1、第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性 第二节第二节 科学的转折：光的粒子性科学的转折：光的粒子性光是什么？光是什么？观点一：观点一：托马斯托马斯.杨杨-光的干涉光的干涉菲涅尔菲涅尔-光的衍射光的衍射马吕斯马吕斯-光的偏振光的偏振观点二：观点二：波波赫兹光电效应赫兹光电效应粒子粒子1672T/年年1690186419051801托马托马斯斯杨杨双缝干涉双缝干涉实验实验1814菲涅耳菲涅耳衍射实验衍射实验赫兹赫兹电磁波实验电磁波实验1888赫兹赫兹发现发现光电效应光电效应牛顿微粒说牛顿微粒说占主导地位占主导地位波动说波动说渐成真理渐成真理.一、光电效应现象：一、光电效应现象：1.1.金属在光（包
2、括金属在光（包括不可见光）的照射不可见光）的照射下，从表面逸出电下，从表面逸出电子的现象叫子的现象叫 光电效应光电效应2.2.发射出来的电子叫发射出来的电子叫 光电子光电子3.3.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单色光单色光阳极GVAKR阴极实验装置实验装置实验表明实验表明：入射光越强，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越单位时间内发射的光电子数越多；多；入射光越强，饱和光电流越大。入射光越强，饱和光电流越大。1 1、存在着饱和电流、存在着饱和电流光照不变，增大光照不变，增大UAK，G表中表中电流达到某一值后不再增大，电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。即
3、达到饱和值。因为光照条件一定时，因为光照条件一定时，K单位单位时间发射的电子数目一定。时间发射的电子数目一定。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速率最大的是最大初动能最大初动能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U
4、C为为遏止电压遏止电压同一频率同一频率光照射，不管光强如何，遏止电压都相同。光照射，不管光强如何，遏止电压都相同。光照频率越高，遏止电压越高。光照频率越高，遏止电压越高。（2 2）、存在着截止频率）、存在着截止频率任何一种金属，都有一个任何一种金属，都有一个截截止频率止频率，入射光的频率必须，入射光的频率必须大于大于这个这个截止频率截止频率才能产生才能产生光电效应，低于这个频率的光电效应，低于这个频率的光，无论光强怎样大，也不光，无论光强怎样大，也不能产生光电效应。能产生光电效应。不同金属不同金属的截止频率的截止频率不同不同。光电子的能量只与光电子的能量只与入射光的频率入射光的频率有关。有关。
5、入射光的频率入射光的频率低于低于截止频率时不能发生截止频率时不能发生光电效应。光电效应。实验实验：1.不同单色光不同单色光 2.不同金属不同金属3.3.光电效应具有瞬时性光电效应具有瞬时性当入射光频率超过截止频率时，无论入射光怎当入射光频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流。样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流。精确测量表明产生电流的时间不超过精确测量表明产生电流的时间不超过10109 9 秒秒，即，即光电效应几乎是瞬时的。光电效应几乎是瞬时的。GVAKR单色光单色光二、光电效应的实验规律二、光电效应的实验规律按照光的电磁理论，应得出以下结论：按照光的电磁理论
6、，应得出以下结论：光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压电压U UC C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表面逸出，不应存在截止频率获得足够能量从表面逸出，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分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于能量，这个时间远远大于1010-9-9 S S。以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无以上三个
7、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。1.1.光子说光子说(爱因斯坦于爱因斯坦于19051905年提出年提出)在空间传播的光不是连续的而是一在空间传播的光不是连续的而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量跟它的频率成正比。子的能量跟它的频率成正比。即即:E:Eh h ，表示光的频率，表示光的频率，h h 叫叫普朗克常量，普朗克常量，h h6.636.631010-34-34焦耳秒焦耳秒四四 爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程2.2.光电效应方程光电效应方程逸出功：逸出功：金属表面上的电
8、子逸出金属表面上的电子逸出时要克服金属原子核的引力所做功时要克服金属原子核的引力所做功的最小值。的最小值。不同金属不同金属,其逸出功不同。其逸出功不同。有：有：W0=h0光电效应方程：光电效应方程：EkhW03.3.爱因斯坦光电效应方程对实验结论的解释爱因斯坦光电效应方程对实验结论的解释EkhW00EKW00解释截止频率解释截止频率解释饱和光电流解释饱和光电流解释瞬时性解释瞬时性爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和光电效应光电效应，
9、特别是通过著名，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验，证明电荷有最小单位。小单位。获得获得19231923年诺贝年诺贝尔物理学奖尔物理学奖 利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性,可以制造光电转换器可以制造光电转换器实现光信号与电信号之间的实现光信号与电信号之间的相互转换。这些相互转换。这些光电转换器光电转换器如光电管如光电管(photoelement)(photoelement)等，广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电等，广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。视和自动控制等诸多方面。光电倍增管光电倍增
10、管(photomultiplier)(photomultiplier)是把光信号变为电信是把光信号变为电信号的常用器件。号的常用器件。当光照射到阴极当光照射到阴极 k k 使它发射光电子，这光电子在电压作用使它发射光电子，这光电子在电压作用下加速轰击第一阴极下加速轰击第一阴极k k1 1，使之又发射次级光电子，这些次级光，使之又发射次级光电子，这些次级光电子再被加速轰击第二阴极电子再被加速轰击第二阴极k k2,.2,.如此继续下去，利用如此继续下去，利用10101515个次阴极，可将光电流放大几百万倍。即一束微弱的入个次阴极，可将光电流放大几百万倍。即一束微弱的入射光，将转变成放大了的光电流，
11、可以通过电流计显示出来。射光，将转变成放大了的光电流，可以通过电流计显示出来。1.1.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
12、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、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 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！遇到的困难遇到的困难经典电磁理论在解释康普顿效应时经典电磁理论在解释康普顿效应时2.2.无法解释波长改变和散射角的关系。无法解释波长改变
13、和散射角的关系。射光频率应等于入射光频率。射光频率应等于入射光频率。其频率等于入射光频率，所以它所发射的散其频率等于入射光频率，所以它所发射的散过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，1.1.根据经典电磁波理论，当电磁波通根据经典电磁波理论，当电磁波通六、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光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释 康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的子
14、能量几乎不变，波长不变子能量几乎不变，波长不变。小于原子质量，根据碰撞理论，小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光碰撞前后光光子将与整个原子交换能量光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远由于光子质量远2.2.若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，是散射光的波长大于入射光的波长。是散射光的波长大于入射光的波长。部分能量传给电子部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于散射光子的能量减少，于1.若光子和外层电子相碰撞，光子有一若光子和外层电子相碰撞，光子有一结果，具体解释如下：结果，具体解释如下：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
15、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”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，动量和能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。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
16、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1925192619251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X X射线射线(0 0=5.62nm)=5.62nm)为入射线为入射线,以以1515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19231923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重要贡
17、献。对证实康普顿效应作出了重要贡献。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 X 射线散射实验。射线散射实验。0120 j j（1897-19771897-1977）吴有训吴有训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；
