强强 较较 强强光光 强强 较较 弱弱遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流光电流与电压关系光电流与电压关系1.饱和电流饱和电流 入射光颜色（频率）不变，当入射光颜色（频率）不变，当 A 加加正正向电压，电流增加，到一定值时向电压，电流增加，到一定值时

4、单位时间内发射单位时间内发射的所有光电子都被阳极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，光电流吸收，即使电压再增，电流也不会增大，光电流达到饱和。达到饱和。（入射光强度（入射光强度 n：光子数）（一个光子的能量只能给一个光电子）：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，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，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，饱和光电流越大饱和光电流越大。nhI 当当 K K、A A 间加反向电压，光电子克服电场力作功间加反向电压，光电子克服电场力作功（w=quw=qu）,电子减速，电子减速，当电压达到某一值当电

5、压达到某一值 U Uc c 时，时，速度最大的光电子达不到阳极速度最大的光电子达不到阳极A A，此，此时时光电流恰为光电流恰为0 0。U Uc c称遏止电压。称遏止电压。2.遏止电压遏止电压IIsUcOU光光 强强 较较 强强光光 强强 较较 弱弱遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流光电流与电压关系光电流与电压关系VGAK阳极阳极阴极阴极2c210eU-mceeUm221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。光电子的能量只与光入射的频率有关，与入射光强弱无关。3.3.截止频率截止频率c-极限频率极限频率UcOcVG

6、AK阳极阳极阴极阴极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。当入射光频率当入射光频率 c 时，电子才能逸出金属表面；时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率当入射光频率 c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。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。c4.瞬时性瞬时性 光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间 t 0 时，电子才能逸时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应。出金属表面，产生光电效应。c c：不同金属具有不同的截止频率。：不同金属

7、具有不同的截止频率。（3）光电流正比于光强的解释）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光强正比于单位时间流过单位面积 的光子数。光强越大，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。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。但是光子的能量小于逸出功时无光电流。a a:入射光频率低于入射光频率低于 c 时，光子能量小时，光子能量小于于(h(h WWo)逸出功，无光电子产生。逸出功，无光电子产生。O-WEkmc（2）截止频率截止频率0

8、的解释的解释:chhEk（4）光电效应瞬时性的解释）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，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关。解：解：例例1：铂的逸出功为：铂的逸出功为6.3eV，求铂的截止频率，求铂的截止频率c。J106.1eV1193419106.6106.13.6cHz1053.115=196nmhWc0 康普顿效应康普顿效应第第2课时课时1.光的散射光的散射光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传因而传播

9、方向发生改变播方向发生改变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射 19231923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射的射线通过物质散射的实验时，发现实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同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，的射线外，还有比入射线波长更长的射线，这这种种波长变化波长变化的现象叫做的现象叫做康普顿效应康普顿效应。2.康普顿效应康普顿效应康普顿散射的实验装置与规律：康普顿散射的实验装置与规律：晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 X 射线是由一些能量为

10、射线是由一些能量为=h 的光子组成，并且这些光子与的光子组成，并且这些光子与自由电子发生完全弹性碰撞，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。光子除了有能量之外还有动量。3.3.康普顿效应的光量子理论解释康普顿效应的光量子理论解释 可见，康普顿效应中，发生波长改变的原因可见，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，撞后，电子获得一部分能量，散射的光子能量减散射的光子能量减小，频率减小，波长变长。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，还证康普顿散射进一步证

11、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。明了在微观领域中也是严格遵守能量、动量守恒定律。4.4.光子的质量、能量和动量光子的质量、能量和动量光子的能量就是动能：光子的能量就是动能：2mcE h光子的能量和动量的关系式为：光子的能量和动量的关系式为：pcE 由相对论光子的质能关系由相对论光子的质能关系Eh2mc由相对论质速关系：由相对论质速关系：光子的静止质量为零。光子的静止质量为零。光子的质量光子的质量2cEm2chchmcPchh光子的动量：光子的动量：康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义（1 1）有力地支持了爱因斯坦）有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子

12、”假设；假设；（2 2）首次在实验上证实了）首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量”的假设；的假设；（3 3）证实了）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，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。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混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只；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。考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。