就是光电效应的截止频率课件.ppt

1、无锡市第一中学19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面获得巨大成就。很大的成功：在机械运动方面获得巨大成就。在热学方面，成功地解释了温度、压强、气在热学方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了能推断一体的内能。在电磁学方面，建立了能推断一切电磁现象的麦克斯韦方程。另外还找到了切电磁现象的麦克斯韦方程。另外还找到了力、电、光、声力、电、光、声-等都遵循的规律：能量转等都遵循的规律：能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经这些成绩和胜利

2、之中。他们认为物理学已经发展到头了。发展到头了。材料鉴赏材料鉴赏:1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言勋爵作了展望新世纪的发言:“科学的大厦已经基本完成，科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。的修补工作就行了。”-开尔文开尔文-也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈科学家只要把做过的实验再精确一下，在实验数据科学家只要把做过的实验再精确一下，在实验数据的小数点后面再加几位罢了！的小数点后面

3、再加几位罢了！但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：就在上面提到的文章中他还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，人不安的乌云，-”这两朵乌云是指什么呢？这两朵乌云是指什么呢？黑体辐射实验黑体辐射实验光的速度光的速度后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。花。普朗克量子力学的诞生普朗克量子力学的诞生相对论问世相对论

4、问世这两朵乌云到底是什么回事呢？这两朵乌云到底是什么回事呢？经典力学经典力学量子力学量子力学相对论相对论微观领域微观领域高速领域高速领域第一节：第一节：思考与讨论1 1，在炉火旁边有什么感觉？，在炉火旁边有什么感觉？2 2，投在炉中的铁块一开始是什么颜色？，投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？800K1000K1200K1400K固体在温度升高时颜色的变化：固体在温度升高时颜色的变化：热辐射现象：热辐射现象：一切物体在任何温度下都一切物体在任何温度下都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射。有关，所以叫做

5、热辐射。辐射规律：辐射规律：1.辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波，辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波，不同波长，辐射强度不同。不同波长，辐射强度不同。2.温度升高，辐射强度增大，同时辐射温度升高，辐射强度增大，同时辐射电磁波的频率和波长也在变化。电磁波的频率和波长也在变化。问题：如何研究物体的热辐射规律？问题：如何研究物体的热辐射规律？注意：除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射注意：除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波，外界射来的电磁波，例如：常温下我们看到的物体颜色就是物体反射例如：常温下我们看到的物体颜色就是物体反射了该频率的电磁波，吸收了其他频率的电磁波。了该频率的电磁

6、波，吸收了其他频率的电磁波。一些物体看起来很黑，其实是它吸收所有电磁波，一些物体看起来很黑，其实是它吸收所有电磁波，反射的电磁波很弱。反射的电磁波很弱。那么：在研究物体热辐射中，应如何那么：在研究物体热辐射中，应如何避免反射电磁波的影响？避免反射电磁波的影响？一，黑体及黑体辐射一，黑体及黑体辐射理想的热辐射体是理想的热辐射体是“绝对黑体绝对黑体”，简称，简称“黑黑体体”。它在任何温度下都能全部吸收。它在任何温度下都能全部吸收入射的各入射的各种波长的电磁波而不发生反射。种波长的电磁波而不发生反射。德国物理学家基尔霍夫首先提出了绝对黑体的模型。德国物理学家基尔霍夫首先提出了绝对黑体的模型。说明：说

7、明：黑体是个黑体是个理想化的模型理想化的模型。例：开孔的空腔，。例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。远处的窗口等可近似看作黑体。实验表明：对于一般材料的物体，辐射实验表明：对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与电磁波的情况除与温度温度有关外，还与有关外，还与材料的材料的种类及表面状况种类及表面状况有关，而黑体辐射电磁波的有关，而黑体辐射电磁波的规律只与黑体的温度有关，因而可以反映某种规律只与黑体的温度有关，因而可以反映某种具有普通意义的客观规律。于是，在研究具有普通意义的客观规律。于是，在研究热辐热辐射射的规律时人们特别注意对的规律时人们特别注意对黑体辐射黑体辐射的研究的研究。0 1

8、 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K辐射强度二：黑体辐射的实验规律二：黑体辐射的实验规律随着温度的升高：随着温度的升高：1，各种波长的辐射强度都有增加；，各种波长的辐射强度都有增加；2，辐射强度的极大值辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。向波长较短的方向移动。你能由图找到黑体你能由图找到黑体辐射的实验规律吗？辐射的实验规律吗？瑞利公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在瑞利公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在紫外区紫外区(波长范围在紫外线附近波长范围在紫外线附近)竟算得辐射强度竟算得辐射强度为无穷大，这个荒谬的结论被认为是物理学理论为无穷大，这个荒谬的结论被认为

9、是物理学理论的灾难，当时称为的灾难，当时称为“紫外灾难紫外灾难”。瑞利理论值瑞利理论值维恩理论值维恩理论值0(,)MT实验实验T=1646k维恩公式在维恩公式在短波部分与短波部分与实验结果吻实验结果吻合得很好，合得很好，但长波却不但长波却不行。行。三、能量子三、能量子 超越牛顿的发现超越牛顿的发现 微观世界的某微观世界的某些规律，在我们些规律，在我们宏观世弄看来可宏观世弄看来可能非常奇怪。能非常奇怪。普朗克能量子理论普朗克能量子理论*微观粒子的能量只能是某一最小能量值微观粒子的能量只能是某一最小能量值的整数倍的整数倍，E=n（n=1,2,），这个不可再分的最这个不可再分的最小能量值小能量值叫能

10、量子，简称量子。叫能量子，简称量子。n n为正整数，称为为正整数，称为量子数。量子数。*带电微粒吸收和辐射能量时，也是以这个最小能带电微粒吸收和辐射能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射和吸收的。量值为单位一份一份地辐射和吸收的。h=6.626 10-34 J*S-普朗克常数普朗克常数*能量子的能量：能量子的能量：=h （是辐射吸收的电磁波的频率）(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克理论普朗克理论实验值实验值),(0Te 理论与实验符合的让人击掌叫绝理论与实验符合的让人击掌叫绝1800K能量量子化：能量量子化：宏观世界中：能量可以是任意值，可以连续变化。宏观世界中：能量可以是任

11、意值，可以连续变化。例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。微观世界中：微观粒子的能量只能是一个一个的微观世界中：微观粒子的能量只能是一个一个的特定值，不能连续变化。（特定值，不能连续变化。（能量量子化能量量子化），例如：），例如：物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。量子化：只能取一系列分立值，不能连续变化量子化：只能取一系列分立值，不能连续变化你能举出生活中你能举出生活中“量子化量子化”例子吗？例子吗？普朗克的量子化理论改变了人们对世界的根本认识。普朗克的量子化理论改变了人们对世界的根本认识。1900

12、年不仅成为新世纪年不仅成为新世纪的开始，也成为物理学的一个新纪元。的开始，也成为物理学的一个新纪元。18年后，普朗克为此获得了诺贝尔物年后，普朗克为此获得了诺贝尔物理学奖。理学奖。结论：结论：1.在宏观尺度内研究物体的能量变化时我们在宏观尺度内研究物体的能量变化时我们可以认为：物体的运动是连续的可以认为：物体的运动是连续的,能量变化能量变化是连续的是连续的,不必考虑量子化不必考虑量子化。（因为每个能量因为每个能量子的能量很小，宏观物体的能量不连续变化非常子的能量很小，宏观物体的能量不连续变化非常不明显，可以忽略不计。）不明显，可以忽略不计。）2.在研究微观粒子时必需考虑能量量子化在研究微观粒子

13、时必需考虑能量量子化意义：意义：普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化、普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了提出了能量量子化、物体辐射或吸收能量只能能量量子化、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学

14、的诞生奠定了基础。力学的诞生奠定了基础。本节课的主要知识本节课的主要知识:微观粒子的运动微观粒子的运动是不连续的是不连续的,在发射和吸收能量的时候，在发射和吸收能量的时候，不是连续的，而是一份一份的。能量是不是连续的，而是一份一份的。能量是h 的整数倍。的整数倍。每份能量为每份能量为:E=hsJh3410626.6第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性第二节第二节 光的粒子性光的粒子性一、光电效应现象一、光电效应现象点击点击演示：光电效应实验：演示：光电效应实验：用紫外线照射锌板用紫外线照射锌板可清楚看到：可清楚看到：灵敏验电器指针张开灵敏验电器指针张开金属在光（包括不可见光）的照射下，从表金

15、属在光（包括不可见光）的照射下，从表面逸出电子的现象叫面逸出电子的现象叫 光电效应光电效应发射出来的电子叫发射出来的电子叫光电子光电子光电子定向移动形成的电流叫光电子定向移动形成的电流叫光电流光电流在紫外线的照射下，在紫外线的照射下，有电子从锌板飞出，有电子从锌板飞出，锌板带了正电。锌板带了正电。2 2、存在着遏止电压和截止频率、存在着遏止电压和截止频率下面我们来继续探讨下面我们来继续探讨二、光电效应的基本规律二、光电效应的基本规律3 3、效应具有瞬时性、效应具有瞬时性1 1、存在着饱和电流、存在着饱和电流1 1、存在着饱和电流、存在着饱和电流实验表明：实验表明：入射光越强，饱和电流越大；入射

16、光越强，饱和电流越大；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。光照不变，增大光照不变，增大UAK，G表中电流表中电流达到某一值后不再增大，即达到达到某一值后不再增大，即达到饱和值。饱和值。因为光照条件一定时，因为光照条件一定时，K发射的发射的电子数目一定。电子数目一定。单色光单色光阳极GVAKR阴极2 2、存在着遏止电压和截止频率、存在着遏止电压和截止频率(1)(1)存在遏止电压存在遏止电压U :U :c使光电流减小到零的反向电压U+一 一 一 一 一 一v加反向电压，如右图所示：加反向电压，如右图所示：光电子所受电场力方向与光电子光电子所受电场力方

17、向与光电子速度方向相反，光电子作减速运速度方向相反，光电子作减速运动。若动。若eUcvmce221cv速率最大的是最大的初动能U=0时，时，I0，因为电子有初速度因为电子有初速度则则I=0，式中，式中UC为为遏止电压遏止电压我们来看如图所示的实验：我们来看如图所示的实验：GVAKR单色光单色光实验表明实验表明:对于一定颜色对于一定颜色(频率频率)的光的光,无论光的强弱如何无论光的强弱如何,遏止电压是一样的遏止电压是一样的.当图中电流表当图中电流表G G 的读数为的读数为0 0时，时，伏特表伏特表V V的读数就是下式中的的读数就是下式中的“U Uc c”。阳极阴极eUcvmce2212 2、存在

18、着遏止电压和截止频率、存在着遏止电压和截止频率科学家曾做过类似于左图科学家曾做过类似于左图 的实的实验，他们用不同的单色光照射验，他们用不同的单色光照射某种金属，看看哪些频率的光某种金属，看看哪些频率的光照射时能产生光电效应。再用照射时能产生光电效应。再用不同的单色光照射别的金属，不同的单色光照射别的金属，又看看哪种频率的光照射时产又看看哪种频率的光照射时产生光电效应。生光电效应。任何一种金属，都有一个任何一种金属，都有一个截止频率率，入射光的频率必，入射光的频率必须大于这个须大于这个截止截止频率频率才能产生光电效应，低于这个频才能产生光电效应，低于这个频率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电

19、效应。不率的光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。不同金属的截止频率不同。同金属的截止频率不同。(2)(2)存在截止频率存在截止频率 :c经研究后发现：经研究后发现：3 3、效应具有瞬时性、效应具有瞬时性GVAKR单色光单色光实验结果：即使入射光的强度实验结果：即使入射光的强度非常微弱，非常微弱，只要入射光频率大只要入射光频率大于被照金属的极限频率，于被照金属的极限频率，电流电流表指针也几乎是随着入射光照表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。射就立即偏转。更精确的研究推知，光电子发更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过射所经过的时间不超过10109 9 秒秒（这个现象一般称作（这个

20、现象一般称作“光电子光电子的瞬时发射的瞬时发射”）。）。光电效应在极短的时间内完成 以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。法用经典的波动理论来解释光电效应。三、光电效应解释中的疑难三、光电效应解释中的疑难逸出功逸出功W0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逸出功。光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压压UC应与光的强弱有关。应与光的强弱有关。不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存

21、在截止频率。得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分如果光很弱，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，钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于这个时间远远大于10 S。-9实验表明实验表明:对于一定颜色对于一定颜色(频率频率)的光的光,无论光的强弱如何无论光的强弱如何,遏止电压是一样的遏止电压是一样的.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，电子要从金属中挣脱出来，必须克服这个引力做功。作用，电子要从金属中挣脱

22、出来，必须克服这个引力做功。四、爱因斯坦的光电效应方程四、爱因斯坦的光电效应方程（1 1）光子：）光子：光本身就是由一个个不可分割的光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为能量子组成的，频率为的光的的光的能量子为能量子为h。这些能量子后来被。这些能量子后来被称为称为光子光子。爱因斯坦的光子说爱因斯坦的光子说hE 爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：发，他提出：（2）爱因斯坦的光电效应方程）爱因斯坦的光电效应方程四、爱因斯坦的光电效应方程四、爱因斯坦的光电效应方程（1 1）光子：）光子：0WEhk0WhEk或光电子最大初动能光电子最大初动能

23、 金属的逸出功金属的逸出功 W0221cekvmE 一个电子吸收一个光子的能量一个电子吸收一个光子的能量h后，一部分能后，一部分能量用来克服金属的逸出功量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸，剩下的表现为逸出后电子的初动能出后电子的初动能Ek，即：，即：（3 3）光子说对光电效应的解释）光子说对光电效应的解释爱因斯坦方程表明，光电子的初动能爱因斯坦方程表明，光电子的初动能E Ek k与与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当有当hWhW0 0时，才有光电子逸出，时，才有光电子逸出，就是就是光电效应的截止频率。光电效应的截止频率。hWc0电子一次性吸

24、收光子的全部能量，不需要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积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。生的。光强较大时，包含的光子数较多，照射金光强较大时，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。属时产生的光电子多，因而饱和电流大。思考与讨论课本P33ceUWh0cceKeUvm：E221因为可得代入0WhEk练习练习课本例题P36分析ceUWh0由上面讨论结果eWehUc0可得：对于一定金属，逸出功对于一定金属，逸出功W0是确定的，电子电荷是确定的，电子电荷e和普朗克常量和普朗克常量h都是常量。都是常量。所以遏止电压UC与光的频率之

25、间是线性关系eW0hW0即：Uc图象是一条斜率为 的直线eh练习练习课本例题P36分析ceUWh0由上面讨论结果eWehUc0可得：eW0hW0cceKeUvm：E221因为遏止电压Uc与光电子的最大初动能Ek有关Ek越大，Uc越高；Uc为零，Ek为零，即没有光电子所以与遏止电压所以与遏止电压U Uc c=0=0对应的频率应该是截止频率对应的频率应该是截止频率c c00ceUWh0WhC由以上分析可知：由以上分析可知：根据数据作根据数据作Uc图象即可求得图象即可求得遏止电压遏止电压U Uc c=0=0对应的频率就是截止频率对应的频率就是截止频率c cU Uc c图象是一条斜率为图象是一条斜率为

26、 的直线的直线eh1.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2.2.康普顿效应康普顿效应 19231923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有质散射的实验时，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，其波长的改入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角变量与散射角有关，而与入射线波长有关，而与入射线波长 和散射物质都无关和散射物质都无关。五、康普顿效应五、康普顿效应3 3

27、、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 康普顿正在测晶体康普顿正在测晶体对对X 射线的散射射线的散射 按经典电磁理论：按经典电磁理论：如果入射如果入射X光是某光是某 种波长的电磁波，种波长的电磁波，散射光的波长是散射光的波长是 不会改变的！不会改变的！4.4.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”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”

28、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。康康普普顿顿效效应应康康普普顿顿效效应应康普顿康

29、普顿,1927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家美国物理学家19251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线(0=5.62nm)为入射线为入射线,以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重不同的元素为散射物质，吴有训对研究康普顿效应的贡献吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年年,参加了发现康普顿效应的研究工作参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了对证实康普顿效应作出了重要贡献。重要贡献。在同一散射角在同一散射角()测量测量各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，作了大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。0120 j j（

30、1897-19771897-1977）吴有训吴有训六、光子的能量和动量六、光子的能量和动量2mcE hchcchmcP2hE 2chmhE hP动量能量是描述粒子的动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的频率和波长则是用来描述波的本节课小结本节课小结光的粒子性光的粒子性一、光电效应现象一、光电效应现象二、光电效应的基本规律二、光电效应的基本规律2 2、存在着遏止电压和截止频率、存在着遏止电压和截止频率3 3、效应具有瞬时性、效应具有瞬时性1 1、存在着饱和电流、存在着饱和电流入射光越强，饱和电流越大入射光越强，饱和电流越大;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.入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，不同金属的截止频率不同；不同金属的截止频率不同；（3 3）光子说对光电效应的解释）光子说对光电效应的解释（2）爱因斯坦的光电效应方程）爱因斯坦的光电效应方程四、爱因斯坦的光电效应方程四、爱因斯坦的光电效应方程（1 1）光子：）光子：三、光电效应解释中的疑难三、光电效应解释中的疑难五、康普顿效应五、康普顿效应六、光子的动量六、光子的动量五、康普顿效应五、康普顿效应