光电效应、康普顿效应.ppt

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1、关于光电效应、康普顿效应现在学习的是第1页，共52页现在学习的是第2页，共52页用弧光灯照射擦得很用弧光灯照射擦得很亮的锌板，亮的锌板，(注意用注意用导线与不带电的验导线与不带电的验电器相连），电器相连），使验电使验电 器张角增大到约为器张角增大到约为 30度时，再用与丝绸磨度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指锌板，则验电器的指针张角会变大。针张角会变大。表明锌板在射线照射下失去电子而带正电表明锌板在射线照射下失去电子而带正电现在学习的是第3页，共52页 当光线照射在金属表面时，金属中有电当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为子逸出的现象，称为

2、光电效应光电效应。逸出的逸出的电子称为电子称为光电子光电子。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 现在学习的是第4页，共52页光照不变，增大光照不变，增大UAK，G表中电流达表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和到某一值后不再增大，即达到饱和值。值。因为光照条件一定时，因为光照条件一定时，K发射的电子数发射的电子数目一定。目一定。实验表明：实验表明：入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。子数越多。VGAK阳极阳极阴极阴极现在学习的是第5页，共52页：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

3、压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速光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子作减速运动。度方向相反，光电子作减速运动。若若c221eUvmcecv速率最大的是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(2)存在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率a.存在存在遏止电压遏止电压EEUFKA现在学习的是第6页，共52页IIsUaOU黄光（黄光（ 强）强）黄光（黄光（ 弱）弱）光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流蓝光蓝光Ub(2)存在存在遏止电压和截止频

4、率遏止电压和截止频率VGAK阳极阳极阴极阴极现在学习的是第7页，共52页实验表明实验表明: 改变是，改变是，(2)存在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率c221eUvmcea.存在存在遏止电压遏止电压GVAK阳极阳极阴极阴极现在学习的是第8页，共52页经研究后发现：经研究后发现：b.存在存在截止频率截止频率 (2)存在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率现在学习的是第9页，共52页实验结果：即使入射光的强度非常实验结果：即使入射光的强度非常微弱，微弱，电流表指针也几乎电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。是随着入射光照射就立即偏转。更精确的研究推知，光电子发射所经更精确的研究推

5、知，光电子发射所经过的时间不超过过的时间不超过10109 9 秒秒（这个现象（这个现象一般称作一般称作“光电子的瞬时发射光电子的瞬时发射”）。）。光电效应在极短的时间内完成 (3)具有瞬时性具有瞬时性VAK阳极阳极阴极阴极现在学习的是第10页，共52页： 现在学习的是第11页，共52页 以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以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。无法用经典的波动理论来解释光电效应。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，逸出的电子数越多，光电流也就越大。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。光越强，光电子的初

6、动能应该越大，所以遏止电压光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与应与光的强弱有关。光的强弱有关。不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。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，电子需几分钟到十几如果光很弱，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能量，这个时间远远大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, 无无论光的强弱如何论光的强弱如何,

7、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。这个引力做功。现在学习的是第12页，共52页光本身就是由一个个不可分割光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为的能量子组成的，频率为的的光的能量子为光的能量子为h。这些能量子。这些能量子后来被称为后来被称为光子光子。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爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：启发，他提出：现

8、在学习的是第13页，共52页2.爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程：AEhkAhEk或光电子最大初动能光电子最大初动能 金属的逸出功金属的逸出功 A221cekvmE 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，一部分能量用后，一部分能量用来克服金属的逸出功来克服金属的逸出功，剩下的表现为逸出后电子的初，剩下的表现为逸出后电子的初动能动能Ek，即：，即：现在学习的是第14页，共52页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与入与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当射光的频率成线

9、性关系，与光强无关。只有当hh 时，才有光电子逸出，时，才有光电子逸出， 就是光电效应就是光电效应的截止频率。的截止频率。hAc电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能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生的。量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。光强较大时，包含的光子数较多，照射金属光强较大时，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。时产生的光电子多，因而饱和电流大。现在学习的是第15页，共52页由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律应的实验规律, ,荣获荣获192119

10、21年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应光电效应”实验，实验，结果在结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一的值与理论值完全一致，又一次证明了致，又一次证明了“光量子光量子”理论的正确。理论的正确。现在学习的是第16页，共52页爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效应光电效应的的理论

11、解释和对理论解释和对理论物理学理论物理学的的贡献贡献获得获得1921年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖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光电效应电效应，特别是通过著名的油，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。滴实验，证明电荷有最小单位。获得获得19231923年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。现在学习的是第17页，共52页思考与讨论思考与讨论ceUAhcceKeUvm：E221因为可得代入AhEk现在学习的是第18页，共52页放大器放大器控制机构控制机构K1K2K3K4K5KA。现在学习的是第19页，共52页应 用 光电管光电源电流计IAK现在学习的是第20页，共52页

12、 康普顿效应康普顿效应现在学习的是第21页，共52页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,因而传播方向发生因而传播方向发生改变改变,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 1923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验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，其波长的改外，还有比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 和散射物质都和散射物质都无关无关。现在学习

13、的是第22页，共52页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 现在学习的是第23页，共52页 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！现在学习的是第24页，共52页康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点： a.除原波长除原波长 0外出现了移向长波外出现了移向长波方向的新的散射波长方向的新的散射波长 。 b.新波长新波长 随散射角的增

14、大而增随散射角的增大而增大。大。 散射中出现散射中出现 0 的现象，称的现象，称为为康普顿散射。康普顿散射。波长的偏移为波长的偏移为0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波长波长. 0 现在学习的是第25页，共52页称为电子的称为电子的Compton波长波长)cos1 (j j c只有当入射波长只有当入射波长 0与与 c可比拟时，康普顿效应才显著，可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用因此要用X射线才能观察到射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角波长

15、的偏移只与散射角j j 有关，有关，而与散射物质而与散射物质种类及入射的种类及入射的X X射线的波长射线的波长 0 0 无关，无关，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（实验值）（实验值）现在学习的是第26页，共52页现在学习的是第27页，共52页 现在学习的是第28页，共52页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”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，动量和能量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。守恒定律仍然是成立的。康

16、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。现在学习的是第29页，共52页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1927现在学习的是第30页，共52

17、页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，4.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（1897-19771897-1977） 吴有训吴有训现在学习的是第31页，共52

18、页2mcE hchcchmcP2hE 2chm现在学习的是第32页，共52页hE 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现在学习的是第33页，共52页光的粒子性光的粒子性一、光电效应的基本规律一、光电效应的基本规律1.光电效应现象光电效应现象2.光电效应实验规律光电效应实验规律 现在学习的是第34页，共52页（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三、爱因斯坦的光电效应方程三、爱因斯坦的光电效应方程（1 1）光子：）光子：二、光电效应解释中的疑难二、光电效应解释中的疑

19、难现在学习的是第35页，共52页1.1.在演示光电效应的实验中，原来不带电的在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，图所示，这时这时( )( )A.A.锌板带正电，指针带负电锌板带正电，指针带负电B.B.锌板带正电，指针带正电锌板带正电，指针带正电C.C.锌板带负电，指针带正电锌板带负电，指针带正电D.D.锌板带负电，指针带负电锌板带负电，指针带负电B练习练习现在学习的是第36页，共52页2.2.一束黄光照射某金属表面时，不能产生一束黄光照

20、射某金属表面时，不能产生光电效应，则下列措施中可能使该金属产光电效应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是生光电效应的是( )( )A.A.延长光照时间延长光照时间B.B.增大光束的强度增大光束的强度C.C.换用红光照射换用红光照射D.D.换用紫光照射换用紫光照射D练习练习现在学习的是第37页，共52页练习练习B现在学习的是第38页，共52页练习练习3现在学习的是第39页，共52页练习练习D现在学习的是第40页，共52页现在学习的是第41页，共52页现在学习的是第42页，共52页练习练习课本课本P391、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想想看，这种、在可见光范围内，哪种颜色光的光

21、子能量最大？想想看，这种光是否一定最亮？为什么？光是否一定最亮？为什么？在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高。率最高。紫光不是最亮的。紫光不是最亮的。一为光强，一为光强，因为光的亮度由两个因素决定，因为光的亮度由两个因素决定，二为人眼的视觉灵敏度。二为人眼的视觉灵敏度。在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄绿色在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。现在学习的是第43页，共52页练习练习课本课本P392、在光电效应实验中、在光电效应实验中 （1）如

22、果入射光强度增加，将产生什么结果？（如果入射光强度增加，将产生什么结果？（2）如）如果入射光频率增加，将产生什么结果？果入射光频率增加，将产生什么结果？（1）当入射光频率高于截止频率时，光强增加，发）当入射光频率高于截止频率时，光强增加，发射的光电子数增多；射的光电子数增多； 当入射光频率低于截当入射光频率低于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光电子发止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光电子发射出来。射出来。 （2）入射光的频率增加，发射的光电子最大初动）入射光的频率增加，发射的光电子最大初动能增加。能增加。现在学习的是第44页，共52页练习练习课本例题课本例题P36分析ceUWh0由上

23、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和普和普朗克常量朗克常量h都是常量。都是常量。所以遏止电压UC与光的频率之间是线性关系eW0hW0即：Uc图象是一条斜率为 的直线eh现在学习的是第45页，共52页练习练习课本例题P36分析ceUWh0由上面讨论结果eWehUc0可得：eW0hW0cceKeUvm：E221因为遏止电压遏止电压Uc与光电子的与光电子的最大初动能最大初动能Ek有关有关Ek越大，越大， Uc越高；越高；Uc为零，为零，Ek为为零，即没有光电子零，即没有光电子所以与遏止电压所以与遏止电压U Uc c=0=

24、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现在学习的是第46页，共52页由以上分析可知：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 Ucc图象是一条斜率为图象是一条斜率为 的直线的直线eh现在学习的是第47页，共52页练习练习课本课本P395 5、根据图、根据图17.2-217.2-2所示研究光电效应的电路，利用能够产所示研究光电效应的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进行实验，生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进行实验，

25、怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。GVAKR单色光单色光分析：阳极与电源负极相接分析：阳极与电源负极相接 阴极与电源正极相接阴极与电源正极相接测出两种不同频率测出两种不同频率1、2光的光的遏止电压遏止电压U1、U2代入公式：代入公式：ceUWh0现在学习的是第48页，共52页101eUWh202eUWh 当入射光频率分别为当入射光频率分别为1、2时，测出遏止电压时，测出遏止电压U1、U2，由，由爱因斯坦光电效应方程可得爱因斯坦

26、光电效应方程可得联立上两式，解得联立上两式，解得eUUh2121其中其中e为电子的电量，测出为电子的电量，测出U1与与U2就可测出普朗克常量就可测出普朗克常量现在学习的是第49页，共52页实验步骤：实验步骤：（1 1）将图）将图17.2-217.2-2电路图电源正负对调，滑动变阻器滑动电路图电源正负对调，滑动变阻器滑动触头滑至最左边，用频率为触头滑至最左边，用频率为1 1 的光照射，此时电流表中有的光照射，此时电流表中有电流。电流。将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑，将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑，同时观察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。同时观察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。记下伏特表的示数记下伏特表的示数U U1 1。（2 2）用频率为）用频率为2 2的光照射，重复（的光照射，重复（1 1）的操作，记下伏特）的操作，记下伏特表的示数表的示数U U2 2。 （3 3）应用）应用 计算计算h h。（4 4）多次测量取平均值。）多次测量取平均值。eUUh2121现在学习的是第50页，共52页颜色颜色波长波长/nm/nm频率频率 /1014HZ遏制电遏制电压压U/V最大动能最大动能EKm/eV绿绿兰兰紫紫（光强）（光强）紫紫（光弱）（光弱）现在学习的是第51页，共52页感谢大家观看8/21/2022现在学习的是第52页，共52页